MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA MINISTRO DE ESTADO Edison Lobão SECRETÁRIO EXECUTIVO Márcio Pereira Zimmermann SECRETÁRIO DE GEOLOGIA, MINERAÇÃO E TRANSFORMAÇÃO MINERAL Cláudio Scliar COMPANHIA DE PESQUISA DE RECURSOS MINERAIS / SERVIÇO GEOLÓGICO DO BRASIL (CPRM / SGB) DIRETORIA EXECUTIVA Diretor-Presidente Agamenon Sérgio Lucas Dantas Diretor de Hidrologia e Gestão Territorial José Ribeiro Mendes Diretor de Geologia e Recursos Minerais Manoel Barretto da Costa Neto Diretor de Relações Institucionais e Desenvolvimento Fernando Pereira de Carvalho Diretor de Administração e Finanças Eduardo Santa Helena da Silva DEPARTAMENTO DE HIDROLOGIA Chefe do Departamento de Hidrologia Frederico Cláudio Peixinho Chefe da Divisão de Hidrogeologia e Exploração José Emílio Carvalho de Oliveira Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações LABHID LABORATÓRIO DE HIDROGEOLOGIA - UFPE/CTG Hidrogeologia ConCeitos e apliCações 3ª Edição - Revisada e Ampliada Organização e Coordenação Científica Fernando A. C. Feitosa João Manoel Filho Edilton Carneiro Feitosa José Geilson A. Demetrio 2008 iii Início_Final_FFI.indd 3 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações © by autores Todos os direitos desta edição reservados CPRM - Serviço Geológico do Brasil Organização e Coordenação Científica Fernando A. C. Feitosa João Manoel Filho Edilton Carneiro Feitosa J. Geilson A. Demetrio Revisão Ortográfica e Gramatical Maria da Graça de Melo Feitosa Revisão de Citações Bibliográficas Tânia Regina B. M. Freire Mônica Cordulina da Silva Arte e Projeto Gráfico Fernando A. C. Feitosa Reginaldo Pereira da S. Rocha Maria da Graça de Melo Feitosa Mônica Cristina Campelo de Souza Sobrecapa baseada no modelo da capa da 1ª e 2ª Edições (DIMARK/CPRM) Coordenação Editorial Fernando A. C. Feitosa Editoração Eletrônica (Centro de Informática da Residência de Teresina do Serviço Geológico do Brasil) Coordenação Reginaldo Pereira da S. Rocha Equipe Robson Williams Carvalho Assunção Veruska Maria Damasceno de Moraes Wesley Melo dos Santos Colaboração Francisco Pereira da Silva Ney Gonzaga de Souza Feitosa, Fernando A.C. Hidrogeologia : conceitos e aplicações / organização e coordenação científica / Fernando A.C. Feitosa ... [et al.] ... – 3. ed. rev. e ampl. – Rio de Janeiro : CPRM : LABHID, 2008. 812 p. 1. Hidrogeologia. 2. Metodologia. I. Feitosa, Fernando A.C., Org. II. Manoel Filho, João, Org. III. Feitosa, Edilton Carneiro, Org. IV. Demetrio, J. Geilson A., Org. V. Título. CDD 551.49 ISBN 978-85-7499-061-3 iv Início_Final_FFI.indd 4 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ApresentAção Em muitas regiões da Terra, as águas subterrâneas foram, são e continuarão a ser fundamentais para o desenvolvimento sócio-econômico, o que as transforma num bem estratégico que deve ser racionalmente explotado, assegurando-se sua disponibilidade para as populações futuras. Faz-se necessário, portanto, o desenvolvimento de um processo sistemático de organização, análise e conciliação de seus múltiplos usos, dentro de uma visão prospectiva do problema, de modo a promover a sua utilização racional e garantir a sua disponibilidade. Assim sendo, o uso das águas subterrâneas requer o desenvolvimento de estudos que possibilitem o entendimento do comportamento dinâmico dos sistemas físicos de subsuperfície e o estabelecimento de programas de uso e monitoramento desses recursos, tendo como base o acompanhamento e a avaliação constante das ações propostas e dos resultados obtidos com a sua aplicação. No Brasil, verifica-se que a utilização dos recursos hídricos subterrâneos vem sendo feita, normalmente, sem o necessário conhecimento hidrogeológico, gerado através de estudos específicos ou mesmo básicos, o que impossibilita a elaboração de políticas públicas e projetos de natureza conservativa. Na região Nordeste do Brasil, onde existe uma maior carência de água imposta pelas suas condições climáticas, poços produtores são perfurados desde o início do século passado. Entretanto, é notório que apenas a partir de 1960, com a criação da Sudene, a hidrogeologia começou a ser tratada como ciência. Mesmo assim, nessa região, a utilização dos recursos hídricos subterrâneos aumentou vertiginosamente, principalmente nos locais de maior densidade demográfica, em função da necessidade do aumento da oferta hídrica. A demanda por conhecimento hidrogeológico, cada vez mais intensa e em ambiente complexo, impõe um grande esforço para produzir pesquisa e estudos, formar profissionais e produzir material técnico-científico que preserve e perpetue este conhecimento. Neste sentido, o Serviço Geológico do Brasil, em parceria com o Laboratório de Hidrogeologia da Universidade Federal de Pernambuco, lança esta publicação que resume o estado da arte da hidrogeologia no Brasil e poderá ser um importante instrumento, na cadeia de valor que envolve o processo de geração e difusão do conhecimento hidrogeológico. Agamenon Sergio Lucas Dantas Diretor Presidente CPRM - Serviço Geológico do Brasil v Início_Final_FFI.indd 5 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações prefácio A água começa a ser percebida pela humanidade como um recurso estratégico, que condiciona o desenvolvimento e a qualidade de vida dos povos, refletindo, globalmente, nas condições de sobrevivência do nosso planeta. Desta constatação aflora a necessidade de geração de dados, informações e conhecimentos sobre o comportamento dos processos hidrológicos e de suas interações com os demais componentes do meio ambiente, de modo a permitir uma maior eficácia nas decisões que envolvam o aproveitamento e a gestão deste valioso recurso. Emerge, ainda, um interesse cada vez maior pela abordagem integrada do ciclo hidrológico, por meio da análise e interpretação conjugadas das diferentes fases do ciclo da água, envolvendo a atuação de equipes interdisciplinares. Dentro deste contexto, a água subterrânea representa uma importante fase deste ciclo, que deve merecer um maior aprofundamento no campo da pesquisa e da geração do conhecimento, exigindo a participação cada vez mais ampla de especialistas nesta matéria, bem como a produção de publicações que lhe dêem o embasamento científico necessário. No plano acadêmico, pouca ênfase foi dada, ao longo do tempo, à formação de profissionais de hidrogeologia e à divulgação de estudos científicos nessa área de conhecimento, o que resultou numa carência muito grande de profissionais voltados para a investigação hidrogeológica. O Serviço Geológico do Brasil, ciente desta demanda, produziu em 1997 a publicação intitulada Hidrogeologia – Conceitos e Aplicações, a qual teve grande aceitação no meio acadêmico e profissional e, agora, resolve patrocinar, uma versão atualizada e ampliada desta obra, que irá contribuir, indubitavelmente, para enriquecer o acervo desta importante área do conhecimento. Frederico Cláudio Peixinho Chefe do Departamento de Hidrologia CPRM – Serviço Geológico do Brasil vii Início_Final_FFI.indd 7 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações introdução Originalmente restrita às suas raízes geológicas e aos seus experimentos hidráulicos, a Hidrogeologia, nos últimos 150 anos, vem tendo crescente abrangência interdisciplinar e cada vez mais se consolida como uma ciência ambiental, assumindo, por isso, importância decisiva, principalmente porque trata de um bem vital - a água. No mundo globalizado de hoje, o estudo da água subterrânea assume uma importância cada dia maior como instrumento capaz de prover solução para os problemas de suprimento hídrico e de controle de poluição, intrínsecos às atividades humanas. De fato, tem sido observado, nos últimos anos, que o crescimento populacional, além de aumentar as necessidades hídricas, responde pelo aumento da poluição ambiental. Nesse contexto, o aproveitamento criterioso da água subterrânea, como fator essencial para o desenvolvimento, enfrenta pelo menos três desafios, no tocante à necessidade de conhecimentos. O primeiro, nos campos hidrogeológicos da exploração, avaliação e explotação. O segundo, nos domínios da proteção e da conservação. Sob esse aspecto, a contaminação da água subterrânea pelo homem, nunca imaginada em tempos mais remotos, começou há cerca de 30 anos nos países mais desenvolvidos e já ocorre em muitos locais do Brasil. Nos últimos 20 anos, a literatura hidrogeológica vem tratando e destacando o assunto como algo preocupante, na medida em que nada parece indicar a redução na tendência de crescimento da poluição dos aqüíferos pela atividade humana. Ao contrário, principalmente nos aqüíferos freáticos, que são mais facilmente acessíveis ao homem e, por isso mesmo, mais utilizados e muito vulneráveis, a poluição não cessa de crescer. O terceiro desafio, portanto, é um corolário dos dois primeiros e está associado à necessidade de conhecimentos para bem planejar e administrar, tanto os diversos usos quanto a proteção da água subterrânea. No Brasil, o desenvolvimento da Hidrogeologia teve início na década de 60, na região Nordeste, através da atuação da Sudene, sendo, portanto, uma prática relativamente recente. Como reflexo disso, profissionais, técnicos e estudantes ligados ao setor de água subterrânea, indubitavelmente, ressentem-se da falta de livros e publicações didáticas editados em português, que orientem suas atuações e aprendizado. Além disso, o Brasil, como país em desenvolvimento, muito rico em águas subterrâneas, certamente clama por soluções práticas, nos diversos campos desta ciência não exata. Dentro deste panorama e percebendo esta necessidade, a CPRM lançou em 1997, em parceria com o LABHID - Laboratório de Hidrogeologia da Universidade Federal de Pernambuco, a primeira edição do livro Hidrogeologia: Conceitos e Aplicações, como uma contribuição ao preenchimento desta lacuna. O livro respondeu positivamente às expectativas, obtendo ótima aceitação na comunidade técnico-científica e sendo adotado em diversas universidades como texto para cursos de graduação e pós-graduação. Os mil exemplares da 1a edição esgotaram-se antes do final de 1998, ficando uma demanda não atendida materializada por inúmeras e sistemáticas solicitações de aquisição feitas à CPRM. Assim, para atender essa demanda, a CPRM, apoiada pela ABAS - Associação Brasileira de Águas Subterrâneas, Núcleo Ceará, lançou a segunda edição em 2.000, no I Congresso Mundial Integrado de Águas Subterrâneas, realizado em Fortaleza. ix Início_Final_FFI.indd 9 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O conteúdo dessas primeiras edições baseou-se em apostilas apresentadas pelos autores em cursos intensivos de especialização, ministrados pelo LABHID a técnicos da CPRM. Esse conteúdo contemplava uma ampla gama de aspectos da Hidrologia Subterrânea, tais como os conceitos e princípios fundamentais da Hidrogeologia, da Geologia, da Física, da Química e da Matemática, julgados necessários ao entendimento dos temas apresentados. Não menos importante, além disso, foi a experiência profissional dos autores, desenvolvida no Brasil, na lide diária, e que permeou toda a obra. Em 2002, com o esgotamento da 2ª edição, a CPRM resolveu não imprimir, simplesmente, uma nova tiragem das edições anteriores, mas produzir um livro de maior envergadura. Iniciou, assim, o projeto Hidrogeologia: Conceitos e Aplicações - 3ª Edição Revisada e Ampliada. Além de uma ampla revisão e reformulação da estrutura de apresentação, foi incluída uma série de novos temas, em parte, por conseqüência do avanço do conhecimento na última década, e, também, em função de demandas emanadas de estudantes, técnicos e pesquisadores do setor. A edição atual é composta por 31 capítulos distribuídos em sete módulos: A Água Subterrânea (capítulos 1.1, 1.2 e 1.3); Água Subterrânea em Meios Porosos Homogêneos (capítulos 2.1 e 2.2); Água Subterrânea em Meios Heterogêneos (capítulos 3.1, 3.2 e 3.3); Pesquisa de Água Subterrânea (capítulos 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 e 4.5); Qualidade das Águas Subterrâneas (capítulos 5.1, 5.2, 5,3 e 5.4); Explotação das Águas Subterrâneas (capítulos 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 e 6.8) e Planejamento e Gerenciamento das Águas Subterrâneas (capítulos 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 e 7.6). Por fim, como suporte ao entendimento de muitos temas, são apresentados, ainda, os Apêndices Noções de Cálculo Aplicado e Noções de Geoestatística Aplicada. O conteúdo deste livro, portanto, aumentou muito, cobrindo praticamente todos os aspectos inerentes à água subterrânea, desde a sua importância e ocorrência até as ferramentas de gerenciamento. Como destacado na primeira edição, contudo, uma publicação com essa abrangência há de padecer, naturalmente, de limitações e imperfeições. O material apresentado não pretende, portanto, ser a palavra final nem, muito menos, tenciona esgotar o tema. Assim sendo, os organizadores sentir-se-ão muito agradecidos, se lhes forem apontadas oportunidades de melhorias e, por outro lado, recomendam aos mais interessados, leituras adicionais que podem ser encontradas nas referências bibliográficas indicadas na presente obra, em cada um de seus capítulos. Por fim, os organizadores esperam que esta obra sirva de fonte de informações tanto para cursos de graduação, especialização e pós-graduação em Geologia e Hidrogeologia, como para referência de técnicos e pesquisadores da área e acreditam na sua importância e repercussão dentro do panorama atual dos recursos hídricos do país, em face do que representa em escala global a água subterrânea para a humanidade. Fernando A. C. Feitosa João Manoel Filho Edilton Carneiro Feitosa J. Geilson A. Demetrio Organização e Coordenação Científica x Início_Final_FFI.indd 10 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações AgrAdecimentos À diretoria executiva do Serviço Geológico do Brasil - CPRM, nas pessoas de seu diretor-presidente, geólogo Agamenon Sergio Lucas Dantas, e seu diretor de Hidrologia e Gestão Territorial, geólogo José Ribeiro Mendes, pela confiança e apoio dispensados, sem os quais esta edição não poderia ter sido realizada e publicada. À Universidade Federal de Pernambuco, representada pelo seu Laboratório de Hidrogeologia – LABHID/CTG, pelos cursos de aperfeiçoamento ministrados a técnicos da CPRM em 1994, 1995 e 1996, que constituíram a semente que germinou na presente obra. Aos mentores e grandes incentivadores da 1ª edição desta obra, Humberto J. T. R. de Albuquerque e Frederico Cláudio Peixinho, bem como a Thales de Queiroz Sampaio e Clodionor Carvalho de Araújo, pelo forte apoio franqueado em sua elaboração. A todos os autores desta 3ª edição, pelo empenho, não apenas na elaboração de seus textos, mas também na sua atualização e refinamento, em que as experiências pessoais foram vertidas com entusiasmo. A todos os colaboradores que devotaram um imenso esforço nas tarefas de editoração e revisão, em especial à Maria da Graça de Melo Feitosa pela sua valorosa participação e dedicação voluntária. Aos funcionários do Serviço Geológico do Brasil, em Teresina, nas pessoas do chefe da Residência, Antônio Reinaldo Soares Filho e do Coordenador Executivo, Frederico José Campelo de Souza, pelo apoio incondicional fornecido, o qual foi decisivo para o sucesso da fase final de edição. E, por fim, os organizadores desta obra deixam aqui registrada, uma homenagem histórica aos idealizadores e primeiros dirigentes da Superintendência do Desenvolvimento do Nordeste – Sudene, instituição que se constituiu, nas décadas e 1960 e 1970, em berçário e celeiro dos hidrogeólogos pioneiros do Brasil. A essas pessoas, portanto, a presente obra deve muito da sua origem, da sua trajetória e da contribuição que certamente trará à comunidade hidrogeológica do Brasil. xi Início_Final_FFI.indd 11 9/12/2008 20:38:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações orgAniZAção e coordenAção cientÍficA Fernando A. C. Feitosa Geólogo (1982) e Mestre em Hidrogeologia (1990) pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE. Doutorando em Hidrogeologia pela UFPE. Atuou na Conesp, Atepe, Acquaplan, Emater-PE e Funceme. Foi chefe da Divisão de Hidrogeologia (2001-2007) e atualmente é coordenador executivo do Departamento de Hidrologia do Serviço Geológico do Brasil. Coordenador da rede de pesquisa de estudos hidrogeológicos do semi-árido brasileiro, FINEP/CPRM-UFBA-UFC-UFCG-UFRN-UFPE (2005-2008). Linhas de atuação: avaliação e gestão de aqüíferos; estudos hidrogeológicos; construção e avaliação de poços. CPRM – Serviço Geológico do Brasil. (ffeitosa@fo.cprm.gov.br) João Manoel Filho Geólogo pela Escola de Geologia de Pernambuco (1962), Mestre em Hidrogeologia (Diplôme d’Ètudes Superieures) pela Université Louis Pasteur, Strasburg, França (1965) e Doutor em Recursos Minerais e Hidrogeologia pela Universidade de São Paulo – USP (1996). Linhas de atuação: avaliação, gestão e modelagem de aqüíferos; aqüíferos anisotrópicos. UFPE- LABHID. (jomanoelfilho@terra.com.br) Edilton Carneiro Feitosa Geólogo pela Escola de Geologia de Pernambuco (1964) e Mestre em Hidrogeologia (Diplôme d’Ètudes Superieures) pela Université Louis Pasteur, Strasbourg, França (1967). Professor aposentado da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE. Consultor de instituições e empresas públicas e privadas. Linhas de atuação: estudos hidrogeológicos, hidrodinâmica de poços, modelagem analítica de baterias de poços, pesquisa de mananciais subterrâneos, levantamentos geofísicos (eletroresistividade) na pesquisa de água subterrânea. UFPE- LABHID. (ediltonf@yahoo.com.br) J. Geilson A. Demetrio Geólogo (1982) e Mestre em Hidrogeologia (1990) pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE. Doutor em Hidrogeologia pela Universidade de São Paulo – USP (1998). Atuou na Planat – Consultoria em Recursos Naturais, Companhia de Águas e Esgoto do RN - Caern e Associação Tecnológica de PE - Atepe. Professor Adjunto do Departamento de Geologia da UFPE. Coordenador do Laboratório de Hidrogeologia - Labhid do Degeo/UFPE. Linhas de atuação: hidráulica e modelagem numérica de aqüíferos; projeto e hidráulica de poços e geofísica aplicada à hidrogeologia. UFPE-LABHID. (geilson@ufpe.br) xiii Início_Final_FFI.indd 13 9/12/2008 20:38:43 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Autores Adelbani Braz da Silva Geólogo pela UFPE (1967); Especialização em Hidrologia, Madrid (1971); Doutor em Hidrogeologia e Poluição de Águas Subterrâneas pela Universidade de São Paulo - USP (1984); Pós-doutorado em Hidrogeologia e Meio Ambiente, Colorado School of Mines, USA (1990); Administrador de Empresas pela UFPE (1971). Professor titular aposentado da UFMG. Lecionou na UFOP (1978 a 1981). Consultor em hidrogeologia e estudos ambientais. Recebeu medalha ”Escudo de Prata” do Ministério das Minas e Energia (1986) e “Diploma de Reconhecimento” da SBG – Sociedade Brasileira de Geologia (1986). (adelbani@gmail.com) Albert Mente Geólogo e doutor pela Universidade Leyden, Holanda. Ex-funcionário do Serviço de Reconquista-de-terra-ao-mar (Southersea Works, Holanda), da Unesco e da CPRM – Serviço Geológico do Brasil. Coordenador do Mapa Hidrogeológico do Brasil (1983) e coordenador técnico do Mapa Hidrogeológico da América do Sul (1996). Consultor internacional dos mapas hidrogeológicos do Uruguai, Paraguai, Suriname, Moçambique e Panamá. Consultor da UNESCO, NAÇOES UNIDAS (Cooperação Técnica e Desenvolvimento), OEA (incluindo Projeto Aquífero Guarani) e CPRM-Serviço Geológico do Brasil. (albertment@yahoo.com.br) Aldo da Cunha Rebouças Geólogo pela Escola de Geologia de Pernambuco (1962). Mestre em Hidrogeologia (1964) e Doutor em Recursos Hídricos (1975) pela Université Louis Pasteur, Strasbourg, França. Pós-doutorado pela Stanford University, EUA. Livre Docente IG/USP. Fundador, diretor e Pesquisador Associado do Centro de Pesquisa de Águas Subterrâneas – CEPAS, do IG/USP. Fundador e presidente da ALSHUD - Asociación Latinoamericana de Hidrología Subterránea para el Desarrollo e da ABAS – Associação Brasileira de Águas Subterrâneas. (aldocr@mandic.com.br) Alex Maurício Araújo Engenheiro Civil pela UFPE (1975). Especialista em Engenharia de Saúde Pública FIOCRUZ/ ENSP-RJ (1977). Mestre em Engenharia Civil (Qualidade das Águas e Recursos Hídricos em Bacias Hidrográficas) COPPE/UFRJ (1977). Aperfeiçoamento em Engenharia Mecânica (Simulação e Análises de Transitórios em Máquinas de Fluidos) PUC-RJ (1986) e Doutor em Engenharia Civil (Circulação Hidrodinâmica e Transporte Fluido em Corpos d’Água Rasos) COPPE/UFRJ (1993). Membro fundador da ABRH. Professor DE / Engenharia Mecânica - UFPE. (ama@ufpe.br) Almany Costa Santos Geólogo (1987) e Mestre em Geociências (1991) pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE. Doutor em Ciências (Recursos Minerais e Hidrogeologia) pela Universidade de São Paulo – USP (2000). Professor do Departamento de Geologia e da Pós-Graduação em Geociências da UFPE. Experiência em hidrogeologia, geologia ambiental e geologia de engenharia. Linhas de atuação: hidrogeoquímica; contaminação de água subterrânea; gestão de recursos hídricos; hidrogeologia ambiental e geologia de engenharia. (almany@ufpe.br) xv Início_Final_FFI.indd 15 9/12/2008 20:38:46 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Amélia J. Fernandes Geóloga (1985), Mestre em Geoquímica e Geotectônica (1991) e Doutora em Recursos Minerais e Hidrogeologia (1997) pela Universidade de São Paulo – USP. Estágios: Centro de Pesquisa de Águas Subterrâneas da Universidade de Waterloo (1995-1996) e Departamento de Ciências Aplicadas da Universidade de Quebec (2007). Coordenadora do tema “Aqüíferos Fraturados” do Mapa de Águas Subterrâneas do Estado de São Paulo. Linhas de atuação: análise estrutural, hidrogeologia de aqüíferos fraturados, mapeamento geológico. Instituto Geológico SMA-SP. (ameliajf@igeologico.sp.gov.br) Ana Catarina Fernandes Coriolano Geóloga (1997) e Doutora em Geodinâmica (2002) pelo Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN. Advogada com Especialização em Direito Público. Pesquisadora de Desenvolvimento Tecnológico Industrial – CNPq. Linhas de atuação: hidrogeologia; resíduos de petróleo e direito ambiental. (catarinaufrn@yahoo.com.br) Carla M. S. Vidal Silva Graduada em Física (1989), Mestre em Física (1992) e Doutora em Física (1996) pela Universidade Federal do Ceará – UFC. Professora Associado I – UFC. Linhas de atuação: isótopos ambientais aplicados à água subterrânea e superficial; hidroquímica; qualidade de águas. Departamento de Física / UFC. (carla@fisica.ufc.br) Carlos César Nascimento da Silva Geólogo pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN (1999) e Doutor em Geofísica pelo Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG) da UFRN (2004). Atualmente é geofísico na Petrobras. Linhas de atuação: processamento sísmico; métodos geofísicos elétricos e eletromagnéticos aplicados à hidrogeologia e ao meio ambiente; interpretação integrada de dados geológicos e geofísicos. Petrobras/UN- RNCE/EXP/PS. (c.nascimento@petrobras.com.br) Carlos Eduardo Sobreira Leite Geólogo (1984), Especialista em Hidrogeologia (1987) e Mestre em Geologia com concentração em Hidrogeologia (1998) pela Universidade Federal do Ceará – UFC. Curso de Aperfeiçoamento em Sensoriamento Remoto pela Universidade de São Paulo – USP (1996). Atuou na Sudec, Ematerce, Sohidra e SRH-CE. Atualmente é geólogo na Funceme e pesquisador convidado no Laboratório de Geofísica de Prospecção e Sensoreamento Remoto do Departamento de Geologia da UFC. Linhas de atuação: sensoriamento remoto, hidrogeologia e geofísica. (carloseduardo@funceme.br) xvi Início_Final_FFI.indd 16 9/12/2008 20:38:48 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Emanuel Ferraz Jardim de Sá Geólogo pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE (1973), Mestre em Geoquímica (UFBA, 1979) e Doutor em Geologia (UnB, 1994). Professor Titular do Departamento de Geologia e da Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica (UFRN). Martelo de Prata da SBG e Membro Associado da Academia Brasileira de Ciências. Linhas de atuação: geologia estrutural e tectônica; terrenos precambrianos e bacias sedimentares; aplicações à geologia do petróleo e hidrogeologia. UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. (emanuel@ccet.ufrn.br) Francisco Edson Mendonça Gomes Geólogo pela Universidade Federal do Ceará – UFC (1974). Geólogo da CPRM com 15 anos de experiência em cartografia geológica digital, geoestatística e tecnologias de sensoriamento remoto e geoprocessamento em sistemas de informação geográfica – SIG aplicadas à execução de projetos de integração e análise espacial de dados e informações geológicas, hidrogeológicas e ambientais. CPRM – Serviço Geológico do Brasil. (edson@fo.cprm.gov.br) Frederico Cláudio Peixinho Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia – UFBA (1972). Especialista em Hidrologia Aplicada e Qualidade Total. MBA em Gestão Estratégica da Informação e Avaliação Ambiental. Mestrando em Tecnologia da Informação. Linhas de Atuação: hidrologia; gestão estratégica; sistemas de informação. CPRM - Serviço Geológico do Brasil. (peixinho@rj.cprm.gov.br) Geraldo Girão Nery Engenheiro Agrônomo pela Universidade Federal do Ceará – UFC (1960). Geólogo pelo convênio Petrobras/Universidade Federal da Bahia – UFBA (1962). Mestre em Geologia pela Universidade Federal da Bahia – UFBA (1989). Linhas de Atuação: geofísica de poço, petrofísica e pesquisa de água subterrânea. Hydrolog Serviços de Perfilagens Ltda. (marketing@hydrolog.com.br) Hélio Paiva Macedo de França Geólogo pela Escola de Geologia de Pernambuco (1964). Mestre em Hidrogeologia (Diplôme d´Ètudes Superieures) pela Universidade de Strasbourg, França (1969). Hidrogeólogo Sênior da Tecnosolo S.A. Consultor de Empresas. Gerente de Águas Subterrâneas da Compesa – Companhia Pernambucana de Saneamento. Linhas de Atuação: estudos hidrogeológicos; modelagem analítica e numérica de aqüíferos; projetos de irrigação e de abastecimento urbano com água subterrânea; hidráulica subterrânea. (heliopaiva@compesa.com.br) xvii Início_Final_FFI.indd 17 9/12/2008 20:38:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Horst Frischkorn Físico Nuclear e Doutor em Físico-Química pela Philipps-Universität Marburg, Alemanha (1971). Especialista em Hidrogeologia pela Universidade Federal do Ceará - UFC. Professor Associado – UFC. Linhas de atuação: hidrologia isotópica e paleoclimatologia. Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental – UFC. (cariri@ufc.br) Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE (1978). Mestre em Recursos Hídricos pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ (1985). PhD em Métodos Computacionais pelo WIT, Inglaterra (1992). Pós-Doutorado pela Universidade do Mississipi (2004). Professor do Grupo de Recursos Hídricos da UFPE. Pesquisador Nível 1 do CNPq. Linhas de Pesquisa: modelagem computacional; aqüíferos costeiros, filtração nas margens, indicadores de sustentabilidade. CT – UFPE. (jcabral@ufpe.br) Josias Barbosa de Lima Engenheiro de Minas pela UFPE (1981). Licenciatura Plena em Química pela UFRPE (1979). Especialização em Hidrogeologia pela UFPE (1994). Professor de Física e Matemática (Ensino médio e pré-vestibular, 1979–1981). Experiência em perfuração de poços para água, sal de potássio e produção de petróleo na Bacia Potiguar – CPRM/Petrobras. Desenvolvedor do Sistema de Informações em Águas Subterrâneas – SIAGAS. Atualmente é Coordenador Executivo do Departamento de Hidrologia da CPRM – Serviço Geológico do Brasil. (josias_lima@re.cprm.gov.br) Marlúcia F. Santiago Graduada em Física pela Universidade Federal do Ceará - UFC (1969). Mestre em Engenharia e Tecnologia Nuclear (1972) e Doutora em Ciências (1984) pela Universidade de São Paulo – USP. Orientadora no Mestrado e Doutorado da Física e da Geologia da UFC. Professor Associado – UFC. Linhas de atuação: água subterrânea; água superficial; isótopos ambientais; hidroquímica; qualidade da água. Departamento de Física – UFC. (marlucia@fisica.ufc.br) Normando Telmo de Lima Lins Engenheiro de Minas pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE (1971) e Engen- heiro de Petróleo pela Petrobras. Linhas de Atuação: Estudos Hidrogeológicos e Projetos de poços para a produção da água e petróleo; Projetos de furos direcionais para passagens subterrâneas de adutoras, minerodutos, oleodutos e gasodutos e construções de minitúneis e túneis; Perfuração e workover em poços de água, sal, óleo e gás. (normando@imagelink.com.br) xviii Início_Final_FFI.indd 18 9/12/2008 20:38:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Ricardo Hirata Geólogo pela UNESP, Mestre e Doutor pela Universidade de São Paulo – USP, com Pós Doutoramento pela University of Waterloo, Canadá. Professor do Instituto de Geociências da USP. Assessor do Banco Mundial (GWMATE), Unesco e Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA). Trabalhou no CEPIS/OPAS-OMS, Departamento de Águas e Energia Elétrica (SP) e Instituto Geológico (SMA-SP). Linhas de atuação: gestão dos recursos hídricos, avaliação de contaminação de aqüíferos e hidrologia urbana. (rhirata@usp.br) Roberto Gusmão de Oliveira Geólogo pela Universidade Federal de Pernambuco – UFPE (1987). Mestre em Ciências pelo Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo – USP (1998). Doutor em Geofísica pelo PPGG da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN (2008). Geólogo da CPRM – Serviço Geológico do Brasil desde 1987. Linhas de atuação: gravimetria, magnetometria e geotectônica. (rgusmao@re.cprm.gov.br) Suely Schuartz Pacheco Mestrinho Química Industrial pela Universidade Federal de Sergipe – UFS (1973). Mestre em Geoquímica e Meio Ambiente pela UFBA (1978). Doutora em Hidrogelogia pela USP (1998). Professora aposentada do Instituto de Geociências da UFBA. Diretora-Presidente da QUALI_água Consultores Associados Ltda. Coordenadora do Projeto PRODETAB/Embrapa “Estudo para o Planejamento Integrado do Uso e Conservação dos Recursos Hídricos da Bacia do Itapicutu, Bahia”. Linhas de atuação: hidrogeoquímica; monitoramento de águas superficiais e subterrâneas; classificação e enquadramento de águas; planejamento integrado de recursos hídricos; geoquímica ambiental. (suelyspm@uol.com.br) Waldir Duarte Costa Geólogo pela Escola de Geologia de Pernambuco (1962). Mestre pela UFPE (1977) e Doutor pela USP (1986), em Hidrogeologia. Professor titular aposentado da UFPE. Diretor-Presidente da COSTA - Cons. e Serv. Técn. e Amb. Ltda. Consultor da SRH-PE. Presidente da Câmara Técnica de Águas Subterrâneas do CERH-PE. Linhas de Atuação: dimensionamento de aqüíferos; locação e construção de barragens subterrâneas; monitoramento de aqüíferos; plano diretor de bacias e estadual de recursos hídricos; estudos de impacto ambiental; legislação de água subterrânea. (wdcosta@ibest.com.br) Walter E. Medeiros Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN (1981). Mestre em Geofísica pela Universidade Federal da Bahia – UFBA (1987) e Doutor em Geofísica pela Universidade Federal do Pará – UFPA (1993). Professor Associado do Departamento de Física (CCET/UFRN). Linhas de atuação: prospecção geofísica e problemas geofísicos inversos. UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. (walter@dfte.ufrn.br) xix Início_Final_FFI.indd 19 9/12/2008 20:38:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações SUMÁRIO ApresentAção.................................................................................................................................. v prefácio........................................................................................................................................... vii introdução...................................................................................................................................... ix AgrAdecimentos.......................................................................................................................... xi orgAnizAção e coordenAção científicA............................................................................. xiii Autores........................................................................................................................................... xv sumário........................................................................................................................................... xxi módulo 1 - A águA subterrâneA 3 Capítulo 1.1 - Evolução Histórica do Conhecimento................................................... 5 1.1.1 Introdução......................................................................................................................... 5 1.1.2 A Hidrogeologia no Mundo............................................................................................... 6 1.1.3 A Hidrogeologia no Brasil.................................................................................................. 9 Referências.......................................................................................................... 10 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea.......................................................... 13 1.2.1 Introdução......................................................................................................................... 13 1.2.2 Gestão de Ofertas versus Demandas.............................................................................. 13 1.2.3 A Gestão Integrada das Águas....................................................................................... 14 1.2.4 Poço Bem Construído versus Buraco.............................................................................. 16 1.2.5 O Preço da Água Gratuita............................................................................................... 17 1.2.6 As Funções dos Aqüíferos na Gestão Integrada............................................................ 19 1.2.7 Recarga, Armazenamento e Descarga........................................................................... 20 1.2.8 Planejamento e Gestão..................................................................................................... 22 1.2.9 Potenciais de Águas Subterrâneas no Brasil...................................................................... 23 1.2.10 Considerações Finais........................................................................................................ 27 Referências................................................................................................................................. 27 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil................................................................. 31 1.3.1 Introdução........................................................................................................................ 31 1.3.2 Mapa Hidrogeológico do Brasil....................................................................................... 31 1.3.3 Províncias Hidrogeológicas do Brasil.............................................................................. 38 Referências...................................................................................................... 47 módulo 2 - águA subterrâneA em meios porosos Homogêneos 51 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas................................................... 53 2.1.1 Introdução........................................................................................................................ 53 2.1.2 Origem e Circulação - Ciclo Hidrológico......................................................................... 53 2.1.3 Equação do Balanço Hídrico.......................................................................................... 54 2.1.4 Distribuição Vertical da Água no Subsolo.......................................................................... 58 2.1.5 Geologia da Água Subterrânea....................................................................................... 62 2.1.6 Água Subterrânea em Zonas Costeiras........................................................................... 70 Exercícios Propostos..................................................................................................................... 73 Referências................................................................................................................................. 74 xxi Sumário_Final_CIF_R.indd 1 9/12/2008 20:42:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas.................................................... 77 2.2.1 Introdução........................................................................................................................ 77 2.2.2 Lei de Darcy....................................................................................................................... 77 2.2.3 Equação de Bernoulli e Potencial Hidráulico.................................................................... 83 2.2.4 Anisotropia e Heterogeneidade......................................................................................... 84 2.2.5 Equação da Continuidade (Conservação da Massa d’Água).......................................... 85 2.2.6 Equação Geral do Fluxo Subterrâneo............................................................................... 85 2.2.7 Redes de Fluxo.................................................................................................................. 88 Exercícios Propostos..................................................................................................................... 88 Referências................................................................................................................................. 91 Anexos......................................................................................................................................... 91 módulo 3 - águA subterrâneA em meios Heterogêneos 95 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalinos...................................................................................... 97 3.1.1 Introdução........................................................................................................................ 97 3.1.2 Conceitos Clássicos da Hidrogeologia do Cristalino e Problemas Inerentes ............... 97 3.1.3 Conceitos Básicos de Análise Estrutural - A Deformação Frágil.................................... 99 3.1.4 Cronologia e Nível Crustal da Deformação..................................................................... 104 3.1.5 O Contexto Tectônico Regional e suas Implicações: o exemplo da Borborema.............. 105 3.1.6 Neotectônica e a Evolução Crustal Holocênica ............................................................. 107 3.1.7 Implicações do Contexto Tectono-Estrutural para a Hidrogeologia de Terrenos Cristalinos........................................................................................................................ 108 3.1.8 Efeito da Exumação e do Intemperismo sobre a Permo-Porosidade das Rochas............ 113 3.1.9 Modelos de Ocorrência de Água Subterrânea em Terrenos Cristalinos ........................ 115 3.1.10 Observações Finais........................................................................................................... 117 3.1.11 Agradecimentos............................................................................................................... 117 Referências........................................................................................................ 117 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados.....................................................121 3.2.1 Introdução........................................................................................................................ 121 3.2.2 Análise da Fissura Elementar........................................................................................... 121 3.2.3 Características do Meio................................................................................................... 123 3.2.4 Fatores que Influem nas Características Hidrodinâmicas do Aqüífero “Fissural”............... 124 3.2.5 Origem e Mecânica da Deformação Ruptural................................................................. 130 3.2.6 Fluxo em Meio Fissurado................................................................................................. 137 3.2.7 Locação de Poços...................................................................................................................... 141 Referências.......................................................................................................... 150 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos.......................................................153 3.3.1 Introdução........................................................................................................................ 153 3.3.2 Caracterização do Aqüífero Cárstico............................................................................... 153 3.3.3 Estudo Hidrogeológico em Aqüífero Cárstico................................................................. 161 3.3.4 Explotação das Águas Subterrâneas em Carste............................................................ 166 3.3.5 Aspectos Ambientais em Zonas Cársticas.................................................................. 169 Referências........................................................................................................ 172 xxii Sumário_Final_CIF_R.indd 2 9/12/2008 20:42:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações módulo 4 - pesquisA de águA subterrâneA 177 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea.............179 4.1.1 Introdução........................................................................................................................ 179 4.1.2 Tipos de Estudos na Pesquisa de Água Subterrânea.................................................... 179 4.1.3 Levantamentos Preliminares............................................................................................. 181 4.1.4 Caracterização Geológica e Geométrica dos Aqüíferos................................................. 182 4.1.5 Caracterização Hidrogeológica Quantitativa.................................................................... 185 4.1.6 Caracterização Hidrogeológica Qualitativa...................................................................... 202 4.1.7 Produtos e Resultados...................................................................................................... 202 4.1.8 Aspectos sobre Gestão de Aqüíferos............................................................................... 204 Referências............................................................................................................ 206 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos......................................................................................209 4.2.1 Introdução....................................................................................................................... 209 4.2.2 Métodos de Campos Naturais.......................................................................................... 210 4.2.3 Métodos de Campos Artificiais......................................................................................... 216 4.2.4 Levantamentos Aerogeofísicos......................................................................................... 247 4.2.5 Quantificação em Geofísica............................................................................................... 250 Referências........................................................................................................... 252 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos.......................................................................................255 4.3.1 Introdução........................................................................................................................ 255 4.3.2 Fundamentos Teóricos e Definições................................................................................. 255 4.3.3 Isótopos Estáveis.............................................................................................................. 255 4.3.4 Oxigênio-18 e Deutério...................................................................................................... 256 4.3.5 Isótopos Instáveis.............................................................................................................. 259 4.3.6 Carbono-14 e Trítio............................................................................................................ 259 4.3.7 Modelos de Interpretação................................................................................................. 263 4.3.8 O Uso de Isótopos Ambientais na Hidrogeologia............................................................ 264 Exercícios Propostos..................................................................................................................... 269 Referências.......................................................................................................... 270 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto...............................................................................273 4.4.1 Introdução........................................................................................................................ 273 4.4.2 Evolução do Conhecimento.............................................................................................. 273 4.4.3 Conceitos e Fundamentos Básicos................................................................................... 274 4.4.4 Características das Imagens Orbitais............................................................................... 277 4.4.5 Pré-processamento de Imagens Orbitais......................................................................... 278 4.4.6 Realce de Imagens Digitais.............................................................................................. 280 4.4.7 Classificação de Imagens Digitais..................................................................................... 287 4.4.8 Interpretação de Padrões de Drenagem........................................................................... 288 4.4.9 Considerações Finais........................................................................................................ 290 4.4.10 Estudo de Caso................................................................................................................. 290 Referências.............................................................................................................. 292 Capítulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG Aplicado à Hidrogeologia................................................................................................ 293 4.5.1 Introdução........................................................................................................................ 293 4.5.2 O que é um SIG?................................................................................................................ 293 xxiii Sumário_Final_CIF_R.indd 3 9/12/2008 20:42:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 4.5.3 Componentes de um SIG................................................................................................ 294 4.5.4 Estrutura de um SIG........................................................................................................ 296 4.5.5 Como os Objetos do Mundo Real são Representados no SIG...................................... 297 4.5.6 Como Funciona um SIG.................................................................................................. 298 4.5.7 Características Básicas dos Dados Espaciais............................................................... 298 4.5.8 Tipos de Dados em um SIG............................................................................................ 299 4.5.9 Exemplos de Aplicação................................................................................................... 302 4.5.10 Considerações Finais........................................................................................................ 317 Referências.................................................................................................................. 318 módulo 5 - quAlidAde dAs águAs subterrâneAs 323 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica...........................................................................325 5.1.1 Introdução....................................................................................................................... 325 5.1.2 Análises de Água.............................................................................................................. 325 5.1.3 Caracterização da Qualidade das Águas....................................................................... 330 5.1.4 Princípios de Classificação das Águas........................................................................... 340 5.1.5 Padrões de Qualidade das Águas.................................................................................. 343 5.1.6 Padrões de Referência de Qualidade Ambiental......................................................... 347 Referências........................................................................................................ 357 Capítulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas.................................................359 5.2.1 Introdução....................................................................................................................... 359 5.2.2 Conceitos Fundamentais.................................................................................................. 359 5.2.3 Fundamentos da Hidrogeoquímica.................................................................................. 362 5.2.4 Mineralização das Águas Subterrâneas........................................................................... 372 5.2.5 Interpretação dos Dados de Qualidade da Água............................................................ 375 5.2.6 Hidrogeoquímica de Climas Tropicais................................................................................. 378 Exercícios Propostos..................................................................................................................... 379 Referências.......................................................................................................... 379 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas............................................381 5.3.1 Introdução........................................................................................................................ 381 5.3.2 Fundamentos Básicos....................................................................................................... 381 5.3.3 Comportamento Hidroquímico de Contaminantes........................................................... 389 5.3.4 Transporte de Massa......................................................................................................... 391 5.3.5 Estudo de Caso................................................................................................................. 401 Exercícios Propostos..................................................................................................................... 402 Referências............................................................................................................ 402 Capítulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos...........................................405 5.4.1 Introdução........................................................................................................................ 405 5.4.2 Evolução do Conceito de Vulnerabilidade...................................................................... 405 5.4.3 O Comportamento de Contaminantes e a Vulnerabilidade de Aqüíferos ..................... 407 5.4.4 Os Métodos de Cartografia da Vulnerabilidade.......................................................... 412 5.4.5 Limitações do Uso dos Mapas de Vulnerabilidade de Aqüíferos................................... 414 5.4.6 A Vulnerabilidade em um Programa de Gestão de Recursos Hídricos ......................... 418 5.4.7 O Futuro dos Métodos de Vulnerabilidade de Aqüíferos................................................ 422 Referências........................................................................................................ 423 xxiv Sumário_Final_CIF_R.indd 4 9/12/2008 20:42:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações módulo 6 - explotAção dAs águAs subterrâneAs 427 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços.............................................................429 6.1.1 Introdução........................................................................................................................ 429 6.1.2 Tipos de Poços.................................................................................................................. 429 6.1.3 Métodos de Perfuração..................................................................................................... 431 6.1.4 Projeto de Poços Tubulares............................................................................................... 436 6.1.5 Reabilitação e Manutenção de Poços Tubulares.............................................................. 448 6.1.6 Contribuições da Indústria do Petróleo à Engenharia de Perfuração............................. 450 Referências........................................................................................................... 457 Capítulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea...................... 459 6.2.1 Introdução........................................................................................................................ 459 6.2.2 Obtenção dos Perfis........................................................................................................ 460 6.2.3 Equipamentos Essenciais para a Obtenção de um Perfil................................................ 460 6.2.4 A Malha API para Registro das Curvas dos Perfis.......................................................... 460 6.2.5 O Meio Ambiente de uma Ferramenta de Perfilagem..................................................... 460 6.2.6 Propriedades Físicas das Rochas.................................................................................... 463 6.2.7 Propriedades Elétricas das Rochas.................................................................................. 464 6.2.8 Propriedades Acústicas das Rochas................................................................................ 467 6.2.9 Propriedades Radioativas das Rochas............................................................................. 468 6.2.10 Principais Tipos de Perfis Geofísicos................................................................................ 470 6.2.11 Raios Gama Convencional (RG ou GR)........................................................................... 471 6.2.12 Potencial Espontâneo (SP).................................................................................................. 473 6.2.13 Elétricos Convencionais (ES)............................................................................................ 478 6.2.14 Indução............................................................................................................................ 480 6.2.15 Micro Elétrico..................................................................................................................... 485 6.2.16 Perfil Sônico.......................................................................................................................... 486 6.2.17 Cáliper ou Calibre do Poço................................................................................................ 491 6.2.18 Desvio ou Inclinação do Poço........................................................................................... 493 6.2.19 Temperatura...................................................................................................................... 494 6.2.20 Interpretação Final dos Perfis Geofísicos de Poços......................................................... 495 6.2.21 Estudo de Caso de Interpretação Preliminar..................................................................... 499 6.2.22 Estudo de Caso de Interpretação de Detalhe............................................................... 502 6.2.23 Usos, Limitações e Vantagens dos Perfis Geofísicos de Poços....................................... 503 6.2.24 Considerações Finais........................................................................................................ 504 Referências....................................................................................................... 505 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares...............................507 6.3.1 Introdução......................................................................................................................... 507 6.3.2 Classificação de Testes de Bombeamento....................................................................... 507 6.3.3 Sistemas de Bombeamento.............................................................................................. 509 6.3.4 Medição de Nível d’Água.................................................................................................. 509 6.3.5 Medição de Vazões........................................................................................................... 511 6.3.6 Planejamento e Execução dos Testes............................................................................... 517 6.3.7 Controle de Interferências.................................................................................................. 518 6.3.8 Condições e Normas de Execução................................................................................... 520 6.3.9 Registro dos Dados........................................................................................................... 521 Referências............................................................................................................. 522 Anexos...................................................................................................................... 523 xxv Sumário_Final_CIF_R.indd 5 9/12/2008 20:42:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos.................527 6.4.1 Introdução........................................................................................................................ 527 6.4.2 Características e Parâmetros Físicos de Aqüíferos e Poços.......................................... 528 6.4.3 Fluxo Radial para Poços.................................................................................................. 531 6.4.4 Fluxo para Poços em Regime Estacionário.................................................................... 533 6.4.5 Fluxo para Poços em Regime Transiente........................................................................ 541 6.4.6 Análise de Fluxo para Poços de Grande Diâmetro......................................................... 555 6.4.7 Penetração Parcial em Poços.......................................................................................... 556 6.4.8 Fronteiras Hidráulicas - Teoria das Imagens................................................................... 557 Exercícios Propostos.................................................................................................................. 565 Referências....................................................................................................... 567 Anexos............................................................................................................. 569 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos...............575 6.5.1 Introdução........................................................................................................................ 575 6.5.2 Conceitos Básicos............................................................................................................. 575 6.5.3 Modelagem de Sistemas de Fraturas............................................................................. 581 6.5.4 Geometria Fractal Aplicada.............................................................................................. 588 Exercícios Propostos.................................................................................................................... 595 Referências........................................................................................................ 595 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços...............................................................599 6.6.1 Aspectos Gerais............................................................................................................... 599 6.6.2 Rebaixamento em um Poço Bombeado.......................................................................... 599 6.6.3 Conceito de Raio Crítico.................................................................................................. 601 6.6.4 Decomposição das Perdas de Carga em Poços............................................................ 602 6.6.5 Cálculo dos Rebaixamentos Parciais - Aqüífero Confinado............................................ 604 6.6.6 Eficiência Hidráulica de Poços........................................................................................ 605 6.6.7 Análise de Sensibilidade dos Fatores Influentes na Eficiência....................................... 606 6.6.8 Determinação da Equação Característica de Funcionamento do Poço através de Teste de Produção Escalonado................................................................................................. 608 6.6.9 Determinação da Perda de Carga Laminar na Zona de Transição do Pré-Filtro (B2 Q).. 610 6.6.10 Custo da Água Produzida................................................................................................ 612 6.6.11 Aplicação do Método de Análise..................................................................................... 612 Referências........................................................................................................... 616 Capítulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços.....................................................617 6.7.1 Introdução........................................................................................................................ 617 6.7.2 Conceitos Básicos……………………............................................................................. 617 6.7.3 Avaliação de Vazões de Explotação de Poços Tubulares em Meios Homogêneos............ 622 6.7.4 Avaliação de Baterias de Poços....................................................................................... 625 6.7.5 Avaliação de Vazões de Explotação de Poços Tubulares em Meios Heterogêneos............ 634 6.7.6 Poços de Grande Diâmetro - Método de Porchet........................................................... 637 Referências........................................................................................................... 639 Anexos................................................................................................................. 641 Capítulo 6.8 - Sistemas de Bombeamento......................................................................645 6.8.1 Introdução........................................................................................................................ 645 6.8.2 Conceitos Básicos……………………............................................................................. 645 6.8.3 Tipos de Bombas............................................................................................................. 650 6.8.4 Dispositivos de Acionamento e Proteção........................................................................ 654 xxvi Sumário_Final_CIF_R.indd 6 9/12/2008 20:42:35 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.8.5 Seleção da Bomba........................................................................................................... 655 6.8.6 Manutenção....................................................................................................................... 655 Exercícios Propostos..................................................................................................................... 656 Referências................................................................................................................ 656 módulo 7 - plAnejAmento e gerenciAmento dAs águAs subterrâneAs 659 Capítulo 7.1 - Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos..............................661 7.1.1 Introdução........................................................................................................................ 661 7.1.2 Evolução do Conhecimento................................……..…................................................ 661 7.1.3 Reservas versus Recursos de Água Subterrânea........................................................... 661 7.1.4 Reservas de Água Subterrânea......................................................................................... 662 7.1.5 Recursos de Água Subterrânea......................................................................................... 662 Referências............................................................................................................ 669 Capítulo 7.2 - Monitoramento em Água Subterrânea...................................................673 7.2.1 Introdução........................................................................................................................ 673 7.2.2 Conceitos e Objetivos do Monitoramento ..…...……….................................................... 673 7.2.3 Implantação de Redes de Monitoramento........................................................................ 674 7.2.4 Monitoramento do Estado Quantitativo............................................................................. 677 7.2.5 Monitoramento do Estado Qualitativo............................................................................... 677 7.2.6 Controle de Qualidade e Interpretação dos Dados........................................................... 681 7.2.7 Armazenamento dos Dados - Sistemas de Informações.................................................. 682 7.2.8 Considerações Finais........................................................................................................ 683 Referências............................................................................................................... 684 Capítulo 7.3 - Aplicações de Modelos em Hidrogeologia.........................................687 7.3.1 Introdução........................................................................................................................ 687 7.3.2 Tipos de Modelo………………...………........................................................................... 687 7.3.3 Modelo Conceitual............................................................................................................ 689 7.3.4 Obtenção de Dados.......................................................................................................... 691 7.3.5 Condições de Contorno.................................................................................................... 693 7.3.6 Método das Diferenças Finitas......................................................................................... 694 7.3.7 Noções de Modelos de Transporte de Poluentes............................................................ 699 7.3.8 Método de Elementos Finitos........................................................................................... 700 7.3.9 Estudo de Caso - Aqüífero Cabeças no Vale do Gurguéia-PI............................................... 702 7.3.10 Considerações Finais........................................................................................................ 704 Referências................................................................................................................... 705 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica........................................................................709 7.4.1 Introdução........................................................................................................................ 709 7.4.2 Conceituação de Mapa Hidrogeológico........................................................................ 709 7.4.3 Escalas e Elementos dos Mapas Hidrogeológicos......................................................... 710 7.4.4 Tipos de Mapas................................................................................................................. 712 7.4.5 Legenda para Mapas Hidrogeológicos............................................................................ 715 7.4.6 Exemplos de Mapas Hidrogeológicos.............................................................................. 721 Referências......................................................................................................................... 723 xxvii Sumário_Final_CIF_R.indd 7 9/12/2008 20:42:35 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 7.5 - Uso e Gestão de Água Subterrânea........................................................725 7.5.1 Introdução........................................................................................................................ 725 7.5.2 Os Diversos Tipos de Uso................................................................................................. 726 7.5.3 Potencialidade Hídrica Mundial e o Uso da Água Subterrânea........................................ 727 7.5.4 Reutilização da Água......................................................................................................... 730 7.5.5 Recarga Artificial................................................................................................................ 731 7.5.6 Planejamento e Gestão de Recursos Hídricos Subterrâneos............................................ 732 Referências......................................................................................................................... 741 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Água Subterrânea.................................743 7.6.1 Introdução........................................................................................................................ 743 7.6.2 Conceitos Básicos sobre Sistemas de Informações........................................................ 743 7.6.3 Conceitos em Bancos de Dados....................................................................................... 743 7.6.4 Sistemas de Informações sobre Recursos Hídricos......................................................... 744 7.6.5 Sistema de Informações de Águas Subterrâneas - Siagas.............................................. 747 7.6.6 O Siagas e a Gestão das Águas Subterrâneas................................................................. 758 7.6.7 Extração de Conhecimento em Bases de Dados - Processo KDD.................................. 758 Referências........................................................................................................... 760 Apêndices 763 Apêndice A - Noções de Cálculo Aplicado...................................................................763 A.1.1 Funções de Duas ou Mais Variáveis.................................................................................. 763 A.1.2 Limites e Continuidade (Vizinhança em um espaço de duas ou mais dimensões)....... 764 A.1.3 Derivadas Parciais............................................................................................................. 766 A.1.4 Diferenciabilidade e Diferenciais....................................................................................... 767 A.1.5 Plano Tangente e Normal a uma Superfície..................................................................... 769 A.1.6 Derivada Dirigida e Gradiente........................................................................................... 771 A.1.7 Integrais Duplas (Área sob uma curva e a integral definida)........................................... 774 A.1.8 Integrais Triplas.................................................................................................................. 777 A.1.9 Elementos de Análise Vetorial............................................................................................ 779 A.1.10 Integrais de Linhas............................................................................................................. 780 A.1.11 Áreas de Superfície e Integrais de Superfície................................................................... 784 A.1.12 Divergência e Rotacional (CURL) de um Campo Vetorial no R3..................................... 787 A.1.13 Equações Diferenciais Elementares e Problemas de Valor de Contorno ...................... 789 Referências....................................................................................................... 792 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada......................................................793 A.2.1 Introdução........................................................................................................................ 793 A.2.2 Descrição Univariada........................................................................................................ 793 A.2.3 Descrição Bivariada.......................................................................................................... 798 A.2.4 Descrição Espacial........................................................................................................... 801 Referências........................................................................................................... 812 xxviii Sumário_Final_CIF_R.indd 8 9/12/2008 20:42:35 entrada 1.indd 1 9/12/2008 19:35:14 entrada 1.indd 2 9/12/2008 19:35:16 entrada 1.indd 3 9/12/2008 19:35:17 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 1.1 EVOLUÇÃO HISTÓRICA DO CONHECIMENTO João Manoel Filho 1.1.1 Introdução chuva não era suficiente para explicar a água que flui nos grandes rios. Três passos importantes, todavia, contribuíram de maneira notável para o esclarecimento Túneis e poços construídos para captação dessa questão.de água na Pérsia e no Egito, por volta de O passo pioneiro foi dado pelo francês Pierre Perrault 800 a.C., comprovam que as águas (1608-1680), que mediu pela primeira vez a precipitação subterrâneas são aproveitadas pelo homem desde pluviométrica sobre uma bacia hidrográfica e o volume a idade antiga (Tolman, 1937). Portanto, muito de água de escoamento superficial correspondente. antes da compreensão da sua origem, ocorrência e O experimento foi efetuado na bacia do rio Sena, a movimento. montante de Aignay-le-Duc, numa área de drenagem Homero, Tales e Platão, antigos filósofos gregos, de 122 km2, sobre a qual obteve, para um período de admitiam a hipótese de que as nascentes eram 3 anos (1668 a 1670), uma precipitação média anual formadas por água do mar conduzida através de de 520 mm. Enquanto essa lâmina média precipitada canais subterrâneos para baixo das montanhas, de correspondia a um volume da ordem de 63 milhões onde ascendiam até à superfície depois de purificadas. de m3/ano, a descarga média do rio, registrada no Anaxágoras (500-428 a.C.) reconheceu a importância mesmo período, foi de apenas 10 milhões de m3/ano da chuva como fonte de água para os rios e, mesmo, (aproximadamente 16% da chuva) em Aignay-le-Duc. para o armazenamento da água subterrânea, embora Ficou assim demonstrado que as chuvas poderiam não tenha entendido corretamente a natureza desse facilmente garantir o fluxo de água dos rios, de água armazenamento (Walton, 1970). Aristóteles (384-322 a.C.) para as plantas e, ainda, de água para infiltração até reconheceu o caráter cíclico do caminho da água entre profundidades além do alcance das raízes. a terra e o ar, a evaporação e a condensação e a sua Um segundo passo importante foi dado, na mesma importância na formação da chuva e, ainda, o fato de que época, pelo físico francês Edmé Mariotté (1620-1684), parte da chuva contribui para a formação dos rios e parte que fez medidas no rio Sena, em Paris, e confirmou penetra na terra e reaparece nas nascentes ou fontes. o trabalho de Perrault. Dados concretos obtidos Não obstante, a importância da evaporação, da por Mariotté para o rio Sena, também em Paris, e precipitação e da infiltração para a origem das águas publicados em 1686, após a sua morte, comprovaram subterrâneas somente foi claramente explicada no a teoria da infiltração. início da era cristã, pelo arquiteto romano Vitruvius, que Embora pioneiro da hidrologia, Pierre Perrault foi sugeriu ser a infiltração da água de chuva o fenômeno um advogado que ocupou posições administrativas responsável pela acumulação da água no subsolo. O e financeiras no governo francês e, por isso, não é francês Bernard Palissy (1510–1590) também chegou a conhecido nos círculos científicos. Ao que parece, o explicar a origem dos rios e fontes como sendo resultado interesse de Perrault pelas águas subterrâneas, que do que hoje se conhece como ciclo hidrológico: “a culminou com a publicação do livro De l’Origine des água da chuva que cai no inverno desaparece no verão Fontaines, em 1674, foi estimulado pelo físico holandês para voltar novamente no inverno... E quando os ventos Christian Huygens, que então morava em Paris e a quem empurram esses vapores, as águas precipitam em todas o livro foi dedicado (Todd, 1959). O fato de Perrault não as partes do terreno e quando Deus quer que essas ser conhecido nos meios científicos também parece nuvens (que nada mais são do que massas de água) ter sido a razão pela qual Meinzer (1934) admite que se dissolvam, o vapor se transforma em chuva que cai Mariotté, mais do que qualquer outro, provavelmente no terreno.” O trabalho de Palissy foi obscurecido pelas merece a distinção de ser encarado como o fundador idéias dos filósofos gregos e romanos por ter sido escrito da hidrologia de águas subterrâneas, ou talvez de toda em francês, numa época em que o latim era a língua a ciência hidrológica. Há, porém, quem considere que científica então aceita. (Fetter Jr., 2001). Daí porque, foi com o trabalho de Perrault que surgiu a hidrologia até fins do século XVII, se acreditava que somente a (UOP - JOHNSON DIVISION, 1972). 5 Cap_1.1_FFI.indd 1 9/12/2008 19:38:18 Capítulo 1.1 - Evolução Histórica do Conhecimento O terceiro passo foi dado com a contribuição do Sucedendo ao trabalho de Darcy, inúmeras astrônomo inglês Edmond Halley (1656-1742), que contr ibuições, com ênfase na hidrául ica do demonstrou em 1693, a partir de medições sistemáticas, aproveitamento das águas subterrâneas, foram feitas que a evaporação da água do mar era suficiente para por muitos cientistas na segunda metade do século responder por todas as nascentes e fluxos de cursos XIX, algumas das quais são aqui destacadas. Por de água observados nos continentes. exemplo, ainda na França, Dupuit (1863) foi o primeiro a Durante o século XVIII foram estabelecidos os desenvolver uma fórmula para o fluxo radial estacionário fundamentos geológicos para a compreensão da de água subterrânea para um poço em bombeamento. ocorrência e do movimento das águas subterrâneas. Na Alemanha, A. Thiem (1870) também desenvolveu Vallesière destacou, em 1715, a importância de uma fórmulas para o fluxo estacionário de água subterrânea camada impermeável como estrato confinante de para poços e galerias. O austríaco Forchheimer (1886) um sistema de água subterrânea sob pressão. La usando a teoria de funções de variáveis complexas (ver Métherie, em 1791, ensina que uma parte da chuva por exemplo, Rothe et al., 1951; Milne-Thomson, 1960) e da neve escoa diretamente, uma segunda parte introduziu métodos para a solução de problemas de umedece os solos e a partir daí evapora ou alimenta as fluxo em uma região R do espaço (isto é, problemas plantas, e uma terceira parte penetra nos reservatórios de valor inicial e de contorno). Dentre esses métodos, subterrâneos, a maiores profundidades, de onde reaparece gradualmente na superfície como fontes incluem-se a transformação conforme (ver qualquer ou nascentes. livro de cálculo avançado) a construção de redes de fluxo e o método das imagens. Ele também foi 1.1.2 A Hidrogeologia no Mundo pioneiro na solução do problema de fluxo subterrâneo numa formação produtora de água limitada por um A palavra hidrogeologia (Mather, 2001) foi criada rio perene e do problema de um poço bombeando pelo francês Jean-Baptiste de Lamarck, que há 200 uma formação produtora de água submetida a anos escreveu um volume de 268 páginas intitulado uma recarga uniforme. Na Holanda, Ghyben (1889) Hydrogéologie (Lamarck, 1802). Esse termo, porém, foi estabeleceu as leis do equilíbrio entre a água do mar usado por Lamarck para descrever o papel da água e a água doce subterrânea. Nos Estados Unidos, King na morfologia da superfície terrestre. O conceito de (1892) apresenta informações detalhadas sobre a hidrogeologia como ramo da geologia que estuda a relação entre carga e movimento da água subterrânea. água subterrânea, foi introduzido pelo inglês Joseph Slichter (1898) estabelece a relação entre o tamanho Lucas (1877). Esse termo, durante longo tempo, efetivo dos grãos da rocha e a permeabilidade permaneceu ignorado por muitos estudiosos da água intrínseca da mesma. subterrânea com formação em engenharia, que sempre No século XX, o desenvolvimento da hidrologia preferiram tratá-lo como um ramo da hidrologia. A das águas subterrâneas cresceu bastante com a exemplo de Meinzer (1934, op.cit.), que se refere ao participação de muitos europeus e americanos. Na assunto como hidrologia de águas subterrâneas, primeira metade deste século, entre muitos outros, autores mais recentes como Custodio & Llamas (1976, destacam-se os trabalhos de Thiem (1906), que 1983) com o clássico Hidrologia Subterrânea, em desenvolveu um método de campo para determinar a língua espanhola, dão um testemunho vivo dessa condutividade hidráulica de uma formação produtora preferência. Isso não significa que esses autores de água e a taxa de fluxo, usando um poço de façam restrição ao termo hidrogeologia, hoje aceito bombeamento e o rebaixamento resultante em poços e universalmente usado. de observação, e de Meinzer (1923), que avaliou Durante a primeira metade do século XIX, especial os estudos anteriores no âmbito dos princípios interesse pelas águas subterrâneas ocorreu na França, e metodologias de pesquisa, com ênfase nas graças a resultados muito favoráveis obtidos com a ocorrências e na distribuição da água subterrânea nos perfuração de poços tubulares para o abastecimento Estados Unidos, elaborando o primeiro manual para d’água de comunidades. O engenheiro Henry Darcy (1803-1858), depois de realizar inúmeros experimentos especialistas do setor. sobre o movimento da água através de colunas de Grande expansão teve o desenvolvimento de areia, estabeleceu uma fórmula, conhecida como Lei soluções de problemas bi e tridimensionais de fluxo de Darcy, que permite expressar a descarga de água, estacionário para canais e drenos, com os trabalhos através da areia, por unidade de superfície, em função de Pavlovsky (1922), Kozeny (1933), Lindquist (1933), da condutividade hidráulica do material arenoso e do Hamel (1934) e Muskat (1935), entre outros. Theis gradiente hidráulico (Darcy, 1856). Essa lei, discutida (1935) formulou a primeira solução transiente de fluxo em detalhe no capítulo 2.2, constitui a base de muitos para drenos horizontais. Estudos de fluxo de água métodos de avaliação quantitativa de recursos subterrânea de solos para drenos foram desenvolvidos hídricos subterrâneos. por Kirkham (1945), Childs (1945) e Engelund (1951). 6 Cap_1.1_FFI.indd 2 9/12/2008 19:38:18 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações No que se refere a fluxo estacionário para poços, Livros textos clássicos, tratando da teoria do fluxo em De Glee (1930) solucionou o problema do fluxo meios porosos, foram escritos por Muskat (1937), para um poço numa formação produtora de água, Polubarinova-Kochina (1962) e Bear (1972). realimentada por uma outra formação produtora O conhecimento hidrodinâmico dos sistemas de superior. A distribuição do potencial hidráulico em torno fluxo teve um significativo avanço durante a década de de um poço parcialmente penetrante foi estudada por 60. Nesse período, as relações entre águas superficiais Forchheimer (1930), Kozeny (1932) e Muskat (1932). e águas subterrâneas foram encaradas do ponto de Métodos para determinar perdas de entrada de fluxo vista da análise de sistemas, estabelecendo-se as para poços foram descritos por Kano (1939), Jacob bases para a gestão da água subterrânea, usando (1947) e Rorabaugh (1953). A solução analítica da principalmente modelos analógicos (malhas de equação do fluxo transiente para um poço, numa resistências e capacitores). Esse tipo de modelo, formação produtora de água, obtida por Theis (1935), porém, somente proliferou até o início dos anos constitui uma das mais importantes contribuições 70, quando praticamente desapareceu, substituído ocorridas no século XX para o desenvolvimento da pelos modelos digitais, cuja expansão vertiginosa e hidráulica de poços e das estimativas dos recursos sofisticação, verificada nos últimos 25 anos, ainda não de água subterrânea de uma formação confinada (não cessou de crescer. drenante), numa região. A part i r de 1980, ao lado dos problemas Modelos reduzidos de fluxo para poços usando de aproveitamento de água subterrânea para tanques de areia foram aplicados por Wyckoff et al. o desenvolvimento, inúmeros casos graves de (1932), Babbit & Caldwell (1948), Hansen (1952), Childs contaminação de aqüíferos em várias partes do et al. (1953) e Day & Luthin (1954). Modelos de placas mundo exigiram grandes investimentos na pesquisa e paralelas foram usados por Dietz (1944), Moore (1949) na elaboração de normas e instrumentos legais para e Zanger (1953). Modelos analógicos elétricos foram controle dessa contaminação. Surgiram, então, no desenvolvidos para o estudo de problemas complexos início dos anos 1990, os conceitos de hidrogeologia de fluxo por Wyckoff et al. (1933), Muskat (1935), Babbit física e hidrogeologia química (Domenico & & Caldwell (1948) e Zanger (1953). Schwartz, 1990, 1998). Hubbert (1940) deduziu a equação experimental No campo da hidrogeologia física, avanços de Darcy a partir das equações de Navier-Stokes, importantes aconteceram com o desenvolvimento de introduzindo na sua formulação o conceito de potencial códigos computacionais modulares tridimensionais, de força e destacando, ainda, os princípios físicos para a solução dos problemas de fluxo. A previsão das relações hidrodinâmicas entre água doce e água do comportamento dos aqüíferos, até então avaliada salgada. Na mesma época, o conceito de coeficiente analiticamente em duas dimensões, passou a de armazenamento, nos termos em que é aplicado ser tratada através de simulações numéricas a uma formação elástica produtora de água, ficou tridimensionais usando diferenças finitas. O exemplo definitivamente esclarecido (Jacob, 1940) e foi mais notável é o código MODFLOW (McDonald & investigada a subsidência de terras produzida por Harbaugh, 1988) do Serviço Geológico dos Estados explotações de água subterrânea (Tolman & Poland, Unidos (USGS). Desde então, o aparecimento de novos 1940). Equacionamentos matemáticos de problemas códigos, modelos ou programas, também chamados de fluxo regional de água subterrânea foram feitos pacotes, desenvolvidos por inúmeros autores, não por Hubbert (1940), Jacob (1945), Werner & Noren cessou de crescer. Tais programas podem funcionar (1951) e Ferris (1951). Jacob (1946) formulou soluções isoladamente ou integrados com o MODFLOW transientes para um poço em um aqüífero semi- através de arquivos de dados e funcionando como confinado e para um poço de rebaixamento constante. um módulo. Esses módulos podem simular efeitos O uso de métodos numéricos na solução de problemas de poços, rios, drenos, limites dependentes de carga, de fluxo em aqüíferos é discutido por Shaw & Southwell evapotranspiração, recarga etc. (1941), Yang (1949), Boulton (1951), Kashef et al. (1952) A hidrogeologia química se desenvolveu quase em e Stallman (1955). paralelo com a hidrogeologia física, haja vista que em Boulton (1963) desenvolveu um modelo para 1854, portanto, dois anos antes do experimento de analisar testes em aqüíferos livres, que foi aperfeiçoado Henry Darcy, na França, sobre o movimento da água por Prickett (1965). Hantush (1964) apresentou soluções nos meios porosos, o médico John Snow - que cinco para problemas de fluxo em domínios aqüíferos anos antes havia escrito um trabalho sobre a cólera confinados e semiconfinados, incluindo poços (Snow, 1849 ) - controlou uma irrupção da doença surgentes, poços parcialmente penetrantes, infiltração em Londres ao retirar a bomba manual de um poço lateral induzida de rios por poços de bombeamento público que identificou como a fonte de transmissão e poços coletores com drenos horizontais. Walton et da epidemia. Várias publicações do início do século al. (1967) estudaram, através de modelos analógicos 20 tratam de problemas de contaminação de água elétricos, problemas de recarga lateral induzida de rios subterrânea por esgotos (McCallie,1905; Matson, 1910) para poços de bombeamento localizados nas margens. e de contaminação por resíduos de poços de petróleo 7 Cap_1.1_FFI.indd 3 9/12/2008 19:38:18 Capítulo 1.1 - Evolução Histórica do Conhecimento (Bowman, 1905). Nos anos 1920 e 1930, diversos Estudos de 1984 – 1985, na Inglaterra, revelaram trabalhos experimentais foram realizados em campo ampla contaminação de águas subterrâneas por sobre o deslocamento de contaminantes em aqüíferos solventes, com teores acima de 1 mg/L em muitas (por exemplo, Stiles & Crohurst, 1923; Calvert, 1932). áreas. O mesmo foi observado na Califórnia, em Durante cerca de 50 anos, aproximadamente de 1980, quando um programa de monitoramento de 1930 a 1980, os resíduos industriais dos solventes qualidade da água para fins de abastecimento público clorados utilizados na indústria inglesa e americana descobriu contaminações por tricloroetileno (TCE) e foram lançados sem controle na superfície no solo. tetracloroetileno (PCE) que levaram à interdição de 20 Traduzidos para o português como LFDNA (líquidos de poços num raio de 10 km. Não é, portanto, sem razão fase densa não aquosa), do inglês DNAPL (dense non- que nos últimos 20 anos as atenções se voltaram para aqueous phase liquids), esses compostos produziram a contaminação das águas subterrâneas por resíduos considerável contaminação da água subterrânea sem industriais perigosos, chorumes de depósitos de que, aparentemente, os hidrogeólogos se dessem conta lixo urbano, derramamentos de petróleo, atividades disso. De fato, somente em anos mais recentes é que agrícolas (usuárias de fertilizantes, pesticidas, a magnitude dessa contaminação tornou-se evidente. herbicidas) e, ainda, resíduos radioativos depositados Na Inglaterra, o uso de tricloroeteno ou tricloroetineno em formações geológicas profundas. (TCE) começou de forma modesta, em 1910, e ampliou- De 1994 a 2001, o desenvolvimento de ferramentas se a partir de 1930. Nos Estados Unidos, o tetracloreto computacionais para o tratamento de problemas de carbono (CTC) substituiu a gasolina na indústria de ligados à hidrogeologia química, foi bastante intenso. limpeza nos anos 1930, tornando-se o solvente mais Em 1995, a Usepa – Agência de Proteção Ambiental usado até os anos 1960, quando o tricloroetano (TCA) dos Estados Únicos – apresentou o primeiro protótipo substituiu o TCE. Com a expansão industrial decorrente do código RT3D (Reactive Transport in 3-Dimensions), da segunda guerra mundial, a produção de solventes que em 1998 (Clement, 1998) foi transferido para cloratos foi ampliada. Em 1950, foram introduzidos a indústria como software de domínio público e na Inglaterra os solventes tetracloroeteno (PCE) e integrado com outras interfaces gráficas de programas tetracloreto de carbono (CTC) cuja toxicidade logo levou comerciais modulares. à sua retirada do mercado. Nessa época, a proteção Todavia, nos últimos 15 anos (1993 - 2008) foram ambiental não era uma prioridade e até resíduos identificados vários tipos de processos microbiológicos industriais contendo metais pesados chegaram a com potencial para uso na remediação de compostos ser lançados, na área de Long Island, Nova York, em de petróleo (por exemplo, benzeno, tolueno, xyleno) lagoas de infiltração conectadas com aqüífero pouco e de solventes clorados (PCE, TCE, TCA). Até agora, profundo e permeável, produzindo contaminação da porém, não foi possível tirar proveito de tais processos água subterrânea por cádmio e cromo dissolvidos para obter um sistema viável de remediação. Como (Feter Jr., op.cit.). Outras contaminações por cromo se vê, a modelagem da composição química da descritas por Davids & Lieber, 1951 e por Lieber & água subterrânea, do movimento e dispersão de Welsch, 1954, comprovaram que a água subterrânea fluidos miscíveis e de contaminantes na zona não contaminada pode se deslocar por centenas de metros saturada e nos aqüíferos (zona saturada), apesar em um aqüífero. do espetacular desenvolvimento que apresentou na Até os anos 1960, a questão (hoje do domínio da última década, ainda precisa superar dificuldades, hidrogeologia química) de saber se a água subterrânea associadas à definição dos problemas, coleta de dados era ou não significativamente afetada por resíduos e conhecimentos básicos. orgânicos, era estudada observando apenas os Não resta dúvida que o notável desenvolvimento da esgotos e materiais similares. Considerados como engenharia de software e da microeletrônica em muito os poluentes mais fáceis de serem eliminados pelos facilitaram as soluções dos problemas físicos e químicos processos naturais (separação, filtração, diluição, de águas subterrâneas, através dos computadores. oxidação e reações químicas), os orgânicos receberam Isso, porém, não significa que, dado um certo problema, pouca atenção até essa época. Os químicos analistas se possa ir diretamente ao microcomputador, usando se concentravam nos alc-benzeno sulfonados (ABS), um programa comercial supostamente concebido para detergentes e pesticidas orgânicos como o DDT e o resolver a questão, e esperar uma solução consistente aldrin. Devido à sua falta de gosto ou odor e à sua apertando simplesmente alguns botões. O usuário maior densidade em relação à água, os DNAPLs precisa ter experiência no uso do microcomputador, permaneceram descartados como contaminantes da conhecer profundamente o programa que vai usar água subterrânea. Os seus resíduos eram simplesmente e, sobretudo, entender o problema que deseja lançados na superfície do solo, na crença de que a alta solucionar, o qual deve ser apresentado como um volatilidade dos vários solventes os transferia para a modelo conceitual. Além disso, depois de solucionado, atmosfera, quando na verdade o que acontecia é que esse modelo precisa ser validado, ou seja, ter as a difusão gasosa e a infiltração induziam a migração suas previsões comprovadas por registros das dos DNAPLs para a sub-superfície. “respostas” do aqüífero. 8 Cap_1.1_FFI.indd 4 9/12/2008 19:38:18 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 1.1.3 A Hidrogeologia no Brasil primeira metade do século, esperar maior progresso técnico do que o alcançado no monitoramento e na No Brasil, durante a primeira metade deste século, análise de dados hidrológicos e hidrogeológicos, as ações desenvolvidas, em termos de hidrologia na medida em que essa tarefa ainda hoje continua de águas subterrâneas, concentraram-se na região sendo difícil. Nordeste e ficaram praticamente restritas à perfuração Com a criação da Sudene - Superintendência do de poços. Essa atividade esteve geralmente atrelada Desenvolvimento do Nordeste, começou, a partir de a programas esporádicos (ditos emergenciais) de 1960, um ciclo de missões de cooperação técnica combate às secas e, sempre, sem muita preocupação internacional, para estudo dos recursos naturais da com a execução de estudos básicos para avaliação de região e formação de recursos humanos, dando recursos disponíveis e planejamento de uma política início ao desenvolvimento da hidrogeologia brasileira. permanente de administração e uso da água, capaz Os trabalhos de perfuração de poços passaram a de garantir uma convivência produtiva do nordestino ser conduzidos por pessoal especializado e deram com a sua terra sem o estigma da seca. Em paralelo lugar a muitos estudos de caráter exploratório e de com a perfuração de poços, e de maneira igualmente semidetalhe. A execução de testes de produção descontínua, desordenada e desvinculada de uma de poços passou a ser conduzida obedecendo a política global de águas para a região, muitos açudes de uma metodologia universal. No período de 25 anos, pequeno, médio e grande portes foram construídos. decorrido entre 1960 e 1985, inúmeros programas O esforço foi enorme e conduzido inicialmente pela de perfuração intensiva de poços resultaram na IFOCS - Inspetoria Federal de Obras Contra as Secas, construção de milhares de unidades. Esse trabalho posteriormente transformada no DNOCS - Departamento foi realizado principalmente pela Sudene, através da Nacional de Obras Contra as Secas. Enquanto puderam Conesp - Companhia Nordestina de Sondagens e contar com os necessários recursos de parte do Perfurações, e pelos governos estaduais, através das governo federal, esses órgãos conseguiram implantar suas respectivas companhias de perfuração de poços, uma infra-estrutura de observações pluviométricas e notadamente CERB - Companhia de Engenharia Rural hidrométricas que muito contribuiu para o planejamento da Bahia, na Bahia; Cisagro - Companhia Integrada e a execução das grandes obras realizadas. Poucas, de Serviços Agropecuários, em Pernambuco; SOEC - todavia, foram as publicações técnico-científicas Secretaria de Obras do Estado do Ceará, hoje Sohidra resultantes de toda essa atividade. Uma grande - Superitendência de Obras Hidráulicas, no Ceará; massa de informação parece ter permanecido sem Casol - Companhia de Águas e Solos, depois CDM - análise ou sob a forma de relatórios técnicos inéditos, Companhia de Desenvolvimento Mineral, no Rio Grande muitos dos quais se perderam no tempo, por conta do Norte e CDRM - Companhia de Desenvolvimento de sucessivas mudanças de sede, e os arquivos do de Recursos Minerais, na Paraíba. IFOCS-DNOCS, por falta de centralização, acabaram Nos últimos dez anos, por conta das dificuldades ficando disseminados entre Rio de Janeiro, Recife econômicas que afetaram o país, o ritmo dos programas e Fortaleza sem que se saiba até que ponto foram de perfuração de poços na região semi-árida nordestina perdidas informações (Dubreuil, 1964). sofreu uma certa desaceleração. Em nenhum momento, De acordo com o que restou dos referidos porém, chegou a sofrer uma completa solução de arquivos, tudo indica que até 1950, o trabalho continuidade e muitos poços foram e ainda continuam mais significativo, no domínio da hidrologia de sendo perfurados no cristalino. superfície, é o de Aguiar (1939), que desenvolveu Como trabalhos de base destacam-se, na hidrologia uma fórmula empírica para avaliação de deflúvios superficial, o de Pioger (1964), e na hidrologia em bacias hidrográficas desprovidas de dados subterrânea o Inventário Hidrogeológico Básico do fluviométricos, a partir da precipitação média, e Nordeste, na escala 1:500.000, previsto para cobrir que foi utilizado durante décadas por engenheiros toda a área de jurisdição da Sudene (1.600.000 km2). e técnicos nordestinos. No tocante à hidrologia Este trabalho, pioneiro no país e na América Latina, subterrânea, os trabalhos existentes são expeditos descreve de maneira sistemática os aqüíferos da região, e realizados por engenheiros e geólogos não avaliando as suas potencialidades e disponibilidades especializados, quase sempre a partir de viagens hídricas em termos de quantidade e qualidade para de reconhecimento regional. Mesmo assim, são diversos usos. de valor inestimável como fonte de informação, A partir dos anos 70, ações semelhantes foram principalmente qualitativa, merecendo destaque os desenvolvidas no Sul e Sudeste do país, nos estados trabalhos de Warming (1913) e Small (1914), para de Minas Gerais pelo Cetec - Fundação Centro a IFOCS, na região Nordeste, e de Kegel (1955) Tecnológico de Minas Gerais, em São Paulo pelo sobre as águas subterrâneas do Piauí, para o DNPM DAEE - Departamento de Águas e Energia Elétrica e - Departamento Nacional de Produção Mineral. IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas, e no Paraná Dadas as circunstâncias, não seria razoável, na pela SURHEMA. Nos anos 80, a exemplo do que já 9 Cap_1.1_FFI.indd 5 9/12/2008 19:38:18 Capítulo 1.1 - Evolução Histórica do Conhecimento acontecera em algumas ocasiões no passado, a CHILDS, E. C. The water table, equipotentials and atividade hidrogeológica no país foi progressivamente streamlines in drained land. Soil Science, Baltimore, arruinada em praticamente todos os organismos v. 59, 1945. ligados ao setor. CHILDS, E. C.; COLE, A. H.; EDWARDS, D. H. The No Nordeste, por exemplo, a descontinuidade do measurement of the hydraulic permeability of saturated trabalho da Sudene e dos órgãos estaduais ligados soil in situ. II. Proceedings of the Royal Society of ao desenvolvimento das águas subterrâneas é London. Series A, Mathematical and Physical responsável pela precariedade de conhecimentos Sciences, Londres, v. 216, n. 1.124, p. 72-89, jan. 1953. que ainda caracteriza a hidrogeologia da região. A falta de uma instituição estruturada para estabelecer CLEMENT, T. P. RT3D - A modular computer code e difundir, junto aos órgãos que atuam na perfuração for simulating reactive multi-species transport in de poços, normas e procedimentos técnicos uniformes 3-dimensional groundwater systems. Richland, de execução de testes, de coleta e arquivamento de Washington: Battelle Pacific Northwest National dados hidrogeológicos, em caráter permanente, é uma Laboratory, 1998. conseqüência da falta de prioridade dos governos com CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subterránea o setor hídrico regional. Prova disso é que, até hoje, 2. ed. [Barcelona]: Omega, 1983. 2 v. ainda não existem políticas claras de desenvolvimento e de gerenciamento de águas subterrâneas no Nordeste, DARCY, H. Les fontaines publiques de la ville de embora ninguém ignore que os insumos necessários Dijon Paris: [s.n], 1856. para isso sejam os estudos hidrogeológicos e as DAY, P. R.; LUTHIN, J. N. Sand model experiments informações de boa qualidade sobre os aqüíferos on the distribution of water-pressure under an unlined regionais. canal. Proceedings, Soil Science Society of Nos últimos anos, todavia, com os Planos Estaduais America, Madison, Wis., v. 18, n. 2, 1954. de Recursos Hídricos que estão sendo concebidos e implantados em diversos estados da federação, DAVIDS, H. W.; LIEBER, M. Underground contamina- renascem, mais uma vez, as esperanças de novos tion by chromium waste. Water & Sewage Works, progressos na hidrogeologia, tanto em termos de métodos Chicago, v. 98, n. 12, p. 528-534, 1951. exploratórios como em termos de métodos de explotação DE GLEE, G. J. On groundwater currents through e de gerenciamento das águas subterrâneas. draining by means of wells. 1930. Tese (Doutorado)- Technische Hogeschool te Delft, [S.l.], 1930. Referências DIETZ, D. N. Ervaringen met modelonderzoek in de hydrologie. Water, [S.l.], n. 3, 1944. AGUIAR, F. G. Estudos hidrométricos do Nordeste brasileiro. Rio de Janeiro: IFOCS, 1939. (Bol. 12). DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ, F. W. Physical and Chemical Hydrogeology. New York: John Wiley & BABBIT, H. E.; CALDWELL, D. H. The free surface Sons, 1997. around an interference between gravity wells. Univ. Ill. Bull., v. 45, n. 30, 1948. DUBREUIL, P. Estudo geral de base do vale do Jaguaribe: monografia hidrológica. Recife: Sudene, BEAR, J. Dynamics of fluids in porous media. New 1964. York: Elsevier. 1972. 764 p. DUPUIT, J. Études théoriques et pratiques sur le ______. Hydraulics of groundwater. New York: mouvement des eaux dans les canaux découverts McGraw-Hill. 1979. 567p. et à travers les terrains perméables. 2. ed. Paris: BOULTON, N. S. The flow pattern near a gravity well in Dunod, 1863. a uniform water-bearing medium. Journal Institution ENGELUND, P. Mathematical discussion of drainage of the Civil Engineers, Londres, n. 64, p. 534, 1951. problems. Danish Acad. Tech. Sci. Trans. Bull. 3, BOULTON, N. S. Analysis of data from nonequilibrium [S.l.], 1951. pumping tests allowing for delayed yield from storage. FERRIS, J. G. Cyclic fluctuations of water level as Proceedings of the Institution of Civil Engineers, a basis for determining aquifer transmissibility. Londres, n. 26, p. 469-482, 1963. [Bruxelles]: Union Géodesique et Geophysique Interna- BOWMAN, I. Disposal of oil well wastes at Marion, tionale; Association Internationale d’Hydrologie Scienti- Indiana. Washington: U.S.G.S., 1905. v. 113, p. 36- fique, 1951.( Assemblée Génerale de Bruxelles, v. 2). 49. (Water Supply Paper). FETTER Jr., C. W. Applied hydrogeology. 4th ed. CALVERT, C. K. Contamination of groundwater by New York : Prentice Hall, 2001. impounded garbage waste. Journal American Water FORCHHEIMER, P. Uber die ergiebigkeit von Works Association, New York, v. 24, p. 266-276, 1932. brunnenanlagen und sickerschlitzen, Zeitschrift 10 Cap_1.1_FFI.indd 6 9/12/2008 19:38:18 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações des Architekten und Ingenieur- Verein, Hannover, KIRKHAM, D. Artificial drainage of land, streamline v. 32, n. 7, 1886. experiments, the artesian basin - III. Transactions, American Geophysical Union, [Washington, v. 26, FORCHHEIMER, P. Hydraulik. Berlin: B.G. Teubner n. 3, 1945. Verlagsgesellschaft, 1930. KOZENY, J. Hydrologische grundlagen des draversuchs. GARDUÑO, H.; ARREGUIN-CORTES, F. Efficient Commun. Trans. Intern. Soc. Soil Sci., 6th, Gronin- water use. Montevidéo: UNESCO; ROSTLAC, 1994. gen., 1932. 379p. KOZENY, J. Theorie und berechnung der brunnen. GHYBEN, W. B. Nota in verband met de voorgenomen Wasserkraft und Wasserwirtschaft, Munchen, v. putboring nabij Amsterdam. K. Inst. Ing. Tydschr., 28,_[19]. [S.l.], 1889. LAMARCK, J. B. Hydrogéologie. Paris : Musée HAMEL, G. Uber grundwasserstromung. Zeitschrift d´Histoire Naturelle (Jardin des Plantes), 1802. 268 p. für Angewandte Mathematik und Mechanik, Weinheim, v. 14, 1934. LIEBER, M.; WELSCH, W. F. Contamination of groundwater by cadmium. Journal of American HANSEN, V. E. Complicated well problems solved Water Works Association, New York, v. 46, p. 541- by the membrane analogy. Transactions, American 547, 1954. Geophysical Union, [Washington], v. 33, n. 6, 1952. LINDQUIST, E. On the flow of water through porous soil. HANTUSH, M. S. Hydraulics of wells. Advances in Repts. First Cong. Large Dams, Stockholm,_1933. hydroscience, New York, n. 1, p. 282-432, 1964. LUCAS, J. Hydrogeology: one of the developments HABERMEHL, M. A. Ground water in Australia. In: of modern practical geology. Trans. Inst. Surveyors, CONGRESS OF INTERNATIONAL ASSOCIATION OF [S.l.], v. 9, p. 153-184, 1877. HYDROGEOLOGISTS, 18. , 1985. [Proceedings...]. [S.l.: s.n.], 1985. v. 28, n. 1, p. 31-52. MATSON, G. C. Pollution of underground waters in limestone. Washington: U.S. Geological Survey, HUBBERT, M. K. The theory of groundwater motion. 1910. p. 48-56. (Water Supply Paper 258). The Journal of Geology, Chicago, v. 48, n. 8, 1940. McCALLIE, S. W. Experiment relating to problems JACOB, C. E. On the flow of water in an elastic artesian of well contamination in Quitman, Geórgia. aquifer. Transactions, American Geophysical Washington: U.S. Geological Survey, 1905. p. 45-54. Union, Washington, pt. 2, p. 574-586, 1940. (Water Supply Paper 110). JACOB, C. E. Correlation of groundwater levels and MEINZER, O. E. The occurrence of groundwater precipitation on Long Island. Water Power and in the United States. Washington: U.S. Geological Control Comm. Bull. GW-14, New York, 1945. Survey, 1923. JACOB, C. E. Radial flow in a leaky artesian aquifer. MEINZER, O. E. The history and development of Transactions, American Geophysical Union, ground-water hydrology. Journal of the Washington Washington, v. 27, n. 2, p. 198-208, 1946. Academy of Sciences, Washington, v. 24, p. 6-32, 1934. JACOB, C. E. Drawdown test to determine effective radius of artesian well. Proceedings of the American MOORE, A. D. Fields from fluid flow mappers. Journal Society of Civil Engineers, Reston, VA, v. 112, 1947. of Applied Physics, New York, v. 20, 1949. KANO, T. Frictional loss of head in the wall of a well. MUSKAT, M. 1932. Potential distributions in large Japanese Journal of Astronomy and Geophysics, cylindrical disks with partially penetrating electrodes. Tokyo, n. 1, 1939. Physics, [S.l.], v. 2, 1932. KASHEF, A. I.; TOULOUKLAN, Y. S.; FADUM, R. E. MUSKAT, M. Seepage of water through dams with Numerical solutions of steady and transient flow vertical faces. Physics, [S.l.], v. 6, 1935. problems. Purdue Univ. Exp. Sta. Bull., [S.l.], v. 36, MUSKAT, M. The flow of homogeneous fluids ser. 117, 1952. through porous media. New York: McGraw Hill, KEGEL, W. Água subterrânea no Piauí. Boletim 1937. 763 p. DNPM. Divisão de Geologia e Mineralogia, Rio de ORGANIZATION FOR ECONOMIC CO-OPERATION Janeiro, n,156, 1955. AND DEVELOPMENT. Water ressources management- KING, F. H. Observations and experiments on the integrated policies. Paris, 1989. 199_p. fluctuations in level and the rate of movement of PAVLOVSKY, N. N. Teoriia dvizheniia gruntovykh groundwater on the Wisconsin Agricultural. [S.l.: vod pod gidrotekhnicheskini seeruzeniaimi. s.n.], 1892. Leningrad : [s.n.], 1922. 11 Cap_1.1_FFI.indd 7 9/12/2008 19:38:18 Capítulo 1.1 - Evolução Histórica do Conhecimento PIOGER, R. Ressources en eau du nord-est du TODD, D. K. Ground water hydrology. New York: Brésil: les eaux fluviales; hidrologie et geometrie John Wiley, 1959. 332 p. comparées des reservoirs et politique de l ‘eau. TOLMAN, C. F. Ground water. New York: McGraw Recife: Sudene, 1964. 187 p. Hill, 1937. 593 p. POLUBARINOVA-KOCHINA, P. Theory of groundwater movement. Tradução R. J. M. de Wiest. Princeton, TOLMAN, C. F.; POLAND, J. F. Ground-water, salt- N.J.: Princeton University Press, 1962. water infiltration and ground-surface recession in Santa Clara Valley, Santa Clara County, Calif. REBOUÇAS, A. C. Diagnóstico do setor hidrogeo- Washington: Transactions American Geophysical logia. São Paulo: Associação Brasileira de Águas Union, 1940. 21st Anniversary Meeting, part. 1. Subterrâneas, 1996. 46 p. UNESCO. Ground water. Paris, 1992. RORABAUGH, M. I. Graphical and theoretical analysis of step drawdown test of artesian well. UOP - JOHNSON DIVISION. Ground Water and Proceedings, American Society of Civil Engineers, Wells. St. Paul, MN, 1972. 482p. Reston, VA, v. 79, 1953. WALTON, W.; HILLS, D. L.; GRUNDEEN, G. M. SHAW, F. S.; SOUTHWELL, R. V. Relaxation methods Recharge from induced streambed infiltration applied to engineering problems, pt. 7: problems under varying ground-water level and stream relating to the percolation of fluids through porous conditions. [S.l.]: Minn. Water Resources Center. materials. Proceedings of the Royal Society of 1967. Bulletin 16. London, Series A, Mathematical and Physical WALTON, W. Groundwater Resource Evaluation. Sciences, Londres, v. 178, part. 7, 1941. New York: McGraw Hill, 1970. 664p. SLICHTER, C. S. Theoretical investigations of the WARMING, G. A. Suprimento de água no Nordeste motion of groundwaters. Washington: U.S. Geological do Brasil. 2. ed. [S.l]: DNOCS; Insp. Fisc. Obras Survey, 1898. 19th Anniversary Report, part_2. Contra as Secas, 1954. Boletim 6. SMALL, H. L. Geologia e suprimento d’água WERNER, P. W.; NOREN, D. Progressive waves in subterrânea no Piauí e parte do Ceará. Rio de non-artesian aquifers. Transactions, American Janeiro: Inspetoria de Fiscalização de Obras Contra Geophysical Union, Washington, v. 32, n. 2, 1951. as Secas, 1914. Publicação 32. WIENER, A. The role of water in development. SNOW, J. On the mode of communication of cholera. New York: McGraw-Hill, 1972. 483p. London Medical Gazette, Londres, v. 44, p. 730- 732,_1849. WYCKOFF, R. D.; BOTSET, H. G.; MUSKAT, M. Flow of liquids through porous media under the action of SOLLEY, W. B.; PIERCE, R. R.; PERLMAN, H. A. gravity. Physics, [S.l.], v. 3, 1932. Estimated use of water in the United States in 1990. Washington: U. S. Geological Survey, 1993. WYCKOFF, R. D.; BOTSET, H. G.; MUSKAT, M. The Circular_1081. mechanics of porous flow applied to water flood- ing problems. Transactions Society of Petroleum STALLMAN, R. W. Numerical analysis of regional Engineers of AIME, [S.l.], v. 103, 1933. water levels to define aquifer hydrology. Transactions, American Geophysical Union, Washington, v. 36, YANG, ST. T. Seepage toward a well analysed by n. 3, 1955 the relaxation method. Tese (Doutorado) - Harvard University, [Boston], 1949. STILES, C. W.; CROHURST, H. R. Principles underlying the movement of E. Colin groundwater with the resulting ZANGER, C. N. Theory and problems of water pollution of wells. Public Health Report, [S.l.], v. 38, percolation. U.S. Bur. Recl. Eng. Mon., [S.l.], n. 8. p. 1350, 1923. 1953. THEIS, C. V. The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using ground-water storage. Washington: Transactions American Geophysical Union, 1935. 16th Anniversary Meeting, part_2. THIEM, A. Die ergiebigkeit artesischer bohrlocher, schachtbrunnen, und filtergallerien._J. Gasbeleuchtung Wasserversorgung, Munich, v 14,_1870. THIEM, G. Hydrologische methoden. Leipzig: J. M. Gephardt, 1906. 12 Cap_1.1_FFI.indd 8 9/12/2008 19:38:18 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações capítulo 1.2 ImportâncIa da Água Subterrânea Aldo da Cunha Rebouças 1.2.1 Introdução meses do ano em que não chove na respectiva bacia hidrográfica. Esta é a situação nos rios do Nordeste semi-árido do Brasil, cujas bacias hidrográficas foram Àmedida que cerca de 97,5% dos 1.386 esculpidas nos terrenos cristalinos subaflorantes e, milhões km3 do volume total de água da praticamente, impermeáveis.Terra formam os oceanos, diz-se, com Por outro lado, a importância da água subterrânea freqüência, que esta é muito pobre de água doce. para consumo doméstico, principalmente, decorre do Entretanto, os dados da UNESCO/PHI (2003), mostram fato de poder ser captada no meio urbano, no terreno que os processos naturais de transformação da água do condomínio privado ou da indústria que abastece. salgada dos oceanos, principalmente, engendram uma Tendo em vista que o material aqüífero não saturado, descarga de longo período de água doce nos rios da através do qual a água infiltra, funciona como um Terra da ordem de 43.000 km3/ano. verdadeiro filtro e reator bio-geoquímico de depuração, Sendo a demanda total de água da humanidade, a água subterrânea é protegida dos agentes de atualmente, da ordem de 14% desta vazão – 70% degradação da sua qualidade. Assim, uma obra de irrigação, 20% indústrias e 10% consumo doméstico – captação mal construída representa um verdadeiro plagiando Mahatma Gandhi (1869-1948) diria que não foco de contaminação da água subterrânea. há falta de água doce no mundo para satisfazer todas Todavia, desde a década de 1970, graças aos as necessidades da humanidade, mas não o bastante progressos das técnicas de construção de poços, para atender os grandes desperdícios e degradação às crescentes performances das bombas e à da qualidade em níveis nunca imaginados, tanto na expansão da oferta de energia elétrica, já não há agricultura, quanto nas cidades. água subterrânea profunda ou confinada inacessível A água que circula invisível pelo subsolo da Terra aos meios tecnológicos disponíveis nos países e deságua nos seus rios durante o período que não desenvolvidos, principalmente, e na maioria dos em chove – 13.000 km3/ano - constitui a contribuição do desenvolvimento. manancial subterrâneo. Ela resulta, principalmente, Entretanto, o uso descontrolado atual da água da infiltração nos terrenos onde foram esculpidas subterrânea no Brasil vem engendrando sérios impactos as respectivas bacias hidrográficas de parcela das nos sistemas naturais de fluxos subterrâneos e problemas águas precipitadas da atmosfera na forma de chuva, de recalque diferenciado do subsolo. neblina ou neve. Certamente, pelo fato da utilização das águas subterrâneas ser, relativamente, mais barata e as obras 1.2.2 gestão de ofertas versus não serem tão fotogênicas quanto as barragens e demandas estações de tratamento construídas para utilização das águas de superfície, o manancial subterrâneo tem sido, Até a década de 60, o modelo predominante de freqüentemente, omitido nos planos de gerenciamento utilização da água, no mundo, em geral, e no Brasil, de recursos hídricos de uma área. Não obstante, o em particular, era a gestão da oferta. Por sua vez, manancial subterrâneo constitui o maior volume de há cerca de 30 anos, com a entrada em operação água doce que ocorre na Terra na forma líquida, da do Sistema Cantareira, em São Paulo, o maior do ordem de 10,3 milhões km3, enquanto os rios e lagos mundo à época destinado ao abastecimento humano, acumulam cerca de 104 mil km3. passou-se a medir esta oferta não mais em L/s, Sobre mais de 90% do território brasileiro os mas em termos de m3/s. Inaugurava-se, também, rios nunca secam, indicando que a infiltração das a consideração do uso múltiplo da água, uma vez chuvas que caem nestes domínios é importante. que, pela primeira vez, tinha-se que garantir a sua Caso contrário, diz-se que os rios têm regime de fluxo oferta para abastecimento de uma cidade e não mais temporário, ou seja, praticamente secam durante os somente para geração de energia. 13 Cap_1.2_FFI.indd 1 9/12/2008 20:47:09 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea Na 1a Conferência das Nações Unidas sobre fica caracterizado que a redução dos desperdícios Desenvolvimento e Ambiente, relizada em Estocolmo nas cidades e na agricultura, em lugar da tradicional no ano de 1972, os povos presentes tomaram gestão da oferta, seria uma alternativa mais racional conhecimento de que o ambiente não poderia a ser adotada. continuar suportando os impactos que eram Ass im, as a l te rações in t roduz idas pe la engendrados pelo progresso que a humanidade vinha Const i tu ição de 1988 no arcabouço legal e usufruindo nos países desenvolvidos, sobretudo, e no institucional vigente no Brasil, desde o Código mundo, em geral. de Águas de 1934, passaram a ter uma grande A partir da 2a Conferência das Nações Unidas – importância, à medida que, a partir de 1988, todo Rio-92, ficou claro que o componente do ambiente corpo de água no Brasil é de domínio público, da mais seriamente atingido era a água e a sua oferta União ou das Unidades da Federação. já não poderia ser garantida sem considerar os Isto significa que, a partir de 1988, as águas no aspectos ambientais e da gestão das demandas. Brasil já não podem ser utilizadas livremente pelo Seria necessário considerar o seu uso ser cada indivíduo. Considerando que a parte mais sensível do vez mais integrado – águas que fluem visíveis pelos corpo humano é o “bolso”, a cobrança pelo direito de rios, águas que fluem invisíveis pelo subsolo e, uso da água como instrumento de gestão tem seu principalmente, o reúso eficiente da água. Assim, fundamento. Entretanto, a prática desta legislação é foi aprovada pela mais numerosa Assembléia das muito difícil e confusa, a começar pelos rios que são Nações Unidas já realizada no mundo a Agenda 21, drenos naturais das águas superficiais e subterrâneas. a qual estabelece a percepção política das nações de Desta forma, como os rios não separam territórios de que a gestão das demandas ambientais, em geral, e países ou de Unidades da Federação, mas os unem, da água, em especial, é a alternativa mais barata e não se pode pensar em aplicar regras diferentes de única viável, contra os problemas de escassez local uso e conservação das suas águas. e ocasional de água, por exemplo. Dessa forma, desde a última década do século 1.2.3 a gestão Integrada das Águas passado nos países desenvolvidos, em lugar da tradicional idéia de gestão da oferta da água como As questões relativas à fonte dos investimentos única solução aos problemas hídricos, passou-se a necessários, mesmo os iniciais estimados, da praticar a gestão das demandas como a alternativa ordem de US$ 12,6 bi lhões, continuam sem mais barata. Em outras palavras, verificou-se que respostas. O financiamento dos Objetivos do Milênio realizar o uso cada vez mais eficiente da gota provavelmente será um dos maiores desafios que d’água disponível, tanto nas cidades, quanto na agricultura, por exemplo, era mais importante a comunidade internacional terá de enfrentar nos do que continuar ostentando sua abundância ou próximos 15 anos. Certamente, fatores culturais escassez. complicam ainda mais as dificuldades logísticas e A s s i m , n o s p a íses re la t i vamente ma is financeiras da provisão de serviços de saneamento desenvolvidos do mundo, tornou-se crescente básico adequados. o o número de casos em que a extração das A Lei Federal N 9.433/97 instituiu o Sistema águas subterrâneas para abastecimento humano, Nacional de Gerenciamento dos Recursos Hídricos, principalmente, é a alternativa mais barata, à criou o Conselho Nacional de Recursos Hídricos e o medida que pode ser utilizada, quando captada de seu texto proclama, com muita clareza, os princípios forma adequada, sem grandes investimentos para básicos praticados, hoje, em quase todos os países transporte ou tratamento prévio. desenvolvidos, que avançaram na gestão integrada Por sua vez, a gestão integrada da gota d’água de suas águas. Entretanto, ênfase especial sempre disponível – tanto daquela que flui visível pelos rios, foi dada às águas que fluem visíveis pelos rios, ou quanto daquela que circula invisível pelo subsolo ou o Blue Water Flow (Figura 1.2.1). de reúso da água, tem sido a forma mais barata para Assim, o seu primeiro princípio é o da adoção da solucionar problemas de escassez local e ocasional bacia hidrográfica como unidade de planejamento. de água. No entanto, a bacia hidrográfica, segundo o A lém d isso, ao def in i r os Obje t ivos de seu conceito holístico, não exclui a tomada em Desenvolvimento do Milênio das Nações Unidas consideração das águas que infiltram e dão suporte e do Encontro Mundial sobre o Desenvolvimento ao desenvolvimento da cobertura vegetal ou Green Sustentável (Johannesburg, 2002), a comunidade Water Flow (Figura 1.2.2), as águas subterrâneas ou internacional compreendeu que poderia diminuir pela Gray Water Flow (Figura 1.2.3) e as águas de reúso, metade o número de pessoas no mundo que não as quais não foram sequer mencionadas na Lei tem acesso à água potável e ao saneamento básico Federal 9.433/97, devido à cultura da abundância até 2015. Para que tais objetivos sejam atingidos, de água no Brasil, certamente. 14 Cap_1.2_FFI.indd 2 9/12/2008 20:47:09 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 1.2.1 - Os fluxos de água dos rios (modificado de World Resources Institute, 1990 -1991, A Guide to the Global Environment, Chap. 10, p. 168). Figura 1.2.2 - As águas nos solos (modificado de World Resources Institute, 1990 -1991, A Guide to the Global Environment, Chap. 10, p. 169). 15 Cap_1.2_FFI.indd 3 9/12/2008 20:47:09 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea Figura 1.2.3 - As águas nos aqüíferos (modificado de World Resources Institute, 1990 -1991, A Guide to the Global Environment, Chap. 10, p. 169). Neste quadro, vale destacar que sobre mais empresas estatais de saneamento não coletam, sequer, de 90% do território brasileiro a precipitação fica os esgotos que geram. Além disso, falta inserção da entre 1.000 mm/ano e mais de 3.000 mm/ano, os rios água subterrânea ou de reúso, falta o desenvolvimento nunca secam, os recursos de solos são grandes e da engenharia de planejamento e aplicação de a energia solar é abundante. Como corolário, tem- recursos em P&D nas empresas de água, em geral. Por se o desenvolvimento de uma vegetação das mais sua vez, ainda predomina a cultura da gestão da oferta exuberantes e a maior biodiversidade do Planeta. como única solução aos problemas locais e ocasionais Todavia, em termos de saneamento básico os de escassez de água e falta a gestão das demandas cenários nas nossas cidades são caóticos. Deve-se com vistas ao uso cada vez mais inteligente da gota ressaltar que desde a década de 70, com o Planasa, d’água disponível. deu-se ênfase à construção de obras extraordinárias para captação de rios situados cada vez mais distantes das cidades. Por sua vez, a necessidade 1.2.4 poço bem construído versus de transportar água de distâncias cada vez maiores buraco impôs a construção de grandes adutoras, segundo o modelo inaugurado pelos romanos em 312 a.C. A figura.1.2.4 ilustra bem a importância de se Além disso, a necessidade crescente de tratamento distinguir entre um poço bem construído e um buraco da água para consumo humano, principalmente, de onde se tira água, da mesma forma que já se levou à construção de grandes estações. Entretanto, diferencia uma incisão cirúrgica de uma facada. Assim, os métodos de tratamento utilizados são cada vez à medida que a fonte mais importante de poluição mais caros e pouco eficientes, face à crescente taxa ou degradação da qualidade da água subterrânea de lançamento de esgotos domésticos e efluentes se encontra na superfície do terreno, num poço mal industriais não tratados nos rios. construído a poluição poderá descer buraco abaixo e Basta lembrar que no Brasil não se coleta nas degradar a qualidade da água do aqüífero profundo cidades a maior parte do lixo que se produz e 64% das ou confinado de onde se extrai água. 16 Cap_1.2_FFI.indd 4 9/12/2008 20:47:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 1.2.4 - Mecanismo de depuração natural das águas subterrâneas (modificado de Gowle, 1983). A captação de água nas cidades do Brasil é tanto aqüíferas mais promissoras e sua colocação adequada mais precária, quanto os poços são rasos ou que se deverá proporcionar uma vazão de produção ou de utilizam dos aqüíferos livres ou freáticos. Vale destacar injeção com perdas de carga mínimas ou atendendo que no Brasil, em geral, a degradação da qualidade às boas normas da engenharia hidráulica. Por sua da água subterrânea poderá ser engendrada por vez, a cimentação do espaço anelar superficial até diversos fatores, tais como: (1) falta de saneamento uma profundidade adequada e constituição de selo básico, (2) falta de coleta ou disposição adequada sanitário na superfície deverão impedir a infiltração de do lixo que se produz, (3) vazamento de tanques de águas do freático, muitas vezes, contaminadas. No combustíveis próximos, (4) caóticas condições de uso capítulo 6.1 são apresentados aspectos detalhados e ocupação do solo nas cidades e (5) uso de métodos sobre a construção de poços tubulares. de irrigação pouco eficientes. Quanto a este último, destaca-se que cerca de 93% dos quase 3 milhões 1.2.5 o preço da Água gratuita de hectares irrigados no Brasil usam espalhamento superficial (56%), aspersão convencional (19%) e pivô À medida que se bombeia, livremente, água de um central (18%), fazendo com que o principal risco de poço, rio ou açude, tem-se a impressão de que esta contaminação da água nos perímetros de irrigação seja seja gratuita. Ledo engano, pois é preciso considerar os pelo excesso de percolação. No plano mundial, a FAO custos das bombas e do consumo da energia elétrica, (2003) estima que entre 60 e 70% da vazão de água pelo menos. Regra geral, toda água flui sob a ação da dos projetos de irrigação se perdem por percolação e gravidade, ou seja, morro abaixo. Porém, ela poderá evaporação. Logo, na produção de alimentos, tem-se fluir morro acima, contra a gravidade, à medida que se como corolário que o fator mais limitante seja a água tenha dinheiro empurrando ou atraindo. e não o solo. O crescente número de casos positivos nos países mais desenvolvidos, indica que a água subterrânea Tendo em vista as caóticas formas de uso e é a alternativa mais barata para abastecimento ocupação do solo nas cidades do Brasil, em particular, humano, sobretudo, consumo industrial e irrigação. torna-se temerário utilizar a água subterrânea que Entretanto, o seu uso sempre custa alguma coisa. é extraída de poços que captam aqüíferos freáticos Desta forma, é necessário considerar a produtividade (freático, do grego, significa raso, ou seja, o primeiro que esta poderá proporcionar. Assim, com base no nível de acumulação de água no subsolo). consumo de água para se alcançar uma determinada Assim, no Brasil, poços para abastecimento humano produtividade de uma atividade e do preço do no meio urbano, deverão ser construídos atendendo mercado do produto então gerado, torna-se possível especificações de engenharia geológica, engenharia conhecer a eficiência econômica da atividade em hidráulica e engenharia sanitária. Em outras palavras, apreço. perfis geológico e geofísico deverão fornecer subsídios Assim, a consideração dos dados da tabela 1.2.1 para definição das especificações de engenharia poderá ser uma base de seleção das culturas a serem geológica. Além disso, tem-se a definição dos filtros em produzidas por irrigação no estado do Ceará e, por função do calibre das areias que formam as camadas extensão, no Nordeste. 17 Cap_1.2_FFI.indd 5 9/12/2008 20:47:10 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea Verifica-se, pela análise desta tabela, que irrigar no Nordeste, considerados pelo agronegócio, são culturas tradicionais de grãos no Nordeste do Brasil também indicados. Assim, verifica-se que a taxa ótima é um verdadeiro crime ambiental e uma burrice de água consumida é inferior a 5.000 m3/ha/ano e a econômica. Por exemplo, a cultura do arroz apresenta boa varia entre 5.000 e 7.000. Os valores limite variam uma eficiência econômica de apenas 1 (um) centavo entre 7.000 e 10.000, sendo a taxa de consumo acima 3 de dólar americano por m3 de água utilizado, a cultura de 10.000 m /ha/ano considerada como crítica. do feijão atinge 20 centavos de dólar americano, o Vale destacar que os níveis de produtividade da milho e soja apresentam eficiências econômicas de agricultura irrigada na região Nordeste, aqui referidos, em particular das flores e das frutas, já cresceram 4 e 5 centavos de dólar americano por m3 de água em relação aos valores apresentados nesta tabela consumido, respectivamente. Enquanto isso, as (1.2.1), indicando ser ainda mais viável a utilização culturas de frutas atingem eficiências econômicas da água na região de forma cada vez mais eficiente muito superiores, destacando-se a cultura da manga, nestas culturas. que proporciona US$ 3,00 e a da uva, que proporciona A cultura regional do caboclo mostra-se bastante US$ 6,10 por m3 de água utilizado. receptora às inovações, deixando-nos muito Por sua vez, os níveis econômicos das taxas de otimistas em relação às transformações que se fazem consumo – m3/ha/ano - da gota d’água disponível necessárias. consumo Água rendimento bruto eficiência econômica tIpoS cuLturaS (m3/ha/ano) (uS$/ha/ano) (uS$/m3) a b b/a Frutas Abacate 5.578 3.000 0,54 Abacaxi 4.003 6.000 1,50 Acerola 4.613 4.500 0,97 Banana 11.762 12.500 1,06 Goiaba 4.613 10.000 2,71 Graviola 4.613 9.500 2,06 Limão 4.613 13.500 2,93 Manga 4.003 12.000 3,00 Maracujá 5.973 9.000 1,51 Melão 8.000 11.000 1,38 Mamão 8.396 12.000 1,43 Tangerina 4.613 6.000 1,30 Uva 4.918 30.000 6,10 culturas tradicionais Arroz 21.000 300 0,01 Feijão 8.000 1.600 0,20 Milho 16.880 660 0,04 Soja 8.000 400 0,05 outras culturas Algodão 12.000 4.800 0,40 Cana de açúcar 15.590 2.100 0,13 tabela 1.2.1 - Mercado de água para culturas irrigadas no estado do Ceará. (Fonte: Laboratório de Hidráulica e Irrigação da Univ. Federal do Ceará, in Cariri Invest: Perfil Econômico - BN, Fortaleza, 1999). 18 Cap_1.2_FFI.indd 6 9/12/2008 20:47:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 1.2.6 as Funções dos aqüíferos na com retórica política ou promessas pomposas e não gestão Integrada com ações extremamente necessárias.As mudanças climáticas anunciadas deverão ser O problema mais importante do século XXI é a responsáveis por aproximadamente 20% do aumento gestão integrada da gota d’água disponível – captação na irregularidade de ocorrência das chuvas no mundo. de chuvas, fluindo pelos rios, subterrâneas e das águas Provavelmente, as chuvas poderão ser mais intensas de reúso – tanto em termos da quantidade, quanto de ou escassas, ocorrerem secas nas regiões do mundo qualidade. Conforme os dados dos Comitês Nacionais mais propensas e até mesmo em algumas regiões do Programa Hidrológico Internacional, coordenado tropicais e subtropicais. pela Unesco/PHI (2003), existem no mundo 261 bacias A “crise da água” deverá piorar no mundo em hidrográficas compartilhadas por 145 nações. Todavia, geral, apesar dos maiores debates a respeito, porque se muita atenção tem sido dada aos rios, os recursos isto convém aos grupos com interesses no setor. hídricos subterrâneos (aqüíferos) têm sido amplamente Aproximadamente dois bilhões de toneladas de lixo ignorados, apesar de seus grandes volumes de serão jogadas nos rios, lagos e riachos todos os dias. água estocados e da parcela que deságua nos rios Estima-se que haja 12.000 km 3 de água poluída nos rios do mundo, mais do que a descarga total de água representar uma boa porcentagem das suas vazões de das suas dez maiores bacias hidrográficas. base, ou seja, aquelas que ocorrem durante o período Não obstante, muita atenção tem sido dada às águas sem chuvas nas respectivas bacias hidrográficas. 3 que fluem visíveis pelos rios, enquanto os recursos Em termos de m /hab/ano, os países mais pobres subterrâneos (aqüíferos) têm sido amplamente ignorados, de água nos seus rios são: Kuwait (10), Faixa de apesar dos grandes volumes de água estocados, em Gaza (52), Emirados Árabes Unidos (58), Bahamas geral, de qualidade adequada ao consumo humano. (60), Catar (94), Malvinas (103), Grande República Vários dirigentes ou participantes das discussões sobre Árabe Líbia Popular e Socialista (113), Arábia Saudita os acordos que são firmados para uso compartilhado das (118), Malta (129) e Singapura (149). Porém, nenhum águas de rios fronteiriços, sequer, sabem que dividem desses países se destaca no cenário mundial pelo aqüíferos com outros países. Entretanto, a experiência uso cada vez mais eficiente da gota d’água disponível, internacional mostra nos países desenvolvidos, nem pela inserção da sua água subterrânea ou das principalmente, que na abordagem da gestão perspectivas de reúso não potável da água na indústria integrada da água, os aqüíferos de uma área podem e agricultura. desempenhar diversas funções. Por sua vez, a Unesco/PHI (op.cit.), assinala que a inércia política agrava a crise da água. Este organismo Função produção - corresponde à mais tradicional internacional estima que sete bilhões de pessoas em e consiste na perfuração de poços para extração de 60 países estarão enfrentando falta de água ainda água subterrânea. Segundo a Unesco/PHI (op. cit.), na metade deste século. Na melhor das hipóteses, de 600 a 700 km 3/ano de água são extraídos a cada dois bilhões de pessoas em 48 países estarão ano dos aqüíferos do mundo, o que corresponde a nesta situação. Isto vai depender de fatores como aproximadamente 50% das demandas para consumo o crescimento populacional, o desenvolvimento de humano, 40% das demandas de água das indústrias políticas públicas e inserção da água subterrânea. e 20% das demandas de água da agricultura irrigada. Todavia, as populações dos países mais pobres do São cerca de 300 milhões de poços em operação mundo continuam a ser as mais afetadas, apesar das abastecendo cerca de 1/3 dos 270 milhões de hectares taxas de nascimento estarem diminuindo e de uma irrigados no mundo. Na Comunidade Econômica criança nascida em país desenvolvido usar de 30 a Européia (CEE), cerca de 75% do consumo humano é abastecido pela água subterrânea. Em alguns países 50 vezes mais água do que uma criança em um país da Europa, como Áustria, Alemanha e Suécia, por em desenvolvimento. Todos os dias, 6.000 pessoas, exemplo, mais dos 90% do consumo humano são em sua maioria crianças com menos de 5 anos de atendidos por poços. Na década de 1970-1980, o idade, morrem no mundo vitimadas por doenças Serviço Geológico Americano (USGS) estima que a diarréicas. Estas estatísticas bem ilustram a seriedade extração de água subterrânea nos Estados Unidos do problema que o mundo deverá enfrentar em relação era da ordem 4.000 m3/s ou 126 km3/ano, sendo que à água e os chocantes desperdícios e degradações da 40-50% são extraídos das 11 bacias hidrogeológicas qualidade que ocorrem nas cidades e na agricultura, localizadas no Centro Oeste, contexto de clima árido principalmente em relação ao seu uso. com um coração desértico. Segundo o IBGE (2000), Em termos globais, o desafio é aumentar a vontade 62% da população brasileira declaram que utilizam política para que compromissos relacionados à o manancial subterrâneo de forma não controlada, água possam ser implementados. Por sua vez, os sendo 70% referentes a poços profundos, 19% a profissionais da área de recursos hídricos precisam ter nascentes ou fontes e 10% a poços escavados. Na um melhor entendimento em relação ao contexto social, Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), estima-se econômico e político geral, e os políticos precisam ser que mais de 7.500 poços não controlados estão em mais bem informados sobre as questões relativas à operação para abastecer hotéis de luxo, hospitais, água, do contrário, a questão continuará a ser tratada condomínios privados e cerca de 95% das indústrias. 19 Cap_1.2_FFI.indd 7 9/12/2008 20:47:11 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea Vale ressaltar que em todas as áreas metropolitanas Japão e China, para alimentar câmaras frigoríficas de no Brasil – seja nas cidades de Manaus, Santarém ou produtos agrícolas. O Brasil tem um grande potencial Belém, situadas às margens das maiores descargas de de águas quentes de baixa entalpia nas suas bacias água doce do mundo; Fortaleza, capital do semi-árido, sedimentares (mais de 100.000 km3 de águas quentes Recife, situada na faixa úmida costeira; São Paulo; nas bacias sedimentares do Paraná, Amazonas, ou Porto Alegre, há poços não controlados operando Parnaíba e Potiguar). Na Rússia, a função energética para abastecimento de condomínios privados, hotéis é induzida, à medida que se injeta água fria num poço de luxo, hospitais e indústrias, como forma de evitar os para ser aquecida pelo gradiente geotermal e capta-se racionamentos ou rodízios do fornecimento de água do noutro. Os poços se interligam por meio de fraturas serviço público. que são geradas por meios mecânicos ou eletrônicos. Função transporte - consiste em utilizar os aqüíferos Desta forma, a água fria circula pelas fraturas das para transportar água de zonas de recarga para rochas aquecidas pelo gradiente geotermal, troca calor compensar os efeitos da super extração noutras áreas, com o maciço, como se fora a que esfria o bloco do onde o uso da água subterrânea é intensivo, tal como motor. A baixa entalpia também é uma fonte importante acontece no Centro-Oeste Americano, Austrália, Norte de energia geotermal em balneários hidrotermais. da África, dentre outros casos praticados no mundo. Função estocagem-regularização - muito usada Função estratégica - não se trata de reservar as nas regiões de clima árido, onde é possível injetar águas subterrâneas para usar quando todos os rios do excedentes sazonais de água de enchentes dos mundo já tiverem suas águas totalmente degradadas rios, de estações de tratamento de água - ETAs, de pelo lançamento dos efluentes industriais ou esgotos reúso não potável de água nas cidades, indústrias e domésticos não tratados. Torna-se de fundamental agricultura, tal como se pratica atualmente no Centro- importância usar sempre a água subterrânea destas Oeste dos Estados Unidos, Israel, Espanha e Austrália. áreas, pois somente assim será possível aprender a Vale destacar que o Serviço Geológico dos Estados usá-la de forma cada vez mais eficiente. A função Unidos (USGS) estima que se perfura atualmente nos estratégica dos aqüíferos vem sendo valorizada nas Estados Unidos, perto de um milhão de poços por áreas do mundo desenvolvido, principalmente, onde ano, para as diversas funções dos aqüíferos, tais como se faz importante proteger a gota d’água disponível produção, recuperação dos estoques de um aqüífero dos agentes naturais de perdas por evaporação, dos pelo método ASR, controle da interface marinha, agentes de poluição, proporcionar uma filtração ou como reator bio-geo-químico da zona não saturada potabilização inviável pelos métodos convencionais de ou do subsolo saturado, autodepuração e evolução tratamento. Esta alternativa vem sendo muito aplicada natural da qualidade da água no subsolo, reator rio/ nos países desenvolvidos e tem se revelado muito aqüífero aluvial, reatores em série, reatores artificiais, promissora, sobretudo, pela prática do método Aquifer a realimentação artificial de aqüíferos, controle da Storage Recovery – ASR. Por este método, o aqüífero redução da permeabilidade em bacias de infiltração proporciona água para abastecimento de cidades, - poços de monitoramento da quantidade e/ou da recarga artificial para controle da interface marinha, qualidade da água e diagnóstico ambiental de terrenos regularização das descargas de base dos rios, de indústrias. Além disso, evolui-se do estudo pontual manutenção de santuários ecológicos importantes, do poço (quantitativo e qualitativo) para o estudo dos recarga artificial com excedentes sazonais de estações sistemas de fluxos subterrâneos aplicando-se modelos de tratamento de água, controle de enchentes de matemáticos do tipo Regional Aquifer-System Analysis rios, uso e conservação das águas de canais, para – RASA, Modflow, ASR ou similares. A gestão ativa de reúso não potável de águas nas cidades, indústrias e aqüíferos (Active Groundwater Management) é uma atividades agrícolas. abordagem que vem dando gratificantes resultados Função Filtro - a captação por meio de poços nos países desenvolvidos, tanto para irrigação, quanto induz águas de rios, lagoas e outros mananciais de nas indústrias e nos sistemas de abastecimento de superfície, como forma de reduzir os custos do seu água nas cidades, sobretudo. tratamento convencional. Função energética – a água quente do aqüífero é 1.2.7 recarga, armazenamento e utilizada como fonte de energia geotermal de alta descarga entalpia, produzindo-se energia elétrica, sendo o uso atual estimado em 5.706 MW, assim distribuídos: USA A questão mais freqüente dos tomadores de decisão - 2.770, Filipinas - 894, Itália - 545 e Nova Zelândia - é quanto de água se pode extrair de forma segura de 293. Tem-se, ainda, a possibilidade de utilizar a função um aqüífero. Segundo Meinzer (1920), esta seria igual energética da água quente do aqüífero para fazer à taxa de sua recarga natural. Atualmente, verifica-se economia de energia elétrica convencional, utilizando que este conceito é obsoleto, à medida que, conforme a energia geotermal de baixa entalpia, cuja produção estabelece a hidráulica de poços preconizada por atual é estimada em 11.605 MW. A função energética Theis (1935), toda e qualquer extração de água de de baixa entalpia do aqüífero é muito utilizada no um poço, gera uma perturbação que se propaga no 20 Cap_1.2_FFI.indd 8 9/12/2008 20:47:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações meio aqüífero de forma infinita, tal como se propagam Um importante aspecto da investigação realizada as ondas num lago, quando se joga uma pedra, por pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS) exemplo. Uma discussão mais aprofundada sobre esta foi a utilização do modelo matemático do tipo Regional temática é apresentada no capítulo 7.1. Aquifer-System Analysis (RASA) nas suas 25 unidades Por sua vez, os modelos matemáticos mostram que se hidrogeológicas mais importantes (Johnston, 1977). configura uma frente de contribuição, correspondente à Esta simulação estabeleceu o balanço dos fluxos captura dos filetes líquidos que convergem para o poço de água subterrânea nas fases de pré-desenvolvimento bombeado, de tal forma que já não se pode considerar e posterior, identificando mudanças ocorridas nas a velocidade aparente ou verdadeira do filete líquido condições de recarga, descarga e armazenamento dos no estado natural. Além disso, os maiores gradientes aqüíferos, devido aos bombeamentos. Os resultados hidráulicos engendrados pela extração de água no desta análise foram apresentados nos Professional poço, fazem com que um novo estado de equilíbrio dos Papers do USGS de números 1.400 até 1.425. Resume- fluxos no aqüífero em apreço seja buscado. Por sua se aqui, os efeitos dos bombeamentos nos regimes vez, não se pode relacionar impunemente, dados de de fluxos subterrâneos em 11 sistemas aqüíferos quantidade ou de qualidade de água extraída de poços regionais dos Estados Unidos. Conforme a figura 1.2.5, rasos e profundos numa área, uma vez que, enquanto o bombeamento realizado provocou significantivas estes captam sistemas de fluxos subterrâneos locais, alterações nas taxas de recarga e descarga na maioria aqueles podem estar captando sistemas de fluxo dos 11 sistemas aqüíferos, e as reservas permanentes intermediários ou regionais. de três sistemas foram severamente reduzidas. Figura 1.2.5 - Origens das águas produzidas pelos poços (modificado de Johnston, 1997). 21 Cap_1.2_FFI.indd 9 9/12/2008 20:47:11 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea Verifica-se, assim, que na fase do pré-desenvolvimento, 1.2.8 planejamento e gestão a taxa de recarga natural no Vale Central da Califórnia era de 78 m3/s, enquanto a produção dos poços no período A importância das águas subterrâneas é de difícil de 1961 – 1977 atingia 446 m3/s. Neste caso, a vazão percepção no mundo, em geral, e no Brasil, em de apenas 31 m3/s foi tomada da reserva permanente especial, à medida que sua utilização é relativamente dos aqüíferos da região. Nota-se, ainda, que cada uma mais barata e feita, regra geral, pelo próprio usuário. Ao das unidades hidrogeológicas reagiu diferentemente contrário, como as obras para utilização da água dos aos bombeamentos realizados, indicando que não se rios são construídas com investimentos públicos, o seu pode extrapolar o comportamento de uma para outra. uso é quase sempre menos compromissado com uma No geral, observa-se que houve um sensível aumento gestão das demandas, ou seja, com um uso cada vez dos volumes extraídos pelos poços, em relação às taxas de recarga das fases de pré-desenvolvimento em todos mais eficiente da gota d’água disponível. as unidades hidrogeológicas. Houve, por sua vez, muita Além disso, a falta de controle federal, estaduais recarga induzida pelas condições de uso da água ou municipais não possibilita uma avaliação segura do em cada uma das áreas e pouca influência sobre as número de poços em operação, tanto no mundo, quanto descargas naturais dos aqüíferos. no Brasil. Assim, apenas se pode estimar que cerca Um caso interessante foi verificado na Great de 250 milhões poços estão em operação no mundo e Plains, correspondente ao sistema aqüífero Ogalalla. talvez 10% no Brasil. Somente no estado de São Paulo, Na década de 1940, a profundidade dos poços a Associação Brasileira de Águas Subterrâneas – ABAS na área atingia cerca de 30 metros. Atualmente, o estima que cerca de 15 mil poços são perfurados bombeamento das águas é feito até profundidades anualmente. Contudo, desde a fundação da ABAS em de centenas de metros. Ao pedido de subsídios 1978, o selo de qualidade das empresas de perfuração encaminhado pelos fazendeiros da região, o governo no Brasil, não tem conseguido sensibilizar mais de uma federal respondeu que nada havia a fazer, a não ser dezena de associadas. que houvesse mudanças de métodos de irrigação ou Entretanto, o princípio do usuário e do poluidor/ de culturas. Estimava-se que cerca de 70% da vazão pagador, parece ser a saída para um uso cada vez de água extraída dos poços se perdiam, à medida que mais eficiente da gota d’água disponível. Já se observa os métodos de irrigação ainda utilizados eram dos que no nível das empresas, por exemplo, esta opção mais obsoletos, tais como: espalhamento superficial, representa, por um lado, mais recurso de água para método utilizado pelos egípcios desde 3500 a.C., pivô central e aspersão convencional. Estes dois utilização nos processos de produção, por outro lado, últimos, além de serem pouco eficientes em termos tem um efeito imagem muito importante no mercado, à de fornecimento de água às lavouras, ainda são de medida que constitui uma opção muito valorizada pelo consumo intensivo de energia elétrica. desenvolvimento sustentável. Por sua vez, houve uma sensível alteração Regra geral, as águas subterrâneas no Brasil das formas de cultivo, ou seja, abandonou-se o continuam sendo extraídas livremente, por meio de poços espaçamento tradicional do algodão do tempo não controlados, os quais muito pouco se diferenciam de dos escravos e adotou-se uma forma mais densa. buracos de onde se tira água. Vale salientar que somente Por outro lado, houve uma grande substituição do a partir da Constituição Federal de 1988, ficou claro que algodão pela jojoba, tendo em vista que o cultivo desta as águas subterrâneas são de domínio público estadual, leguminosa do deserto exige uma lâmina de água de exceto aquelas decorrentes de obras da União. apenas 11 mm, contra os 600 mm do algodão. Todavia, ainda é freqüente muitos poços receberem A adoção de métodos modernos de irrigação, tais filtros em toda a extensão arenosa do perfil geológico, como o gotejamento e a micro aspersão, por exemplo, até, mesmo, quando esta fica acima do seu nível muito contribuiu para a redução das perdas de água estático (NE) ou dinâmico (ND), sob o argumento de de 70% para menos de 5%. Além disso, procurou-se que o objetivo era a obtenção de uma vazão máxima. reutilizar os esgotos domésticos, segundo orientação Esta prática tem sido a causa principal da contaminação do Departamento de Saúde Pública da Califórnia, cuja cruzada engendrada pela captação do aqüífero freático. primeira publicação data de 1918, nas atividades que Por sua vez, ainda é freqüente a colocação da bomba não exigiam água potável. Desta forma, já se registra, atualmente, uma recuperação dos níveis de água de em frente ao intervalo de filtros, causando a produção alguns poços de até 80 metros e a produção agrícola de areia pelo poço. da área voltou a ter nível competitivo no mercado. Durante a vigência do Código Nacional de Águas Estes e outros exemplos muito atrapalham, de 1934 até a Constituição Federal de 1988, a água certamente, a lógica das empreiteiras, das corporações subterrânea era considerada do dono do terreno. Por técnicas e dos políticos, principalmente, acostumados sua vez, como a extração da água subterrânea no a manipular a estratégia da escassez de água nas mundo, em geral, e no Brasil, em particular, sempre foi cidades, sobretudo, para obtenção de verbas ou de feita às expensas do usuário, verifica-se que, por força empréstimos com taxas de juros privilegiadas das da cultura da planilha de custos, esta tem tido um uso agências financeiras nacionais ou internacionais. mais racional nas indústrias. 22 Cap_1.2_FFI.indd 10 9/12/2008 20:47:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Torna-se necessário levar em consideração as A inércia política dos poderes legislativo, executivo, precárias condições naturais de estocagem de água e judiciário e até dos partidos políticos do Brasil só tem subterrânea nos terrenos cristalinos do Nordeste, tanto agravado os problemas sanitários. Assim é que, os nas manchas aluviais quanto nas zonas de rochas Livros I e II do Código de Águas de 1934, como já foi fraturadas. Como corolário, os rios que drenam estes dito, nunca foram regulamentados e as leis especiais, terrenos têm regime de fluxo temporário, ou seja, previstas neste diploma legal, nunca foram, sequer, secam, praticamente, durante os períodos sem chuva promulgadas. nas respectivas bacias hidrográficas. Seguiu-se a promulgação da Constituição Federal Entretanto, deve-se considerar que o problema de 1988 que modificou em vários aspectos, o texto do hidrológico verdadeiro do Nordeste semi-árido não é Código de Águas de 1934. Uma das alterações feitas foi a que chove pouco – entre 400 e 800 mm/ano - mas que extinção do domínio privado da água, previsto em alguns evapora muito – entre 1.000 e 3.000 mm/ano. Por sua casos naquele antigo diploma legal. Todos os corpos vez, não há condições de recarga artificial de aqüíferos d’água, a partir de outubro de 1988, passaram a ser de na área, seja para proteger as águas da evaporação domínio público: (i) o domínio da União - para os rios intensa que ocorre na região, seja da poluição que é ou lagos que banhem mais de uma unidade federada, engendrada pelo lançamento dos esgotos domésticos ou que sirvam de fronteira entre essas unidades, ou não tratados nos rios secos, principalmente. entre o território do Brasil e o de um país vizinho ou Todavia, os rios que drenam mais de 90% do deste provenham ou para o mesmo se estendam; e (ii) o território nacional são perenes, ou seja, nunca secam. domínio das unidades da federação (Estados ou Distrito Certamente, a visão de rios que nunca secam formou a Federal) - para as águas superficiais ou subterrâneas, idéia de abundância de água no Brasil, o que dá suporte fluentes, emergentes e em depósito, ressalvadas, neste à baixa eficiência no seu fornecimento nas cidades, caso, as decorrentes de obras da União. onde os índices de perdas totais – vazamento físico de A Lei Federal No 9.433/97 estabeleceu a Política água nas redes de distribuição e perdas de faturamento Nacional de Recursos Hídricos e instituiu o Sistema devido aos roubos de água e tráfico de influência - variam Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. Mais entre cerca de 40% e mais de 70%. Na agricultura, os recentemente, foi promulgada a Lei Federal No 9.984/00 desperdícios são também muito grandes, à medida que criando a Agência Nacional de Águas – ANA, a quem sobre cerca de 93% dos perto de três milhões de hectares cabe a implementação da Política Nacional de Recursos irrigados, os métodos utilizados são os menos eficientes Hídricos, cuja formulação ficará na alçada da Secretaria do mundo, tais como o espalhamento superficial (56%), de Recursos Hídricos, esta última integrante do Núcleo a aspersão convencional (19%) e o pivô central (18%). Estratégico do Ministério do Meio Ambiente – MMA. Entretanto, o crescente número de casos positivos nos países mais desenvolvidos, principalmente, mostra que o uso cada vez mais eficiente da gota d’água disponível 1.2.9 potenciais de Águas Subterrâ- é a solução mais barata aos problemas engendrados neas no brasil pela escassez local e ocasional de água. Desde a promulgação da Carta Magna de 1988, Atualmente, no complexo quadro geológico do Brasil pelo menos, o Brasil vem se destacando no cenário (climático, litológico, tectônico e estrutural), pode-se internacional pelo seu pioneirismo em reformar o identificar diferentes domínios onde as condições de arcabouço legal tradicional, definido pelo Código de estocagem (porosidade), de fluxo (permeabilidade) e de Águas de 1934, e introduzir no seu cotidiano as formas recarga natural (infiltração das chuvas) são relativamente mais modernas de gestão da gota d’água disponível similares. Aspectos detalhados sobre este tema são por bacia hidrográfica. Lamentavelmente, um dos apresentados no capítulo 1.3. No caso dos domínios grandes desafios que se enfrenta continua sendo aqüíferos de porosidade/permeabilidade intersticial modificar a idéia, historicamente formada, de que um primária, têm-se dois tipos principais: sedimentos dos usos mais nobres da água dos rios é o hidrelétrico, aluviais e dunas e as rochas sedimentares. fato que deu suporte à regulamentação do Livro III do Nos depósitos aluviais e dunas, os aqüíferos são, Código de Águas de 1934, enquanto os seus Livros I fundamentalmente, do tipo livre, freáticos ou rasos e e II nunca foram, sequer, regulamentados. muito vulneráveis. As condições de uso e ocupação Por sua vez, o setor de recursos hídricos no Brasil do meio físico afetam, fundamentalmente, a qualidade continua com a idéia tradicional, historicamente de suas águas, extraídas por meio de poços tubulares adquirida, de que a única solução aos problemas locais rasos (3, 5, 10 m, por exemplo), cravados ou perfurados, e ocasionais de escassez de água para abastecimento e poços amazonas ou cacimbões. humano ou para irrigação, seja aumentar sua oferta Nas bacias sedimentares, os depósitos constituem mediante a construção de obras extraordinárias. Regra camadas ou corpos rochosos, relativamente extensos e geral, pouco ou nada se fala da necessidade do seu mais ou menos consolidados. Os aqüíferos dominantes uso ser cada vez mais eficiente, tanto nas cidades, nestas áreas são do tipo confinado, os quais são quanto na agricultura, principalmente. captados, atualmente, por poços tubulares profundos 23 Cap_1.2_FFI.indd 11 9/12/2008 20:47:11 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea (100, 200, 500, chegando até 3.000 m), os quais podem No extenso domínio de rochas do embasamento ser jorrantes. As águas destes aqüíferos apresentam-se geológico, de idade pré-cambriana, tem-se dois relativamente protegidas contra os agentes de poluição contextos hidrogeológicos bem diferentes: doméstica, industrial e agrícola com uso intensivo de a) nos 600.000 km2 de terrenos cristalinos ou insumos químicos modernos, seja pela ocorrência de similares de idade pré-cambriana, as características camadas menos permeáveis, confinantes, seja pela de porosidade/permeabilidade dominantes são do filtração e reações bio-geo-químicas que ocorrem tipo fissural. As possibilidades mais promissoras de na camada não saturada. Como corolário, as águas acumulação de água subterrânea ficam restritas às subterrâneas dos aqüíferos confinados são, regra zonas de rochas fraturadas e às manchas aluviais que geral, de boa qualidade para consumo doméstico, se formam ao longo dos principais rios que drenam industrial e irrigação. as áreas de ocorrência dessas rochas. No Nordeste Nas bacias sedimentares têm-se os maiores semi-árido do Brasil, as chuvas médias normais variam potenciais de água subterrânea do Brasil, seja em entre 400 e 800 mm/ano, mas são muito irregulares, termos de reservas, seja em termos de recarga, caindo numa semana o que deveria chover num mês resultando que a maior parte dos rios que drenam e num mês, o que normalmente ocorre no período essas áreas são perenes. Os depósitos sedimentares chuvoso de 4 a 5 meses. Por outro lado, as taxas formam, normalmente, uma sequência alternada de de evaporação média normal variam entre mais de camadas arenosas e argilosas/siltosas, redundando em 1.000 e 3.000 mm/ano. Desta forma, o correto, em sistemas aqüíferos, na maior parte, do tipo confinado. termos médios hidrológicos, não é dizer que chove Em geral, nas bacias sedimentares existem: pouco no Nordeste semi-árido do Brasil, mas que (a) aqüíferos (do latim, aqua=água + feros=levar) evapora muito. Estas condições climáticas impedem - camadas de arenitos cujos coeficientes de o desenvolvimento de mantos de imtemperismo porosidade efetiva, η (variando entre 1 e 15%) e significativos (na verdade, em geral, não passam de e de condutividade hidráulica, K (variando entre 10-2 alguns metros) e os poços captam diretamente a água e 10-5 m/s) são, comparativamente, os maiores na acumulada nas descontinuidades existentes na própria região em apreço. Como resultado, os volumes de rocha, tendo, portanto, baixas produtividades. Pode- água subterrânea estocados e que circulam nestes se afirmar, então, que o uso cada vez mais eficiente aqüíferos são, comparativamente, os maiores do da gota d’água disponível nesta região torna-se uma prática de fundamental importância para se alcançar Brasil (Rebouças, 1988). condições de desenvolvimento sustentado; (b ) aqü i ta rdos (do l a t im , aqua=água + b) uma outra situação se estabelece sob condições tardare=retardar) - corpos rochosos formados por de clima tropical úmido, com média pluviométrica seqüências alternadas de siltes/siltitos ou por misturas entre mais de 800 mm/ano a mais de 3.000 mm/ano em proporções variadas de argilas, siltes/siltitos e e temperaturas relativamente elevadas todo o ano. arenitos finos. Desta forma, os interstícios entre os Nestas circunstâncias, os processos químicos de grãos são parcialmente ocupados por partículas alteração das rochas são predominantes e intensos. minerais menores, resultando numa sensível redução Assim, tem-se um manto de rochas alteradas com do coeficiente de porosidade efetiva, ηe (variando espessuras de até 150 metros (média de 50 m) que entre 0,5 e 5%) e da condutividade hidráulica, K cobre perto de quatro milhões de km2 do território (variando entre 10-6 e 10-8 m/s). Assim, os volumes brasileiro. Neste quadro, os valores de porosidade de água subterrânea estocada nestas camadas são, e permeabilidade do tipo intersticial do manto de comparativamente, menores e os seus fluxos mais rochas alteradas aumentam, gradativamente, com lentos ou tardios. Entretanto, local e ocasionalmente, as a profundidade, apresentando valores de η entre camadas arenosas intercaladas se comportam como e5 e 15% e de K entre 10-4 e 10-5 m/s no contato com aqüíferos relativamente promissores, proporcionando a rocha sã (Rebouças, op.cit.). As características vazões suficientes para abastecimento doméstico e de porosidade/permeabilidade dominantes do tipo industrial (Rebouças, op.cit.). intersticial no manto de alteração evoluem para o tipo (c) aqüicludes (aqua=água + claudere = aprisionar) fissural em profundidades de até 250 metros. As taxas - rochas sedimentares submetidas a intensos de recarga anual das águas subterrâneas acumuladas processos de compactação/cimentação ou processos no manto de alteração, são suficientemente importantes diagenéticos, cuja porosidade total (η) poderá ser para alimentar o escoamento básico dos seus rios muito elevada nas argilas (variando entre 34 e 60%), durante os períodos sem chuvas. mas com porosidade efetiva muito baixa (ηe variando Finalmente, tem-se a província cárstica, a qual entre 1 e 0,5%) e condutividade hidráulica, também, corresponde aos domínios geológicos de ocorrência das muito baixa (K variando entre 10-7 e 10-11 m/s), de rochas calcárias, cujas características de porosidade/ tal forma que o volume de água que flui sob a ação permeabilidade intersticial ou fissural, foram, local e do gradiente hidráulico natural é praticamente nulo ocasionalmente, ampliadas por processos de dissolução (Rebouças, op.cit.). da rocha pela água meteórica que infiltra. 24 Cap_1.2_FFI.indd 12 18/12/2008 09:11:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Aspectos mais detalhados sobre a ocorrência estão nas bacias sedimentares. Os dados da tabela e fluxo da água subterrânea em rochas cristalinas 1.2.2 mostram as reservas de água subterrânea dos pré-cambrianas são apresentados e discutidos nos principais contextos hidrogeológicos do Brasil. Pode-se capítulos 3.1, 3.2 e 6.5, enquanto que a hidrogeologia verificar que nos 600.000 km2 do domínio semi-árido dos meios cársticos é apresentada no capítulo 3.3. de rochas de idade pré-cambriana do Nordeste, tem- 3 Como resultados das interações do quadro geológico se cerca de 80 km de água armazenada, e algo em 3 2 complexo e muito antigo, com chuvas abundantes sobre torno de 10.000 km nos quase 4.000.000 km de a maior parte do território, as taxas de recarga das águas rochas cristalinas e metamórficas do embasamento pré-cambriano, coberto por um manto de rochas subterrâneas suportam uma densa rede hidrográfica alteradas de espessura média de 50 metros. Por formada por rios perenes. A extração de apenas 25% sua vez, as vazões mais freqüentes obtidas pelos das taxas de recarga do manancial subterrâneo já poços já perfurados variam entre menos de 1 m3/h representaria uma oferta de água de boa qualidade da nas rochas fraturadas praticamente impermeáveis do ordem de 4.000 m3/hab/ano. embasamento geológico de idade pré-cambriana do A reserva total de água subterrânea no Brasil é Nordeste semi-árido, até mais de 1.000 m3/h nas bacias da ordem de 112.000 km3, sendo que cerca de 90% sedimentares sob condições de clima úmido. 2 Sistema aqüífero reservas Interv. Vazão domínio aqüífero Área (km ) principal (km3) poço (m3/h) Substrato aflorante 600.000 Zonas fraturadas (PT) 80 <1-5 Manto rocha alterada e/ou Substrato alterado 4.000.000 10.000 5 - 10 fraturas (PT) Bacia sedimentar G. Barreiras (TQb) 1.300.000 32.500 10 - 400 do Amazonas F. Alter do Chão. (K) Bacia sedimentar F. São Luís (TQ) 50.000 250 10 - 150 São Luís - Barreirinhas F. Itapecuru (Ki) F. Itapecuru (Ki) F. Cordas-Grajaú (Jc) Bacia sedimentar F. Motuca (PTRm) do Parnaíba (Piauí - 700.000 17.500 10 – 1000 F. Poti-Piauí (Cpi) Maranhão F. Cabeças (Dc) F. Serra Grande (Sdsg) G. Barreiras (TQb) Bacia sedimentar 23.000 F. Calc. Jandaíra (Kj) 230 5 - 550 Potiguar - Recife F. Açu-Beberibe (Ka) Bacia sedimentar G. Barreiras (TQb) 10.000 100 10 - 350 Alagoas - Sergipe F. Marituba (Km) Bacia sedimentar F. Marizal (Kmz) Tucano - Recôncavo - 56.000 F. S. Sebastião (Kss) 840 10 - 500 Jatobá F. Tacaratu (SDt) G. Bauru-Caiuá (Kb) Bacia sedimentar F. Serra Geral (Jksg) do Paraná (área do 1.000.000 F. Botucatu-Piramboia-Rio do 50.400 10 - 700 Brasil) Rasto (Pr/TRp/Jb) F. Furnas/Aquidauana (D/PCa) Depósitos diversos 773.000 Aluviões, dunas (Q) 411 2 - 40 totais 8.512.000 ≈ 112.000 tabela 1.2.2 - Reservas de água subterrânea no Brasil e intervalos mais freqüentes das vazões dos poços (adaptado de Rebouças, 1988; 1999). 25 Cap_1.2_FFI.indd 13 9/12/2008 20:47:12 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea Entretanto, tendo em vista o nível generalizado No contexto de rochas cristalinas com espesso manto destas estimativas, é de fundamental importância de alteração, as capacidades específicas variam entre realizar estudos básicos nos diferentes contextos 1 e 5 m3/h.m-1, ou seja, as vazões explotáveis com hidrogeológicos do Brasil, em escalas compatíveis até 50 metros de rebaixamento do NE do respectivo com as complexidades e magnitudes dos problemas poço, durante 16 horas/dia de bombeamento, seriam a solucionar, além de implantar um programa de suficientes para abastecer contingentes médios de até monitoramento de água subterrânea e constituir bancos de dados hidrogeológicos básicos, os quais 10 mil habitantes. devem ser alimentados de forma permanente. De Apenas no domínio de rochas cristalinas do outra forma, os bancos de dados se transformam, Nordeste semi-árido, as capacidades específicas são rapidamente, em “bando de dados”. No Brasil, os inferiores a 1 m3/h.m-1. Todavia, a produção de 0,5 m3/h, potenciais hidrogeológicos referidos em termos com rebaixamento do nível estático no poço (NE) de de capacidade específica [L3T-1 . m-1], ou seja, a 20 metros e operando 16 horas por dia, daria para vazão (Q) que é obtida de cada poço por metro de abastecer contingentes de até 1.500 pessoas com uma rebaixamento (m-1) do respectivo nível d’água são taxa per capita de 100 L/dia. apresentados na figura 1.2.6. A barragem subterrânea é uma outra forma viável Verifica-se, assim, que as potencialidades de água de uso e conservação da água que flui pelas manchas subterrânea no território nacional são muito variadas. aluviais do Nordeste semi-árido. Desta forma, a água que Nos domínios mais promissores, as capacidades flui através das aluviões dos rios praticamente secos, é específicas dos poços variam entre 5 e 10 e superiores a 10 m3/h.m-1. Nestas áreas, tem-se a possibilidade de protegida contra os processos de salinização engendrados obtenção de vazões por poço entre 250 e mais de 500 pela evaporação intensa. Contudo, tal como um “garrote” m3/h, com o rebaixamento de 50 metros do respectivo que se aplica num braço ou perna para controlar uma nível estático (NE). Desta forma, o volume produzido hemorragia, a barragem subterrânea precisa ser operada, por poço, durante16 horas de operação por dia, seria evitando-se, assim, a degradação do binômio solo/água, suficiente para abastecer entre 20 mil e mais de 50 mil tanto por excesso de acumulação no setor de montante, pessoas com uma taxa per capita de 200 L/dia. quanto por deficiência de drenagem à jusante. Figura 1.2.6 - Potenciais de Água Subterrânea do Brasil (modificado de Rebouças, 1978; 1988; 1999). 26 Cap_1.2_FFI.indd 14 9/12/2008 20:47:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 1.2.10 considerações Finais CAVALCANTE, I. N. Fundamentos hidrogeológicos para gestão integrada de recursos hídricos da Ainda há muito por fazer, mas, ao olhar-se para região metropolitana de Fortaleza - ce. 1998. 164 trás, pode-se ver o incrível avanço já feito desde que p. Tese (Doutorado em Recursos Minerais e Hidro- o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos geologia) - Instituto de Geociências, Universidade de Hídricos começou a ser implantado no Brasil, em São Paulo, São Paulo, 1998. particular, a partir da Constituição de 1988 e Lei Federal No 9.433/97. COSTA, W. D. Legislação de águas subterrâneas e Muito embora a lógica das empreiteiras, dos gerenciamento de aqüíferos. In: ENCONTRO NACIO- tomadores de decisão, dos políticos e corporações NAL DE PERFURADORES DE POÇOS, 12; SIMPÓ- técnicas ainda continue sendo que a única solução aos SIO DE HIDROGEOLOGIA DO NORDESTE, 4., 2001, problemas de escassez local e ocasional de água é Olinda, [Recife] anais... ABAS Núcleo PE, 2001. p. aumentar sua oferta, a percepção sobre a necessidade 77-82. de se utilizar e proteger a qualidade das águas CRUZ, W. B. da; MELO, F. de A. F. de. estudo geo- subterrâneas de forma cada vez mais eficiente parece químico preliminar das águas subterrâneas do que foi adquirida. De tal forma as águas subterrâneas nordeste do brasil. Recife: Sudene, 1968. 147 p. se tornaram importantes, que já ninguém se atreve (Série Brasil. Sudene. Hidrogeologia, 19). omitir a sua existência nos planos e projetos de uso, como fator competitivo de mercado. CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subter- ránea 2. ed. [Barcelona]: Omega, 1983. 2 v. referências DEPARTAMENTO DE ÁGUAS E ENERGIA ELÉTRICA DO ESTADO DE SÃO PAULO. balanço hídrico do es- ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ÁGUAS SUBTER- tado de São paulo, São Paulo, n. 12, 1987. p. 18-27. RÂNEAS - ABAS. caderno técnico no 2: coletânea DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ, F. W. physical and da legislação e regulamentação sobre o uso e pre- chemical Hydrogeology. New York: John Wiley & servação das águas subterrâneas no estado de São Sons, 1997. Paulo. São Paulo: ABAS, 1992. 66 p. FEITOSA E. C. et al. o aqüífero cabeças no Vale BERNER, E. K.; BERNER, R. A. the global water do gurguéia: atualização dos conhecimentos. Recife: cycle: geochemistry and environment. New Jersey: Labhid-UFPE/ DNOCS, 1990. v. 1, 204 p. Relatório Prentice Hall, 1987. 397 p. Inédito. BOUWER, H. groundwater hydrology. Tokyo: GLEIK, P. H. (Ed.). Water in crisis: a guide to the McGraw Hill, 1978. 480 p. (Water resources and world’s fresh water resources. Oxford: Oxford Press, environmental engineering). 1993. 476 p. BRAGA, B.; ROCHA, O.; TUNDISI, J. G. Dams and the environment: the brazilian experience. Water HASSUDA, S. critérios para a gestão de áreas resources development, Dublin, v. 14, n. 2, p. 127- suspeitas ou contaminadas por resíduos sólidos: 140, 1998. estudo de caso na região metropolitana de São Pau- lo. 1997. 142 f. Tese (Doutorado) - Instituto de Geoci- BRASIL. Departamento Nacional da Produção ências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1997. Mineral. mapa Hidrogeológico do brasil. Relatório Final. Recife: DNPM/CPRM, 1981. v.1 e 2. Escala HIRATA, R. Fundamentos e estratégias de pro- 1:2.500.000: teção e controle da qualidade das águas sub- terrâneas: estudo de casos no estado de São BRASIL. Superintendência de Desenvolvimento do Paulo.1994. 195 f. Tese (Doutorado) - Instituto de Nordeste. plano de aproveitamento Integrado dos Geociências, Universidade de São Paulo, São Pau- recursos Hídricos do nordeste do brasil: fase lo, 1994. I – Recursos Hídricos I – Águas subterrâneas. Recife, 1980. (Recursos Hídricos I : águas subterrâneas, v. 7). HIRATA, R.; BASTOS, C. R.; ROCHA, G. A. mapea- mento de vulnerabilidade e risco de poluição das COSTA, W. D. Gerenciamento de recursos hídricos águas subterrâneas no estado de São paulo. São subterrâneos. In: WORKSHOP SOBRE GERENCIA- Paulo: IG; CETESB; DAEE, 1997. 2 v. MENTO DE RECURSOS HÍDRICOS, 1995, Salvador. [Trabalhos apresentados]. Salvador, 1995. 13 p. BRASIL. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística censo demográfico: Brasil, 2000. Rio de Janeiro: CUNHA, J. E. M.; NEGRÃO, F. I.; SANTOS, P. R. P. IBGE, 2000. Panorama atual das águas subterrâneas no Estado da Bahia. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS ______. Sinopse do censo demográfico: pesquisa SUBTERRÂNEAS, 4., 1986, Brasília. anais... Brasília: nacional de saneamento básico. Rio de Janeiro, ABAS/DNAEE/DNPM, 1986. p. 80-95. 1991. 94 p. 27 Cap_1.2_FFI.indd 15 9/12/2008 20:47:12 Capítulo 1.2 - Importância da Água Subterrânea IRITANI, M. A. modelação matemática tridimensional CONGRESSO BRASILEIRO ÁGUAS SUBTERRÂNE- para a proteção das captações de água subter- AS, 8., 1994, Recife. anais... Recife: ABAS, 1994. p. rânea. 1998. 199 f. Tese (Doutorado) - Instituto de 131-134. Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, ______. Advances in Ground Water. In: drILLIng 1998. techniques and design methods. Paris: Well; JOHNSTON, R. H. Sources of water supplying pump- UNESCO/IAH, 1995. chap. 7. age from regional aquifer systems of the United States. Hydrogeology Journal, Hannover, v. 5, n. 2, ______. Diagnóstico do Setor Hidrogeologia. cader- p. 54-63, 1997. no técnico, São Paulo, n. 3, 1996. LANCIA, C. A.; CAETANO, L. C.; ARAGÃO, J. Água ______. Água na Região Nordeste: desperdício e mineral do brasil: retrato histórico da indústria escassez. revista Instituto de estudos avançados, engarrafadora. Rio de Janeiro: DNPM; São Paulo: São Paulo, v. 11, n. 29, p. 127-154, 1997. ABINAM, [1997?]. 109 p. ______. Águas Subterrâneas. In: REBOUÇAS, A. C.; KEGEL, W. Água subterrânea no Piauí. boletim BRAGA, B.; TUNDISI, J. G. (Org. e Coord.). Águas dnpm. divisão de geologia e mineralogia, Rio de doces no brasil: capital ecológico, uso e conser- Janeiro, n,156, 1955. vação. São Paulo: Ed. Escrituras, 1999, cap. 4, p. 117-150. KING, F. H. observations and experiments on the fluctuations in level and the rate of movement of ______. Potencialidades dos aqüíferos do nordeste groundwater on the Wisconsin agricultural. [S.l.: do Brasil. In: ENCONTRO NACIONAL DE PERFURA- s.n.], 1892. DORES DE POÇOS, 12; SIMPÓSIO DE HIDROGE- OLOGIA DO NORDESTE, 4., 2001, Olinda, [Recife] MEINZER, O. E. The occurrence of ground water in anais... ABAS Núcleo PE, 2001, p. 53-66. the United States. u.S. geological Survey. Water Supply paper, Washington, n. 489, 1920. 321 p. REBOUÇAS, A. C.; BRAGA, B.; TUNDISI, J. G. (Org. e Coord.). Águas doces no brasil: capital ecológico, MELLO, J. G. Impactos do desenvolvimento urba- uso e conservação. São Paulo: Ed. Escrituras, 1999. no nas águas subterrâneas de natal, rn. 1995. 717 p. 220 f. Tese (Doutorado) - Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1995. REBOUÇAS, A. C. et al. Diagnóstico Hidrogeológico da RMSP: uso e proteção. In: CONGRESSO BRA- ORGANIZATION FOR ECONOMIC CO-OPERATION SILEIRO ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 8., 1994, Recife. AND DEVELOPMENT. Water ressources manage- anais... Recife: ABAS, 1994. p. 93-102. ment-integrated policies. Paris, 1989. 199_p. REBOUÇAS, A. C.; MARINHO, M. E. Hidrologia das PACHECO, A. análise das características técnicas secas: contribuição ao I SEMINÁRIO INTERNACIO- de poços e da legislação para uso e proteção das NAL SOBRE SECAS, Lima, Peru. Recife : Sudene, águas subterrâneas em meio urbano (município 1970. 130 p. (Hidrogeologia, 40). de São paulo). 1984. 145 f. Tese (Doutorado) - Insti- tuo de Geociências, Universidade de São Paulo, São SANTOS, A. C. estratégias de uso e proteção das Paulo, 1984. águas subterrâneas na região metropolitana de recife – pe. 2000. 230 f. Tese (Doutorado) - Instituto PARISSOT, E. as águas subterrâneas no centro- Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, oeste do município de São paulo: características 2000. hidrogeológicas e químicas. 1983. 120 f. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Geociências, Universidade SANTIAGO, M. M. F. mecanismo de salinização de São Paulo, São Paulo, 1983. em região semi-árida - estudo dos açudes pentecostes, pereira de miranda e caxitoré no REBOUÇAS, A. C. Le problème de l’eau dans la ceará. 1984. 152p. Tese (Doutorado) - Instituto zone semi-aride du brésil : evaluation des ressour- Geociências, Universidade de São Paulo, São Pau- ces, orientation pour la mise en valeur. 1973. 285 f. lo, 1984. Thèse (Doctorat d’État) - Université de Strasbourg, Strasbourg, France, 1973. SUPERINTENDÊNCIA DE DESENVOLVIMENTO DO NORDESTE. plano Integrado de recursos Hídricos ______. ação programada de recursos hídricos: do nordeste. [Recife], 1980. v. 4, 152 p. águas subterrâneas. Brasília: SEPLAN; CNPq, 1978. p. 105-129. THEIS, C. V. The relation between the lowering of the piezometric surface and rate and duration of dis- ______. Ground water in Brazil. episodes, Canadá, v. charge of a well using groundwater storage. trans. 11, n. 3, p. 209-214, 1988. amer. geophysics union, USA, v. 2, p. 519-524, ______. Gestão sustentável de grandes aqüíferos. In: 1935. 28 Cap_1.2_FFI.indd 16 9/12/2008 20:47:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações TUNDISI, J. G.; BRAGA, B.; REBOUÇAS, A. C. Water for sustainable development: the brazilian perspec- tive. Rio de Janeiro: Academia Brasileira de Ciências, 2000. p. 235-246 (Transition to Global Sustainability: the contribution of Brazilian Science). UOP - JOHNSON DIVISION. ground Water and Wells. St. Paul, MN, 1972. 482p. WALTON, W.; HILLS, D. L.; GRUNDEEN, G. M. re- charge from induced streambed infiltration under varying ground-water level and stream conditions. [S.l.]: Minn. Water Resources Center. 1967. Bulletin 16. WALTON, W. groundwater resource evaluation. New York: McGraw Hill, 1970. 664p. WARMING, G. A. Suprimento de água no nordeste do brasil. 2. ed. [S.l]: DNOCS; Insp. Fisc. Obras Contra as Secas, 1954. Boletim 6. 29 Cap_1.2_FFI.indd 17 9/12/2008 20:47:13 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 1.3 A ÁgUA SUBterrâneA no BrASIl Albert Mente 1.3.1 Introdução Observa-se, através dessas duas figuras, a concentração das informações hidrogeológicas na metade oriental do país, o que está de acordo com Neste capítulo, apresenta-se uma visão das o quadro de ocupação do território nacional por seus p r i n c i p a i s o c o r r ê n c i a s d e á g u a habitantes. A metade ocidental – regiões Centro-subterrânea no Brasil. Esta visão baseia- Oeste e Norte – é praticamente desprovida de dados se, principalmente, no conhecimento adquirido durante hidrogeológicos. a elaboração dos Mapas Hidrogeológicos do Brasil, escala 1/2.500.000 (1981) e 1/5.000.000 (1983), com algumas adições de conhecimento mais recente. Metodologia Inicia-se com uma descrição referente à elaboração e princípios fundamentais do Mapa Hidrogeológico do Fundamentalmente, utilizou-se como metodologia Brasil, 1/5.000.000, 1983. Em seguida, descrevem-se para elaboração da legenda, a caracterização, em as Províncias Hidrogeológicas do Brasil, seus conceitos termos hidrogeológicos, das grandes unidades básicos e, principalmente, as principais ocorrências de geológicas do país, classificando-as de acordo com águas subterrâneas contidas nessas províncias e, por sua importância relativa como aqüífero no âmbito extensão, no Brasil. do território nacional. A base geológica utilizada para a sistematização hidrogeológica foi o Mapa 1.3.2 Mapa Hidrogeológico do Brasil Geológico do Brasil (versão preliminar), escala 1:2.500.000 (DNPM/CPRM, 1979). A descrição sobre a água subterrânea no Brasil Essa importância relativa das rochas como é baseada, principalmente, nos resultados obtidos aqüíferos foi definida através de suas propriedades na elaboração do Mapa Hidrogeológico do Brasil, na intrínsecas (porosidade e permeabilidade), condições escala 1:2.500.000, de janeiro/79 a março/81 (Mente de ocorrência (extensão, espessura e estrutura) e & Mont’Alverne, 1981) e 1:5.000.000, durante o ano de explotabilidade (fácil, regular, difícil). Assim sendo, o 1982. Apenas o último foi publicado pelo DNPM em conjunto das grandes unidades geológicas do Brasil 1983 (BRASIL, DNPM / CPRM, 1983). foi enquadrado em 11 (onze) classes principais de terrenos hidrogeológicos, da seguinte forma: Dados Disponíveis Utilizados • sedimentos clásticos não consolidados, com importância hidrogeológica relativa alta; A confecção dos mapas hidrogeológicos supracitados foi baseada na análise dos resultados • sedimentos clásticos consolidados, com importância de aproximadamente 20.000 poços tubulares, cuja hidrogeológica relativa alta; distribuição é apresentada na figura 1.3.1. • sedimentos clásticos não consolidados e Os diferentes graus de investigação hidrogeológica no consolidados, com importância hidrogeológica Brasil, válidos para a década de 80, são apresentados na relativa média; figura 1.3.2. Indicam-se os graus de reconhecimento, geral e de detalhe, em ordem crescente de conhecimento, além • sedimentos clásticos não consolidados e das áreas com coberturas de mapas hidrogeológicos. consolidados, com importância hidrogeológica Avaliando-se o mesmo quadro para a década relativa baixa; de 90 (e até os dias atuais), constata-se que as • rochas básicas e intrusivas associadas, com áreas de cobertura de mapas hidrogeológicos não importância hidrogeológica relativa média a baixa; aumentaram substancialmente, porém, com relação ao conhecimento hidrogeológico nacional, houve certo • rochas metaclásticas e/ou carbonáticas, com progresso no grau geral e no de detalhe. importância hidrogeológica relativa média a baixa; 31 Cap_1.3_FFI.indd 1 9/12/2008 20:51:02 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil Figura 1.3.1 - Distribuição dos poços utilizados no Mapa Hidrogeológico do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/ CPRM, 1983). Figura 1.3.2 - Graus de investigação hidrogeológica do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/CPRM, 1983). • rochas carbonáticas, com importância hidrogeoló- As 11 (onze) principais classes de terrenos gica relativa média a baixa; hidrogeológicos do país foram distribuídas em • rochas metamórficas (exceto as do Nordeste), com três grandes grupos ou domínios fundamentais de importância hidrogeológica relativa baixa; ocorrência de águas subterrâneas: • sedimentos clásticos não consolidados e conso- • rochas p orosas, com importância hidrogeológica lidados, com importância hidrogeológica relativa muito baixa; alta a baixa; • rochas metamórficas do Nordeste, com importância • rochas fraturadas, com importância hidrogeológica hidrogeológica relativa muito baixa; e relativa média a baixa; e • rochas intrusivas e efusivas associadas, com impor- • rochas porosas ou fraturadas, com importância tância hidrogeológica relativa muito baixa. hidrogeológica relativa muito baixa. 32 Cap_1.3_FFI.indd 2 9/12/2008 20:51:09 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Esses três grupos fundamentais de ocorrência com o intuito de proporcionar uma visão geral da de águas subterrâneas correspondem, em princípio, influência que cada um deles exerce na definição das a outros grupos classif icatórios existentes e condições hidrogeológicas do país, retratadas no Mapa internacionalmente conhecidos: Hidrogeológico do Brasil. • formações permeáveis, com permeabilidades primárias, constituídas de sedimentos não conso- Fundamentos geológicos lidados a consolidados; Sendo a geologia um elemento fundamental de qualquer mapa hidrogeológico, apresenta-se, a seguir, • formações permeáveis, com permeabilidades uma definição sumária da geologia do Brasil, com o secundárias, constituídas de rochas compactas duplo propósito de fornecer alguns elementos básicos fraturadas; que facilitem uma melhor compreensão dos conceitos • formações impermeáveis, constituídas de sedimen- hidrogeológicos do mapa e de dar uma visão geológica tos e rochas compactas fissuradas. geral do país aos menos familiarizados com o assunto. O território brasileiro é formado, em sua maior parte A classificação qualitativa, acima descrita, (mais de 50%), de rochas metamórficas e eruptivas, possibilitou a representação cartográfica das quase todas de idade pré-cambriana. Estas rochas, grandes unidades hidrogeológicas do país, de que cobrem uma área aproximada de 4,6 milhões de forma sistemática (Mente, et al., 1980) e constituiu quilômetros quadrados, constituem o embasamento o primeiro ponto relevante na elaboração do mapa que faz parte integrante da plataforma sul-americana. hidrogeológico. O embasamento é subdividido em grandes escudos: Um segundo ponto importante na metodologia o das Guianas, no norte; o Escudo Brasil Central, no adotada foi a análise dessas unidades, com base interior do país, ao sul do rio Amazonas; e o Escudo em estudos pontuais, locais e regionais, utilizando-se Atlântico, situado na borda atlântica. o acervo de dados técnicos disponíveis, referentes Distinguem-se as coberturas do embasamento, das aos poços tubulares, com o apoio do sistema quais as maiores correspondem às grandes bacias de computação eletrônica (Leal et al., 1980). O sedimentares do Amazonas, Parnaíba e Paraná, cujas resultado foi apresentado através dos conceitos de formações se deram a partir do Siluriano Inferior. Outras Produtividade de Aqüífero (muito elevada, elevada, coberturas, de extensão menor e de várias idades, elevada a média, média a fraca e muito fraca), Poços espalham-se pelo embasamento. representativos do Aqüífero e Poço Individual, que Tendo em vista a natureza do embasamento e constituem elementos-base (símbolos) do mapa. suas coberturas, foram distinguidas as províncias Um terceiro ponto de relevância, talvez o mais estruturais brasileiras, apresentadas na figura 1.3.3 importante, foi a introdução do conceito de Província (Almeida et al., 1977). Uma melhor caracterização Hidrogeológica, como meio de sistematização e das três grandes bacias sedimentares, representadas localização das grandes unidades hidrogeológicas também como províncias estruturais, pode ser obtida existentes no país, representando um elemento- através da figura 1.3.4. As províncias, acima citadas, chave para o fácil manuseio e compreensão do mapa podem ser agrupadas de modo a permitir visualizar hidrogeológico (Pessoa et al., 1980). claramente as sucessivas etapas da evolução tectônica Foi considerado uma província hidrogeológica estrutural do Brasil (tabela 1.3.1). como sendo uma região caracterizada pela similitude Uma visão generalizada das condições geológicas geral do modo de ocorrência das águas subterrâneas do Brasil pode ser obtida através da figura 1.3.5, principais. Vale ressaltar que destacam-se os fatores que apresenta o conjunto do embasamento e as geológicos e fisiográficos entre os elementos que coberturas paleozóicas, mesozóicas e cenozóicas. contribuem mais para essa definição, embora outros As suas feições correspondem àquelas constantes fatores tenham sido considerados. O conceito de da base geológica acima mencionada (DNPM/ província hidrogeológica, conforme acima descrito, CPRM, 1979). Nota-se que as coberturas de idade será abordado com detalhes mais adiante. arquenana a proterozóica superior, tais como as pertencentes aos escudos São Francisco, Tapajós e das Guianas (por exemplo: pEbf = Beneficente; pEcp geologia, Aspectos Climáticos e Fisiográficos = Chapada Diamantina etc.), não foram destacadas nessa figura. Geologia, morfologia, clima, hidrologia, vegetação e solos constituem fatores que, em conjunto, determinam Aspectos Climáticos e Fisiográficos a ocorrência de água subterrânea de uma região. A geologia, como fator de destaque na determinação da O Brasil, com uma superfície de 8.511.996,3 distribuição e importância das estruturas armazenadoras km², é um país tropical em sua maior parte, devido, de água subterrânea, será abordada em primeiro lugar. sobretudo, à sua situação geográfica, atravessado Os demais fatores serão tratados de modo sumário, pela linha do equador à altura da Amazônia e 33 Cap_1.3_FFI.indd 3 9/12/2008 20:51:09 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil passando o trópico de Capricórnio pela latitude da cidade de São Paulo. Portanto, quase todo o seu território encontra-se dentro da zona tropical ou tórrida, com exceção dos estados do Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Azevedo (1972) observou que essa tropicalidade manifesta-se: • na predominância dos climas quentes do tipo equatorial ou tropical; • na predominância, quanto aos regimes dos rios, do tipo fluvial, com suas enchentes no fim de verão e vazantes no inverno; • na presença de extensas áreas de florestas quentes e úmidas, como Hiléia Amazônica e a Mata Atlântica, e de formações como os campos, os serrados e as caatingas, que refletem condições climáticas mais rigorosas. Figura 1.3.3 - Províncias Estruturais do Brasil (modificado Além disso, o relevo é moderado, com altitudes de Almeida, 1977). máximas em torno de 3.000 metros e com médias altimétricas menores que 1.000 metros. Morfologia O território brasileiro é predominantemente constituído por rasas planícies flúvio-marinhas e planaltos de modestas altitudes, chegando a pouco mais de 3.000 metros o seu ponto mais elevado. Na tabela 1.3.2 representam-se as zonas hipsométricas e superfícies correspondentes, referidas à área do país (Guerra, 1972) e na figura 1.3.6 apresentam-se as principais unidades de relevo do Brasil. Clima No Brasil, em geral, são distinguidos os seguintes climas: equatorial, tropical, semi-árido e subtropical, os quais resultam da circulação geral do ar na zona dos alísios. Além destes tipos, observam-se variedades climáticas regionais, que resultam do traçado litorâneo Figura 1.3.4 - Bacias e Províncias do Amazonas, Parnaíba e das linhas do relevo (figura 1.3.7). O mapa de isoietas e Paraná (modificado de Almeida, 1977). médias anuais, incorporado como mapa de encarte no escudo das escudo do escudo Coberturas guianas Brasil Central Atlântico Crátons (consolidados a mais de 1.700 Rio Branco Tapajós São Francisco milhões de anos) Faixas de Dobramento Borborema (evoluídas entre 1.700 e 500 Tocantins Mantiqueira milhões de anos) Bacias (Sinéclises) Amazônica Parnaíba Paleozóicas Paraná Província Costeira e Bacias Mesocenozóicas Margem Oriental tabela 1.3.1 - Províncias estruturais brasileiras (adaptado de Almeida, 1977). 34 Cap_1.3_FFI.indd 4 9/12/2008 20:51:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 1.3.5 - Esboço Geológico do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/CPRM, 1981). Zonas Hipsométricas Superfície % em relação à Classe de relevo (m) (x 1.000 km²) Área do Brasil 0 - 100 2.050 24,1 Terras baixas 100 - 200 1.439 16,9 200 - 500 3.152 37,0 Planaltos e Serras 500 - 800 1.250 14,7 800 - 1.200 575 6,8 Áreas culminantes mais de 1.200 46 0,5 total do Brasil 8.512 100,0 tabela 1.3.2 - Classes de relevo e zonas hipsométricas do Brasil (Guerra, 1972). Mapa Hidrogeológico do Brasil (figura 1.3.8), mostra Elétrica - DNAEE, agrupa os cursos d’água brasileiros claramente a variedade pluviométrica apresentada nos em 8 bacias ou regiões hidrográficas (figura 1.3.9). Na diferentes tipos de clima que ocorrem no país. tabela 1.3.3 estão apresentadas as bacias hidrográficas e respectivas áreas de drenagem, referidas à superfície Hidrologia do território nacional. A rede hidrográfica brasileira, considerada no A tabela 1.3.4 mostra as vazões médias anuais e mapa hidrogeológico do Brasil, é formada por um as vazões específicas, para o período indicado, dos grande número de bacias de extensão e importância maiores rios de cada uma das bacias hidrográficas variadas. Com o objetivo de melhor agrupá-las, algumas descritas, nos pontos mais próximos às suas subdivisões já foram propostas no passado. Uma delas, desembocaduras e conforme representação no Mapa adotada pelo Departamento Nacional de Águas e Energia Hidrogeológico do Brasil. 35 Cap_1.3_FFI.indd 5 9/12/2008 20:51:19 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil Figura 1.3.6 - Principais unidades de relevo do Brasil (modificado de Azevedo, 1972). Figura 1.3.7 - Climas do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/ CPRM, 1981). 36 Cap_1.3_FFI.indd 6 9/12/2008 20:51:46 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 1.3.8 - Isoietas - médias anuais em mm, período: 1931-1960 (modificado de BRASIL. DNPM/ CPRM, 1983). Figura 1.3.9 - Bacias Hidrográficas do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/CPRM, 1981). 37 Cap_1.3_FFI.indd 7 9/12/2008 20:51:58 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil Área de % do Bacias ou regiões 1.3.3 Províncias Hidrogeológicas do Drenagem território Hidrográficas (x1.000 km²) nacional Brasil 1. Amazonas 3.904 45,86 Conceito de Província Hidrogeológica 2. Tocantins 803 9,43 3. Atlântico Norte-Nordeste 966 11,35 Uma Província Hidrogeológica é uma região de 4. São Francisco 632 7,42 características gerais semelhantes com relação 5. Atlântica Leste 569 6,69 às principais ocorrências de águas subterrâneas. 6. Paraná 1.236 14,53 (Tolman, 1937). Na classificação regional de águas 7. Uruguai 179 2,09 subterrâneas, utiliza-se, com freqüência, o conceito de província hidrogeológica para fins comparativos 8. Atlântica Sudeste 224 2,63 e descritivos, e com o objetivo de estabelecer as total do Brasil 8.512 100,00 prováveis características das grandes ocorrências de tabela 1.3.3 - Bacias Hidrográficas do Brasil (DNAEE). água subterrânea dessas províncias. Às vezes indicam- se, também, os métodos de aproveitamento das águas Vegetação e Solos subterrâneas, passíveis de serem utilizados com êxito Devido às suas dimensões, tipos climáticos e em toda a província. condições morfológicas, o Brasil apresenta uma Considerando que as principais ocorrências de cobertura vegetal variada, bem como um número águas subterrâneas numa região encontram-se, considerável de unidades de solos. Entre os grupos muitas vezes, à pouca profundidade da superfície, vegetais, nota-se a predominância de florestas e outras vezes, em profundidades maiores e, ainda, formações complexas (figura 1.3.10). em outras circunstâncias, tanto subsuperficialmente Queiroz Neto (in Azevedo, 1972) divide o Brasil em como em profundidade, devem ser levadas em sete regiões e sub-regiões edafológicas, cada uma consideração todas essas possibi l idades de caracterizada por um tipo de solo ou associação de ocorrências na definição e delimitação das províncias solos dominantes. Os solos mais freqüentes do território hidrogeológicas. nacional são os latossolos, seguidos dos podzólicos Entre os fatores que contribuem para a definição vermelho-amarelos. Na tabela 1.3.5 apresenta-se um de uma província hidrogeológica destacam-se o sumário das regiões edafológicas do Brasil e cobertura geológico e o fisiográfico. O fator geológico é o vegetal associada. mais importante, visto que a litologia, a estrutura e Área de Vazão Bacia ou região Vazão Média Período de rio estação Drenagem específica Hidrográfica (m³/s) observação (km²) (l/s/km²) 1. Amazonas Amazonas Óbidos 4.640.285 97.446 21,00 1968/78 2. Tocantins Tocantins Tucuruí 759.000 9.685 12,80 1949/78 Pindaré Pindaré-Mirim 34.030 241 7.08 1973/77 Itapicuru Catanhende 49.500 247 4,99 1963/70 3. Atlântico Parnaíba Porto Formoso 282.000 930 3,30 1973/77 Norte-Nordeste Jaguaribe Peixe Gordo 48.200 205 4,25 1973/77 Capibaribe Limoeiro 5.735 12 2,10 1973/75 4. São Francisco São Francisco Traipu 627.790 3.060 4,90 1928/68 Itapecuru Altamira 35.168 37 1,07 1964/77 Paraguaçu Pedra de Cavalo 53.959 80 1,49 1964/74 De Contas Ubaitaba 56.307 106 1,88 1936/76 5. Atlântico Leste Jequitinhonha Itapebi 68.114 376 5,50 1931/76 Doce Colatina 76.616 1.015 13,20 1938/70 Paraíba Campos 55.770 810 14.50 1934/76 6. Paraná Paraná Guaíra 800.000 8.920 11,20 1920/71 7. Uruguai Uruguai Uruguaiana 189.000 3.901 20,60 1908/74 Ribeira do Iguape Iporanga 12.150 180 14,80 1952/68 Itajaí-Açú Indaial 11.151 197 17,70 1934/75 8. Atlântico Sudeste Jacuí Dona Francisca 13.975 306 21,90 1939/76 Tacuarí Lajoado 23.272 483 20,60 1939/75 tabela 1.3.4 - Vazões características de rios brasileiros (DNAEE). 38 Cap_1.3_FFI.indd 8 9/12/2008 20:51:58 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 1.3.10 - Formações Vegetais do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/CPRM, 1981). regIÃo VegetAÇÃo tÍPICA tIPoS De SoloS Latossolos amarelos variando de arenosos a Floresta latifoliária equatorial com ilhas de Amazônica argilosos associados a solos hidromórficos campos e savanas. e regossolos. Cerrado: árvores pequenas (4 a 8 m) de Latossolos arenosos ou argi losos, troncos e galhos retorcidos, irregularmente Cerrados cascalhentos, permeáveis, muito pobres espalhados, em meio a uma cobertura de em bases e ácidos. gramíneas com 50 cm de altura. Caatinga: reúne tipos vegetais lenhosos, que perdem as folhas na estação seca e se Mediterrânicos vermelho-pardos, litossolos, Nordeste semi-árido e sub- acham mais ou menos dispersos sobre um solos pedregosos, latossolos amarelos, úmido solo, em geral, raso e pedregoso. Plantas áridos, grumossolos, salinos. Em geral, os xerófilas ocorrem ou não, de acordo com solos são rasos e pedregosos. condições locais. Vegetação arbustiva a arbórea muito densa, Terras baixas costeiras do leste Sucessão regossolopodzol hidromórfico, (jundu), manguezais e vegetação semelhante e sudeste gleis húmicos, solos orgânicos e aluviões. à floresta latifoliada tropical. Latossolos, podzólicos, vermelho-amarelos Floresta latifoliada tropical no Planalto e os intergrades no Pantanal Atlântico; Florestas tropicais do leste e Atlântico do Brasil Sudeste e parte adjacente latossolos roxo argilosos a areno-argilosos do sul da bacia do Paraná. profundo a porosos; podzólicos vermelho- amarelos distrófico na bacia do Paraná. Mata de Araucária nas partes do relevo e Latossolos vermelho escuros argilosos floresta latifoliada nos vales dos grandes rios; Planalto meridional subtropical sobre os basaltos, latossolos pardos, grandes extensões de campos limpos, em podzólicos vermelho-amarelos alguns trechos. Complexo do Pantanal: reúne todos os tipos vegetais encontrados nas outras Prevê-se o domínio de solos hidromórficos, Pantanal mato-grossense e regiões. Entretanto, destacam-se áreas com gleis orgânicos e aluviões, além dos região panteana predominância de paratudo (paratudais), grumussolos. palmeira canaodá (canandazais) e buriti (buritizais). tabela 1.3.5 - Regiões de vegetação e solos do Brasil. 39 Cap_1.3_FFI.indd 9 9/12/2008 20:52:00 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil a tectônica controlam as condições de ocorrência, Hidrogeológicos do Brasil na escala 1:2.500.000. O movimento e qualidade das águas subterrâneas. Em conceito de Domínio Hidrogeológico, tal como utilizado seguida vem o fisiográfico, compreendendo o clima, no mapa, foi definido como representativo de um a morfologia, a hidrografia, os solos e a vegetação, conjunto de unidades geológicas com similaridades os quais podem operar mudanças radicais nas hidrogeológicas, tendo como base, principalmente, as condições da água do subsolo, favorecendo ou não características litológicas das rochas. Com base neste a produtividade hídrica de uma determinada região critério e utilizando as informações da Carta Geológica (Pessoa et al, 1980). do Brasil ao Milionésimo (CPRM, 2004), o território Uma rápida comparação entre as feições das figuras brasilerio foi dividido em sete grandes Domínios 1.3.5, Esboço Geológico do Brasil, e 1.3.11, Províncias Hidrogeológicos, conforme ilustrado na figura 1.3.12. Hidrogeológicas do Brasil, demonstra claramente a Nos Estados Unidos da América, onde historicamente semelhança entre as duas figuras, enfatizando o peso se desenvolveu o conceito de Província Hidrogeológica, preponderante do fator geológico dentre os critérios e que em termos de extensão continental e complexidade para separação de Províncias. No entanto, observam- geológica se assemelha com o Brasil, foram criadas se no detalhe algumas divergências na configuração originalmente 21 províncias sob a orientação do hidrogeólogo-mor Oscar E. Meinzer (1923). das Províncias, geralmente do tipo abrangente em áreas Posteriormente, este número foi reduzido a 10, após maiores, o qual é conseqüência do fator fisiográfico, consolidação e reagrupamento efetuado por Thomas considerado preponderante. (1952) (in: Bouwer, 1978). A título de comparação, no Vale salientar que a divisão de províncias Brasil estabeleceu-se, por coincidência, também 10 hidrogeológicas é dinâmica, ou seja, à medida províncias hidrogeológicas, além de 15 subprovíncias que surgem novas informações relevantes, uma (figura 1.3.11). determinada província poderá ser sujeita a modificação Na elaboração dos mapas hidrogeológicos do Brasil, ou subdivisão. 1/2.500.000 e 1/5.000.000, a adoção das províncias Atualmente, o Serviço Geológico do Brasil - CPRM hidrogeológicas do país mostrou-se de grande utilidade, está elaborando o Mapa Hidrogeológico do Brasil ao possibilitando, de modo efetivo, a descrição e análise Milionésimo em ambiente SIG, previsto para ser lançado das unidades e sistemas hidrogeológicos existentes. em 2010. Em sua primeira fase, foi estruturada a base Contribuiu, também, para facilitar a leitura do mapa, ao geológica, cujos resultados permitiram o lançamento, permitir um melhor intercâmbio de informações entre em 2006, do Mapa de Domínios e Subdomínios legenda e a apresentação cartográfica e vice-versa. Figura 1.3.11 - Províncias Hidrogeológicas do Brasil (modificado de BRASIL. DNPM/CPRM, 1981). 40 Cap_1.3_FFI.indd 10 9/12/2008 20:52:04 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 1.3.12 - Domínios Hidrogeológicos do Brasil (adaptado de CPRM, 2007). A descrição sumária, a seguir, sobre as condições Província Amazonas de água subterrânea nas diversas províncias hidrogeológicas do Brasil, mostra, em linhas gerais, As escassas informações hidrogeológicas as principais unidades e/ou sistemas hidrogeológicos restringem-se aos aqüíferos dos depósitos arenosos de cada província, de acordo com suas características do Cenozóico (TQs = Solimões; TQac = Alter do lito-estratigráficas e potencial hidrogeológico. Chão), que apresentam bons índices de produtividade de aqüífero em diversas áreas (Belém, Ilha de Marajó, Província escudo Setentrional Santarém e Manaus). A captação é efetuada tanto por poços tubulares (com profundidades de 60 a 250 m), Os melhores aqüíferos localizam-se nas áreas como por sistemas de ponteiras e poços amazonas. de ocorrência das areias e arenitos finos, médios As vazões são extremamente variáveis, com valores de e grosseiros, que constituem as aluviões (Q) e a 30 a 200 m³/h. Dos outros sistemas aqüíferos (Qa = cobertura do Cenozóico (Qbv = Boa Vista), Mesozóica Aluviões; Km = Moa; Ct = Tapajós; SDu = Urupadi) (JKt = Tacatu) e Proterozóico Superior (pT ro = existem apenas informações esporádicas quanto aos Roraima; pTbf = Beneficente). seus comportamentos hidrogeológicos. As águas Nas rochas cristalinas do Embasamento (pT), os apresentam-se, geralmente, com teores de sais muito aqüíferos limitam-se às zonas fraturadas, eventualmente baixos. Entretanto, muitas requerem correções devido ampliadas por material argilo-arenoso do manto de à sua acidez e altos teores de ferro, antes de serem intemperismo. utilizadas nos sistemas de abastecimento d’água. Cabe enfatizar que estas estimativas representam Os poços para abastecimento de diversas avaliações qualitativas, baseadas, principalmente, localidades em Manaus captam apenas os aqüíferos nas características l i tológicas e f isiográficas de menor profundidade. A base desses poços, a cerca da província, haja vista a escassez de dados de 200 m, é, geralmente, constituída de camadas hidrogeológicos nessa região. Apenas sobre com predominância de calcário (Formação Nova os aqüíferos Boa Vista e Aluviões dispõe-se de Olinda). As vazões de poços não vão além de algumas algumas informações de poços. dezenas de m³/h. De acordo com os dados do poço 41 Cap_1.3_FFI.indd 11 9/12/2008 20:52:19 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil exploratório da Petrobras (Mn-st-01-AZ), perto de de pequeno e médio porte (Marques & Araújo, 1994). Manaus, que atravessou uma espessura total de O mesmo ocorre nos Estados de Mato Grosso e 1.500 metros de sedimentos, sem, contudo, atingir o Rondônia, onde as expressões territoriais dentro da embasamento pré-cambriano, existem formações à mesma província são igualmente grandes. grande profundidade (Prosperança e Trombetas) com Em Redenção, cidade no sul do Pará, a prospecção certas possibilidades hidrogeológicas. A verificação hidrogeológica, com apoio de trabalhos de geofísica do potencial explotável destas e, eventualmente, de (eletroresistividade), indicou algumas estruturas outras unidades mais superiores existentes no pacote favoráveis no substrato granítico da área. Dois poços sedimentar, somente poderá ser analisada com base testes de 60 metros de profundidade obtiveram vazões na comparação entre os custos de captação de água de 30 m³/h e 40 m³/h, respectivamente, ou seja, três subterrânea – utilizando-se diversas hipóteses, das a quatro vezes superior à média esperada para este mais pessimistas às mais otimistas – e os custos da ambiente geológico (Araújo, et al., 1994). água de origem superficial. Seria uma obra tipicamente para o Governo, em face dos elevados investimentos Província Parnaíba necessários e da incerteza quanto ao sucesso da pesquisa, porém com a perspectiva de benefícios no A bacia sedimentar do Parnaíba (também campo social e de saúde para a região Manaus. chamada do Meio-Norte) abrange uma superfície Vale observar que no Estado do Amazonas, cuja de 600.000 km² e representa a principal Província quase totalidade territorial está inserida na Província Hidrogeológica na região do Nordeste brasileiro. São Amazonas, o manancial subterrâneo, em virtude do os seguintes fatores geológicos que, em conjunto, fator qualidade, desempenha papel fundamental no condicionam a hidrogeologia da área: suprimento d’água, apesar da abundância das águas • a forma da bacia quase circular; de superfície. Em meados dos anos 1990, das 58 • os falhamentos da borda oeste; localidades atendidas pela Cosama - Companhia de Saneamento do Amazonas, 28, ou seja, 48% do total, • os mergulhos das camadas geológicas dirigidas eram abastecidas através de água subterrânea. Em para o interior da bacia; termos volumétricos, a contribuição era de 608,5 L/s • os respectivos eixos de maior subsidência das (52%) na produção total. Para a capital Manaus, a unidades Serra Grande e Cabeças; participação de água subterrânea no abastecimento • as intrusões de diabásio. público era de 1.711 L/s (32,9%) na produção total. As formações geológicas apresentam-se conforme Atualmente a participação da água subterrânea no uma série alternada de camadas permeáveis e menos abstecimento é, ainda, maior. permeáveis, dando origem a três sistemas aqüíferos de extensão regional, em condições hidráulicas livres Província escudo Central e confinadas (às vezes surgentes). Os principais sistemas aqüíferos, ordenados Em face da ausência quase total de informações conforme sua importância de produção, são: 1) hidrogeológicas, estima-se que os aqüíferos mais Cabeças (Dc), 2) Serra Grande (SDsg) e 3) Poti- promissores correspondem aos arenitos proterozóicos Piauí (Cpi). Outros aqüíferos menos produtivos (pTbf = Beneficente; pTpn = Pacaás Novas). As correspondem às Formações Motuca (PTRm), Corda rochas fraturadas do embasamento (pT ) devem (Jc) e Itapecuru (Ki). Os três principais sistemas apresentar, também, razoáveis possibilidades hídricas, aqüíferos possuem, em geral, águas de boa qualidade devido aos altos índices pluviométricos da área. Os química, havendo, porém, riscos de salinidade para o outros sistemas aqüíferos (Qa = Aluviões antigas; Aça interior da bacia. = sedimentos colúvio-aluviais; SDab = Água Bonita; Os aqüíferos principais, Cabeças e Serra Grande, pTgt = Gorotire; pTpb = Pimenta Buena e pTrf = Rio poderão ser captados através de poços com Fresco) foram classificados como pequenos quanto à profundidades de até 400 e 700 m, respectivamente, sua importância hidrogeológica representativa, tendo nas áreas rebaixadas dos vales e nas zonas de em vista a litologia com predominância de folhelhos ocorrência das formações impermeáveis confinantes, e/ou siltitos sobre areias e/ou arenitos, ou devido às principalmente no Estado do Piauí. As vazões de áreas de ocorrência muito restritas. explotação dos poços perfurados podem variar de No Estado do Pará, com extensão territorial algumas dezenas até várias centenas de m³/h. substancial inserida nas rochas fraturadas do No Estado do Piauí, que se insere em sua quase embasamento da Província Escudo Central, constata- totalidade (90% da área) na Província Parnaíba, os se que o sistema do aqüífero fraturado é capaz principais sistemas aqüíferos, Cabeças, Serra Grande de atender às demandas hídricas das pequenas e Poti-Piauí, além de outros de menor porte, vêm sendo comunidades, e de forma economicamente compatível aproveitados intensivamente para o abastecimento com as disponibilidades financeiras dos municípios público. Muitas indústrias e particulares também 42 Cap_1.3_FFI.indd 12 9/12/2008 20:52:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações utilizam o manancial subterrâneo para suprir suas Sedimentos aluviais (Q, Qa) e colúvio-aluviais (Qca), necessidades de água. No Vale do Gurguéia, sul do compostos por arenitos finos, areias e cascalhos, Piauí, o Projeto de Irrigação do DNOCS explota os proporcionam bons ou razoáveis aqüíferos. Coberturas aqüíferos profundos (Cabeças e Serra Grande) para terciário-quaternários (TQdl) de areias e areias argilosas a agricultura irrigada. Feitosa et al. (1990) analisando formam aqüíferos locais, restritos. as baterias de poços existentes no Vale do Gurguéia, No Estado da Bahia encontra-se a maior parte da PI, propuseram a explotação de uma descarga global Província São Francisco. Os domínios hidrogeológicos de 3.577 m3/h, capaz de irrigar uma área de 850,0 de destaque são: 1) domínio dos Calcários e 2) domínio ha distribuída, em módulos, ao longo de 100 km. dos Quartzitos. No domínio dos Calcários, o aqüífero Acrescentaram, ainda, que essa descarga podia ser pTb-Bambuí tem sua maior representação territorial considerada como sustentável. na região da Chapada de Irecê. Atualmente, já existem O Estado do Maranhão é parte integrante da bacia mais de 2.000 poços tubulares para abastecimento do Meio-Norte que conta com uma espessura total de localidades e utilização em pequenos projetos superior a 2.000 metros. Levando em consideração o de irrigação. No domínio dos quartzitos o aqüífero relevo da região maranhense, marcado por topografias pTcp-Chapada Diamantina, com maior expressão elevadas, torna-se problemática a captação dos areal na região homônima, o aproveitamento das principais sistemas aqüíferos (Cabeças, Serra Grande águas subterrâneas através de perfurações de poços e Poti-Piauí), devido aos níveis d’água profundos. Aqui também já é bastante avançado. podem ser considerados, para efeito de perfurações Apresentam-se como exemplo na tabela 1.3.6 para água, os seguintes aqüíferos: Corda-Motuca (Jc, algumas características médias sobre os principais PTRm), Codó (Kco), parcialmente, e Itapecuru (Ki). aqüíferos da província na Bahia (Cunha, et al, 1986), Os poços perfurados nestes aqüíferos apresentam com base nos dados de poços cadastrados na profundidades variando de 100 a 400 metros, CERB - Companhia de Engenharia Rural da Bahia, produzindo vazões de algumas até várias dezenas naquela época. de m³/h (média em torno de 20 m³/h). As águas são geralmente de boa qualidade química, com exceção o Prof. Vazão n tDS-médio Aqüífero média média das do aqüífero Codó, que se apresentam, muitas poços (mg/l)(m) (m³/h) vezes, com altos índices de dureza. PTb-Bambui 1280 88 9,8 250 - 1000 pTcp-Chapada Província São Francisco 215 74 8,9 250 - 1000Diamantina Predominam os aqüíferos restritos às zonas fraturadas tabela 1.3.6 - Poços perfurados na Província São Francisco - Estado da Bahia (adaptado de Cunha et al., 1986). em quartzitos, metagrauvacas, metaconglomerados, calcários e dolomitos, de idade proterozóica superior Província escudo oriental (pTcp = Chapada Diamantina e pTb = Bambuí). Os aqüíferos tornam-se mais amplos quando ocorrem Consta de duas subprovíncias (Nordeste e Sudeste), associados com rochas porosas do manto de onde predominam rochas cristalinas (gnaisses, xistos, intemperismo ou, no caso dos calcários ou dolomitos, migmatitos, granitos, quartzitos, entre outras), sendo o onde a dissolução cárstica atuou amplamente. meio aqüífero representado pelas fissuras e diáclases Poços tubulares de 60 a 200 metros de profundidade interconectadas resultantes dos esforços tectônicos fornecem vazões da ordem de 10 m³/h. sofridos. Apresenta, em geral, potencial hidrogeológico Outro sistema aqüífero é encontrado nas coberturas muito fraco (Nordeste) ou fraco a médio (Sudeste). No de extensão regional formadas por sedimentos Nordeste, o reduzido potencial hidrogeológico está mesozóicos, Ku = Urucuia (+ Areado + Mata da relacionado às condições deficientes de circulação Corda), que consistem de arenitos predominantes das águas subterrâneas, as quais, aliadas às sobre argilitos e conglomerados. O conhecimento deste condições de clima semi-árido, resultam nas taxas sistema aqüífero, ainda, é muito pequeno e, durante excessivas de salinidade dessas águas. No Sudeste, muito tempo, baseado nas condições morfológicas as condições climáticas propiciam um manto de (tabuleiro elevado) e litológicas (arenitos finos com alteração que pode atingir várias dezenas de metros de intercalações de argilas e conglomerados), apontou espessura, favorecendo melhores condições hídricas para uma restrição do potencial hidrogeológico. subterrâneas, tanto no aspecto quantitativo como Entretanto, hoje, já se tem conhecimento de espessuras qualitativo. Enquanto os poços no Sudeste apresentam muito maiores que as presumidas inicialmente e vazões médias da ordem de 10 m³/h, com águas de existem poços com elevadas vazões, sendo utilizados boa qualidade química, no Nordeste as vazões têm para irrigação. Este fato é bastante preocupante, pois valores médios entre 1 e 3 m³/h e as suas águas são, este aqüífero ocupa uma função reguladora bastante em geral, salinizadas (índices de STD – Sólidos Totais importante para o escoamento do trecho médio do rio Dissolvidos – variando entre 1.000 e 35.000 mg/L), São Francisco. tornando-as, na maioria das vezes, inadequadas para 43 Cap_1.3_FFI.indd 13 9/12/2008 20:52:22 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil o consumo humano (ver distribuição da qualidade Prof. Vazão da água do semi-árido no capítulo 4.5, figuras 4.5.14 Aqüífero litologia (m) (m³/h) e 4.5.15). Dependendo, entretanto, de critérios de locação tecnicamente consistentes, que levam em Arenitos calcíferos Kb-Bauru 100-200 8-30argilosos conta os aspectos influentes ligados aos esforços tectônicos (tipo e distribuição dos fraturamentos) e os Kb-Caiuá Arenitos 50-100 30-100 condicionamentos morfológico, hidrológico e litológico, poderá ser aumentada a probabilidade de obtenção de TRKb-Botucatu Arenitos(aflorantes) 200-1500 60-600 vazões razoáveis e de águas de potabilidade adequada, TRKb-Botucatu Arenitos(confinados) capazes de atender às necessidades do uso doméstico Lamitos, bancos de e do abastecimento de pequenas comunidades. O Pci-Itarere 100-300 7-20arenitos limite econômico de perfuração no Sudeste situa-se em torno de 120 metros de profundidade, enquanto no JKsg-Serra Geral Basalto, diabásios 100-150 10-100 Nordeste o mesmo é de aproximadamente 60 metros. tabela 1.3.7 - Poços perfurados na Província do Paraná - Província Paraná Estado de São Paulo (adaptado de DAEE, 1990 ). Situada na parte meridional do país e corresponden- do à bacia sedimentar do Paraná, esta província inclui- que a maioria dos poços comuns atinge profundidades se entre as áreas de melhor produtividade de aqüífero. moderadas, raramente ultrapassando a faixa de 400 Sedimentos, em geral, clásticos e intrusões e derrames metros. Entretanto, deve-se salientar a tendência básicos preenchem a bacia, atingindo uma espessura de perfuração de poços profundos, na ordem de máxima de 7.800 metros. O aqüífero mais importante 1.000 a 2.000 metros, captando o sistema aqüífero é o Botucatu (TRKb), que representa cerca de 80% do Botucatu para fins de abastecimento público, indústria potencial hidrogeológico da província, contribuindo em e turismo (balneários). A figura 1.3.12 apresenta grande parte para o abastecimento de diversas áreas. a distribuição dos poços tubulares no Botucatu, É constituído por espessa seqüência sedimentar de conforme sua profundidade, observando-se o aumento idade mesozóica, reunindo diversas unidades lito- das profundidades dos poços em direção ao centro estratigráficas: Formações Botucatu, Pirambóia, Rio da bacia. No mesmo sentido, aumenta, também, a do Rastro e correlatos. Em segundo lugar, destaca-se temperatura das águas. o aqüífero Serra Geral (JKsg), comportando-se como Em virtude da importância hidrogeológica do aqüífero fissurado, além do aqüífero Bauru (Kb) que engloba Botucatu e seu caráter de aqüífero transfronteiriço, que as Formações Bauru e Caiuá. Os aqüíferos de menor abrange partes dos países vizinhos, iniciou-se, em importância e que correspondem a clásticos de idade 1990, a elaboração do Projeto Aqüífero Guarani, com paleozóica, são: Furnas (Df), Ponta Grossa (Dpg) e a participação da Argentina, Brasil, Paraguai e Uruguai, Aquidauana (PCa). Citam-se, na tabela 1.3.7, os resul- além do GEF - Fundo para o Meio Ambiente Mundial, tados, em termos médios, dos poços perfurados nos BIRD - Banco Internacional para a Reconstrução e principais aqüíferos. São dados referentes ao Estado o Desenvolvimento (integrante do Banco Mundial) de São Paulo, considerados representativos para o e OEA - Organização dos Estados Americanos. Foi âmbito da província. proposto, então, o nome Aqüífero Guarani para ser Considerando as diferentes extensões dos utilizado em substituição às denominações aqüíferas diversos aqüíferos nos territórios dos Estados que anteriores de Botucatu (Brasil), Misiones (Argentina juntos compõem a Província Paraná, há também e Paraguai) e Tacuarembo (Uruguai). O projeto tem variações do maior número de poços tubulares em como objetivos principais a proteção ambiental e o uso determinado aqüífero de um Estado para outro. No sustentável integrado do Aqüífero Guarani, através de Estado de São Paulo, por exemplo, o maior número de ações conjuntas dos quatros países e a participação poços situa-se no Kb-Bauru-Caiuá. Já nos Estados de ativa da sociedade. Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul, o maior A partir de 2005, depois de cumprir licitação número de poços está relacionado ao aqüífero JKsg- internacional, o Projeto Aqüífero Guarani iniciou Serra Geral (basaltos). seus estudos efetivos para serem executados num Apresentam-se na tabela 1.3.8, as características período de quatro anos, de acordo com as normas médias dos poços que, em maior número preestabelecidas, sob a supervisão dos órgãos comparativamente ao total, exploram o aqüífero financiadores internacionais (GEF e BIRD) e com a Jksg-Serra Geral, nos Estados do Paraná, Santa coordenação da OEA. A sede do Projeto localiza-se Catarina e Rio Grande Sul. Com relação à explotação em Montevidéu. Os pontos principais de interesse dos diversos aqüíferos, cuja viabilidade técnica do Projeto estão voltados para os seguintes pontos: e econômica é intimamente ligada às condições áreas de recarga (entrada de fluxo); trajetórias estruturais e morfológicas da bacia, pode-se observar subterrâneas (caminhos de fluxo); interconexões com 44 Cap_1.3_FFI.indd 14 9/12/2008 20:52:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Vazão no Profundidade estado Aqüífero média Poços (m) (m³/h) Paraná JKsg-Serra Geral 1382 109,0 16,0 Santa Catarina JKsg-Serra Geral 2000* 100,0 7,2 1.592** 138,0 19,3 Rio Grande do Sul Jksg-Serra Geral 2.129*** 96,3 9,7 tabela 1.3.8 - Poços perfurados no aqüífero Serra Geral nos Estados de Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul (adaptado de Sanepar - Saneamento do Estado do Paraná; (**)Corsan - Companhia Riograndense de Saneamento; (***)GOV.RS.- Pro- grama de Açudes e Poços; (*)CIDASC - Companhia de Integração de Desenvolvimento Agrícola de Santa Catarina). Figura 1.3.13 - Distribuição dos poços de água do Botucatu (modificado de B R A S I L . D N P M / C P R M , 1981). as formações sobrepostas (intercambio de fluxo); Província escudo Meridional áreas de exutórios (saídas de fluxo); hidroquímica geral e específica; caráter isotópico das águas; Situada no extremo sul do país, esta província hidrotermalismo; locais de uso intensivo; áres de caracteriza-se por aqüíferos restritos às zonas interferência acentuadas; áreas locais potenciais fraturadas das rochas cristalinas, do Arqueano para aproveitamento; desenvolvimento de técnicas ao Proterozóico Superior (pT ). Os altos índices de sondagem e bombeamento; banco de dados e pluviométricos asseguram a perenização dos rios sistema de informações hidrogeológicas digital e e contribuem para a recarga dos aqüíferos cujas georreferenciado; modelos conceituais e matemáticos; reservas são, em parte, restituídas à rede hidrográfica. critérios para gerenciamento do aqüífero; proteção Os poços perfurados têm uma profundidade média ambiental e uso sustentável integrado do aqüífero; e em torno de 73 m e uma vazão situada no intervalo enfim, envolvimento ativo da sociedade dos países de 1 a 36 m³/h, com uma média de 4,9 m³/h, o que é participantes. característica do tipo de aqüífero explotado. O resíduo É de se esperar que ao término do projeto, seco e a dureza, em geral, muito baixos (médias que ocorrerá este ano (2008) haja um incremento de 230 mg/L e 7 °F, respectivamente), indicam significativo de novas informações hidrogeológicas boa qualidade química das águas subterrâneas, sobre o sistema aqüífero Guarani, que possa servir podendo ser usadas para quaisquer finalidades, de base para um gerenciamento efetivo de uso salvo pequenas restrições. Verificou-se a ocorrência sustentável, integrado e participativo do aqüífero em de muitos poços secos neste domínio de aqüífero, benefício às populações da Argentina, Brasil, Paraguai enquanto a água é freqüentemente contaminada por e Uruguai. ação antrópica. 45 Cap_1.3_FFI.indd 15 9/12/2008 20:52:24 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil Província Centro-oeste Muitos destes aqüíferos desempenham papel importante para diversas regiões e estados do Brasil. Esta província compreende quatro subprovíncias: O aqüífero Barreiras (TQb), além de ser amplamente Ilha do Bananal, Alto Xingu, Chapada dos Parecis e captado, principalmente para atender aos pequenos Alto Paraguai, localizadas na região Centro-Oeste consumos localizados ao longo de toda a faixa litorânea, do país, no trecho onde se destaca uma cobertura representa recurso de destaque no Rio Grande do Norte. fanerozóica pouco espessa. Apenas a subprovíncia Em meados dos anos 90, do número total de 365 poços, Alto Paraguai dispõe de dados hidrogeológicos operados pela CAERN - Companhia de Águas e Esgotos mais abundantes, os quais permitem localizar os do Rio Grande do Norte, nas diversas partes do Estado, aqüíferos mais produtivos na cobertura cenozóica 198 poços (54%) encontravam-se no Barreiras, a maioria (A = Aluviões e Qa = Aluviões antigas). Os poços em suporte ao abastecimento da capital. perfurados, num total de 29, indicam, em termos Nos Estados do Maranhão, Pará e Amapá, verifica-se médios, um nível estático de 4,6 metros, capacidade que os aqüíferos formados pelos depósitos terciários específica de 2,8 m³/h/m e profundidade de 50 metros. da Formação Alter do Chão, considerada equivalente Nas demais subprovíncias, estima-se, com base à Formação Barreiras, também constituem importante nas características litológicas dos terrenos, que os recurso para o abastecimento geral, ao longo de toda melhores aqüíferos correspondem aos sedimentos a faixa litorânea (Bacia São Luís-Barreirinhas, área paleo-mesozóicos (Pca = Aquidauana; Kpa = Parecis metropolitana de Belém, Marajó, dentre outras). Os e TRKb = Botucatu) e Cenozóicos (Qa Aluviões poços, com explotação economicamente viável até a antigas e Q = Aluviões). Poços tubulares no aqüífero profundidade de 150 m, produzem vazões que variam Parecis apresentam valores de capacidade específica de algumas a várias dezenas de m³/h, geralmente com entre 10 e 15 m³/h/m e atendem todo o sistema de água de boa qualidade, mas com valores de pH, quase abastecimento de Vilhena (RO). sempre, inferiores a seis. Na cidade de Mossoró, RN, o abastecimento público é feito exclusivamente por poços captando o Província Costeira aqüífero confinado Açu (Ka). O manancial também é Esta província corresponde à extensa faixa intensivamente utilizado na fruticultura industrializada litorânea do país, estendendo-se desde o Amapá até na região. Em decorrência das captações intensas, o Rio Grande do Sul, sendo formada pelas seguintes verificam-se rebaixamentos substanciais dos níveis piezométricos em alguns pontos de maior extração 9 (nove) subprovíncias: Amapá; Barreirinhas e São d’água, no decorrer do tempo. Luís; Ceará e Piauí; Potiguar; Pernambuco, Paraíba Na capital Recife, o aqüífero Beberibe (Kbe) é e Rio Grande do Norte; Alagoas e Sergipe; Tucano intensivamente solicitado por cerca de 140 poços - Recôncavo - Jatobá / Chapada do Araripe; Rio de tubulares da Compesa - Companhia Pernambucana de Janeiro, Espírito Santo e Bahia; Rio Grande do Sul. Saneamento, em suporte ao abastecimento da cidade, Em alguns trechos, a província apresenta-se principalmente em períodos de seca, como nos meados com penetrações para o interior, como se observa dos anos 90. Verificou-se aqui, também, rebaixamentos nas áreas das subprovíncias Potiguar e Tucano- significativos dos níveis piezométricos nos pontos de Recôncavo-Jatobá. Neste contexto, inclui-se aqui, maior extração concentrada pelos poços. também, a Chapada do Araripe. Os aqüíferos mais A Bacia Recôncavo-Tucano, no Estado da Bahia, promissores e bem distribuídos correspondem do ponto de vista da importância hidrogeológica aos clásticos não consolidados a fracamente para explotação de água subterrânea, pode ser consolidados de idade cenozóica (Q = Aluviões; resumida à Formação São Sebastião, Grupo Ilhas e sedimentos fluviomarinhos e eólicos; TQb = Formação Sergi. O São Sebastião é considerado um Barreiras) que mostram, em geral, bons índices dos melhores aqüíferos no estado, possui espessura de produtividade média, sendo aproveitados em variando de 100 a 3.000 m, com excelente qualidade diversas áreas para o abastecimento populacional. química até cerca de 900 m. Fornece altas vazões O aqüífero Barreiras (TQb), que ocupa maior área, aos poços, em torno de 200 m³/h (Camaçari, Pojuca, apresenta-se com os seguintes resultados, em termos e no litoral). O grupo Ilhas possui espessura de 600 a médios, para um total de 1.880 poços cadastrados: 1.500 m, apresentando em sua porção média superior profundidade, 65 metros; nível estático, 13,8 metros; boas características aqüíferas. Com afloramentos vazão, 8,7 m³/h e capacidade específica, 3,16 na porção centro ocidental da bacia, o aqüífero está m³/h/m. Os clásticos médios e grosseiros, de idade extensivamente presente em subsuperfície, produzindo principalmente mesozóica, que também se distinguem água sob pressão, com artesianismo surgente e como aqüíferos, em geral, com elevados índices água de boa qualidade até profundidades de 800 de produtividade média, estão restritos a algumas m. A formação Sergi aflora, no interior da bacia, subprovíncias. Os mais importantes são citados na como faixas alongadas na direção Norte-Sul. Possui tabela 1.3.9, juntamente com os valores médios dos espessura variável entre 100 e 400 m no Recôncavo, resultados obtidos nos poços tubulares. sendo de menor possança em Tucano. 46 Cap_1.3_FFI.indd 16 9/12/2008 20:52:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações no Profundidade Vazão média Subprovíncia Aqüífero poços (m) (m³/h) Kj-Jandaíra (1) 71 143 11,7 Potiguar Ka-Açu (2) 15 700 100,0 PE-PB-RN Kbe-Beberibe 254 143 52,0 Km-Marizal 104 110 15,1 Tucano - Recôncavo - Jatobá Kss-S. Sebastião 67 107 12,1 SDt-Tacaratu 11 87 5,6 Kst-Missão Velha 42 123 121,0 Chapada do Araripe SDma-Mauriti 20 99 45,0 Obs: (1) A potabilidade permanente é, em média, medíocre, porém a água é amplamente utilizada na agricultura. (2) A qualidade química das águas é geralmente boa, exceto numa área no graben localizado no centro da bacia. tabela 1.3.9 - Valores médios nos poços tubulares das subprovíncias Potiguar, Pernambuco / Paraíba / Rio Grande do Norte e Tucano / Recôncavo /Jatobá / Chapada do Araripe. A Bacia de Jatobá, no Estado de Pernambuco, é BOUWER, H. groundwater hydrology. Tokyo: um prolongamento da Bacia Recôncavo-Tucano. As McGraw Hill, 1978. 480 p. (Water resources and formações Inajá e Tacaratu constituem os principais environmental engineering). sistemas aqüíferos da bacia. Os poços existentes no aqüífero principal, Tacaratu, apresentam profundidades BRASIL. Departamento Nacional da Produção entre 50 e 250 m, com vazões de 5 a 30 m³/h e, em Mineral. Mapa Hidrogeológico do Brasil. Relatório alguns casos (Município de Inajá), com vazões de Final. Recife: DNPM/CPRM, 1981. v.1 e 2. Escala: explotação chegando até 90 m³/h. 1:2.500.000 A Bacia do Araripe (Vale do Cariri) está situada no alto ______. Mapa Hidrogeológico do Brasil. Brasília: Jaguaribe, no Estado do Ceará. O sistema aqüífero de Ed. comemorativa, 1983. Escala 1:5.000.000. Araripe-Cariri está formado por um conjunto sedimentar cuja espessura total é da ordem de 1.000 m, composto CUNHA, J. E. M.; NEGRÃO, F. I.; SANTOS, P. R. P. da Chapada do Araripe, que é um alto morfológico Panorama atual das águas subterrâneas no Estado planar sem nítida rede hidrográfica, e com altitude média da Bahia. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS de 750 m, tendo no seu lado norte, com um desnível de SUBTERRÂNEAS, 4., 1986, Brasília. Anais... Brasília: 300 m, uma planície representada pelo Vale do Cariri. O ABAS/DNAEE/DNPM, 1986. p. 80-95. sistema Araripe-Cariri engloba três importantes aqüíferos FEITOSA et.al. o aqüífero Cabeças no Vale do correspondentes às formações Mauriti, Missão Velha e gurguéia: atualização dos conhecimentos. Recife: Feira Nova. Na planície existem excelentes condições Atepe/Labhid, 1990. 3 v. Convênio DNOCS/Atepe- de explotação de água subterrânea, cujos poços com profundidades de 140 a 170 m e vazões de 60 até 100 Associação Tecnológica de Pernambuco/ Labhid- m³/h, abastecem cidades importantes da área (Crato, Laboratório de Hidrogeologia/CT/UFPE). Juazeiro do Norte e Barbalha). GUERRA, A. T. Dicionário geológico-geomorfológi- co. 4. ed. Rio de Janeiro: IBGE, 1972. 439 p. (Biblio- referências teca Geográfica Brasileira. Série A, Publicação 21). LEAL, O.; MENTE, A.; PESSOA, M. D. Contribuição ALMEIDA, F. F. M. Províncias estruturais brasileiras. do sistema de informações hidrogeológicas à elabo- In: SIMPÓSIO DE GEOLOGIA DO NORDESTE, 8., ração do mapa hidrogeológico do Brasil, escala 1977, Campina Grande. Atas... Campina Grande: 1:2.500.000. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE SBG, 1977. p.363-391. ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 1., Recife, 1980. Anais... ARAUJO, P. P. et al. Prospecção hidrogeológica no Recife: ABAS/Núcleo Nordeste, 1989. p. 443-449. núcleo de Redenção-PA. In: CONGRESSO BRASIL- MARQUES, V. J.; ARAUJO, P. P. Águas subterrâneas EIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 8., 1994, Recife. para consumo humano no Estado do Pará. In: CON- Anais...Recife: ABAS, 1994. p. 256-263. GRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, AZEVEDO, A. de. Brasil: as terras e o homem. São 8., 1994, Recife. Anais...Recife: ABAS, 1994. p. Paulo: Nacional, 1972. v.1. 87-92. 47 Cap_1.3_FFI.indd 17 9/12/2008 20:52:25 Capítulo 1.3 - A Água Subterrânea no Brasil MENTE, A. et al. Mapa Hidrogeológico do Brasil na escala de 1:2.500.000: apresentação da versão preliminar. In: CONGRESSO BRASILERO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 1., 1980, Recife. Anais... Recife: ABAS, 1980. p. 427-441. MENTE, A.; MONT’ALVERNE, A. F. Mapa Hidrogeológi- co do Brasil na escala 1:2.500.000. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE HIDROLOGIA E RECURSOS HÍDRI- COS, 4., 1982, Fortaleza. Anais...Fortaleza: ABRH, 1981. v.1, p. 597-610 PESSOA, M. D., MENTE, A., LEAL, O. Províncias hidrogeológicas adotados para o mapa hidroge- ológico do Brasil na escala 1:2.500.000. In: CON- GRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 1., Anais...Recife: ABAS/Núcleo Nordeste, 1980. p. 461-468. SÃO PAULO. Conselho Estadual de Recursos Hídricos. Plano estadual de recursos Hídricos: Primeiro Plano do Estado de São Paulo, Síntese. São Paulo: DAEE, 1990. 120p. 48 Cap_1.3_FFI.indd 18 9/12/2008 20:52:25 modulo 2.indd 1 9/12/2008 19:44:35 modulo 2.indd 2 9/12/2008 19:44:36 modulo 2.indd 3 9/12/2008 19:44:36 modulo 2.indd 4 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 2.1 OCORRÊNCIA DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS João Manoel Filho 2.1.1 Introdução terra, apresentando a equação do balanço hídrico, a distribuição vertical da água no subsolo e nos principais e f ine-se como água subter rânea tipos de formações geológicas e introduzindo, por fim, o Daquela que ocorre abaixo do nível de tema da água subterrânea nas zonas costeiras.saturação ou nível freático, presente nas formações geológicas aflorantes e parcialmente 2.1.2 Origem e Circulação - Ciclo saturadas, e nas formações geológicas profundas totalmente saturadas. O estudo da água subterrânea, Hidrológico além de tratar do fluxo em formações saturadas, inclui o Quase toda a água subterrânea existente na Terra(1) movimento da água em meios não saturados nos quais tem origem no ciclo hidrológico, isto é, no sistema pelo a distribuição de umidade desempenha papel importante no ciclo hidrológico e em muitos processos geológicos. qual a natureza faz a água circular do oceano para a Mais do que um recurso, a água subterrânea é atmosfera e daí para os continentes, de onde retorna, uma característica essencial do ambiente natural. superficial e subterraneamente, ao oceano (figura 2.1.1). Ela é parte do ciclo hidrológico e, por esse motivo, a Este ciclo é governado, no solo e subsolo, pela ação compreensão do seu papel nos estudos integrados da gravidade, bem como pelo tipo e densidade da com águas superficiais em bacias hidrográficas é cobertura vegetal e, na atmosfera e superfícies líquidas fundamental. Nos processos geológicos, a água (rios, lagos, mares e oceanos), pelos elementos e subterrânea exerce notável influência, dentre outros, nos fatores climáticos, como por exemplo, temperatura do problemas geotécnicos como estabilidade de taludes ar, ventos, umidade relativa do ar (função do déficit de e subsidência de terras, na geração de terremotos, na pressão de vapor), insolação (função da radiação solar), migração e acumulação de petróleo, etc. que são os responsáveis pelos processos de circulação Este capítulo trata brevemente da origem e circulação da água dos oceanos para a atmosfera, em uma dada da água subterrânea na atmosfera e na superfície da latitude terrestre. Figura 2.1.1 - Representação esquemática do ciclo hidrológico: E = evaporação; ET = evapotranspiração; I=infiltração; R = escoamento superficial (deflúvio) (modificado de Bear & Verruijt, 1987). (1)Excetuam-se as águas altamente mineralizadas, presas nos interstícios das rochas sedimentares por ocasião da sua formação, chamadas congênitas ou conatas e as novas águas, de origem magmática, vulcânica ou cósmica, adicionadas ao suprimento de água terrestre, 53 denominadas juvenis (Todd, 1959). Cap_2.1_F.indd 1 9/12/2008 20:57:48 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas 2.1.3 Equação do Balanço Hídrico Em geral, para uma região, a equação básica do balanço hídrico pode ser escrita, considerando A equação do balanço hídrico obedece ao princípio precipitação (P), evapotranspiração real (ETR), deflúvio da conservação da massa ou princípio da continuidade, (R) e infiltração (I), como: segundo o qual, em um sistema qualquer, a diferença P - ETR - R - I =DS (2.1.2) entre as entradas e as saídas é igual à variação do armazenamento dentro do sistema. Considere, portanto, A dificuldade na solução de problemas práticos para ilustrar o referido balanço, o seguinte sistema decorre, principalmente, da incapacidade de se hidrológico simplificado (figura 2.1.2): uma superfície medir ou estimar com segurança os vários termos plana, retangular, inclinada, totalmente impermeável e da equação (2.1.2). Para estudos locais, é quase fechada lateralmente, com uma única saída. sempre possível fazer estimativas confiáveis, porém, quantificações regionais são, geralmente, grosseiras. Em estudos regionais, a precipitação é medida por meio de pluviômetros (coletores que recebem água de chuva através de um cilindro receptor com uma boca horizontal de secção conhecida) espalhados em diversos pontos da área de interesse. O escoamento superficial é medido em uma secção transversal do leito de um curso d´água, denominada de posto fluviométrico, usando medidores de velocidade (molinetes). O produto da velocidade média de fluxo pela área da secção transversal do Figura 2.1.2 - Superfície plana, inclinada, totalmente limitada leito, fornece a descarga do rio. Dispondo-se de um e impermeável, com uma única saída e representando o grande número de medidas de descarga, pode-se modelo de um sistema hidrológico simples (modificado de Viessman et al., 1977). estabelecer a curva chave ou curva de calibragem do rio no local. Trata-se de uma curva que relaciona Por hipótese, a superfície é um plano perfeito, não as descargas medidas com a altura do nível d’água existem depressões nas quais a água possa ficar em uma secção transversal. Portanto, depois de acumulada. Se for então aplicada uma chuva P ao conhecida a curva chave ou curva de calibragem do sistema considerado, vai ocorrer um escoamento rio numa determinada seção, a descarga do rio pode superficial direto ou deflúvio R, que poderá ser ser medida usando escalas ou réguas limnimétricas facilmente medido no ponto de saída. O balanço hídrico instaladas nesta seção. para este sistema pode ser representado pela seguinte A relação cota-descarga é estabelecida de forma equação diferencial: aproximada pelo traçado da curva de calibragem. “As cotas podem ser muito diferentes das alturas − dSP R = (2.1.1) verdadeiras em razão de defeitos de alinhamento dt ou de nivelamento entre lances de régua, de erros onde, P é a precipitação (entrada) por unidade tempo, sistemáticos nas observações e de outras falhas que R é o deflúvio (saída) por unidade de tempo, dS/dt é afetam as leituras de régua” (Jaccon & Cudo, 1989). a variação no armazenamento dentro do sistema por Em boas condições, pode-se dizer que essas medidas unidade de tempo. apresentam erro de 5%, porém, as grandes enchentes, Enquanto não ocorrer uma lâmina mínima acumulada causadoras de inundações, não podem ser medidas na superfície, não haverá saída de fluxo, mas, à medida pelos métodos conhecidos, embora os seus dados que a chuva for prosseguindo, a lâmina retida na superfície sejam muito necessários. (detenção superficial) aumenta. Quando cessar a chuva A umidade do solo pode ser medida usando sondas (entrada), a água que existir como lâmina de detenção de nêutrons e métodos gravimétricos, enquanto que superficial vai escoar superficialmente pela saída. Para a infiltração pode ser avaliada localmente por meio de o sistema considerado, pode-se dizer que toda a água infiltrômetros. As estimativas espaciais desses parâmetros precipitada deverá escoar, supondo desprezível a (por exemplo, numa região), são geralmente muito pequena quantidade de água que ficará retida por forças grosseiras. No caso da água subterrânea, a extensão e a elétricas à superfície e supondo, ainda, que não ocorre magnitude das taxas de fluxo são muito dependentes do evaporação. Este exemplo elementar revela que qualquer conhecimento da geologia e se esse conhecimento não sistema hidrológico pode ser descrito por um balanço for profundo, as estimativas constituirão meras inferências. hídrico que leve em conta as entradas e as variações no Finalmente, no atual estágio de desenvolvimento da ciência, armazenamento (DS). Na prática, todavia, pensar que é a determinação das quantidades de água evaporadas e simples a equação desse balanço pode ser um engano, transpiradas numa região continua sendo muito difícil. pois nem sempre os seus termos podem ser facilmente A maioria das estimativas de evapotranspiração é feita ou adequadamente quantificados. usando tanques, balanços de energia, métodos de 54 Cap_2.1_F.indd 2 9/12/2008 20:57:48 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações transferência de massa e relações empíricas. Uma no tempo. Diversas condições são necessárias para característica inerente aos parâmetros da equação do que ocorra a precipitação: i) deve existir uma massa balanço hídrico, numa região ou bacia de drenagem, é a de ar à temperatura do ponto de orvalho; ii) a massa sua heterogeneidade. de ar deve sofrer condensação, passando à forma líquida ou sólida; iii) as gotas de água devem se Exemplo 2.1.1 - Em um certo ano, a precipitação média numa bacia hidrográfica de 25.900 km2, foi de 508 mm. A descarga aglutinar para formar gotas de chuva; iv) as gotas de anual medida no rio que drena a bacia, foi de 170 m3/s. Estimar chuva devem ser de tamanho suficiente para que, ao a evapotranspiração real da região durante o ano considerado. deixarem as nuvens, não sejam totalmente evaporadas Aplicando a equação do balanço hídrico: antes de atingir a superfície do solo. De acordo com as condições meteorológicas que as originam, as P – ETR – R – I = DS (2.1.3) precipitações podem ser de três tipos: convectivas, Daí, o termo desconhecido ETR, expressa-se: frontais ou ciclônicas e orográficas ou de relevo. ETR = P – R – I - DS (2.1.4) Convectivas - as chuvas são ditas convectivas A equação (2.1.4), contendo 5 (cinco) variáveis, apresenta 3 quando geradas por um aquecimento das massas de ar (três) incógnitas e não pode ser solucionada sem informação nas proximidades da superfície do solo. Correspondem adicional. Por isso, torna-se necessário adotar algumas a aguaceiros locais, típicos do verão. hipóteses, desde que se julguem razoáveis. No caso, como se trata de uma grande bacia (milhares de km2), pode-se Frontais ou Ciclônicas - são produzidas pelo admitir que o divisor de águas superficiais coincide com o contato de superfícies com massas de ar chamadas divisor de águas subterrâneas, de tal modo que nenhum fluxo frentes de temperatura e umidade diferentes. subterrâneo tem origem, em profundidade, fora dos limites da área de drenagem superficial. Em outras palavras, admite-se que Orográficas ou de Relevo - são originadas pelo todo o escoamento superficial e todo o escoamento subterrâneo resfriamento e condensação das massas de ar em passam pela desembocadura ou limite inferior da bacia de ascensão nas encostas de regiões montanhosas. drenagem. Quando a bacia é de extensão reduzida (menor do que 2.000 km2) e as formações geológicas são muito permeáveis, Em geral, as precipitações nunca são de um só dos esta simplificação provavelmente não se justifica (Markova, 1970). tipos descritos, mas resultam de uma combinação de Em zonas áridas, onde existem explotações de água subterrânea D todos esses tipos.( S sempre negativo), essa hipótese certamente também não se justifica. A hidrologia não é uma ciência exata e a solução de problemas práticos quase sempre exige simplificações, desde Medida da Precipitação que razoavelmente justificadas. No caso em estudo, usando as simplificações mencionadas, a equação (2.1.4) reduz-se a: A chuva é medida por aparelhos chamados pluviômetros. No Brasil, o modelo de pluviômetro de ETR = P - R uso mais tradicional e generalizado é o pluviômetro Ville de Paris. Destina-se a captar e acumular a água da cuja solução é imediata, bastando transformar a descarga de m3/s para mm/ano, ou seja: chuva para posterior medição com proveta graduada. Consiste de um aro circular de captação com área  m3  7  s  3 2 6  m2  receptora de 400 cm2, dotado de um cone coletor R = 170 × 3,15×10   / 25,9×10 (km )×10   s   ano   2 km  que constitui a parte superior de um recipiente com R = 207mm/ ano capacidade de 5 litros (5.000 cm3), que representam 125 mm de altura de chuva captada. O corpo do Portanto, ETR = 508 - 207 = 301 mm/ano aparelho é construído em chapa de aço inoxidável com O valor estimado para a evapotranspiração real, embora possa 630 mm de comprimento. O aparelho é instalado a uma ser considerado como uma aproximação grosseira, serve como altura de 1,5 m acima do nível do solo. A capacidade da cifra de orientação em estudos de planejamento de recursos proveta de vidro pirex é de 25 mm de chuva, graduada a hídricos regionais. cada 0,2 mm de altura de precipitação. Os pluviômetros medem a chuva total precipitada durante um certo Precipitação intervalo de tempo, anotado pelo observador. Além dos pluviômetros, existem os pluviógrafos Precipitação é a chegada da água meteórica em que permitem o registro gráfico, através de dispositivos estado líquido ou sólido à superfície da terra. Nos mecânicos, da intensidade da chuva, ou seja, da sua países tropicais, a precipitação ocorre essencialmente distribuição no tempo. Com o avanço tecnológico dos em forma líquida. Trata-se de um dos componentes últimos anos, existem hoje pluviômetros eletrônicos mais importantes do ciclo hidrológico, na medida em ou digitais, com sensores de chuva que armazenam que constitui a matéria-prima das descargas dos rios os dados em memória não volátil e se comunicam e da recarga dos aqüíferos. com notebooks via interface USB. Podem, ainda, ser Ao contrário de outras variáveis meteorológicas (ex: equipados com modem e transmissor e programados temperatura; umidade relativa; ventos etc), que podem para que as informações medidas e arquivadas sejam ser medidas de forma contínua, a precipitação é um transferidas automaticamente para uma unidade de fenômeno de tipo descontínuo, que varia no espaço e coleta e processamento das informações. 55 Cap_2.1_F.indd 3 9/12/2008 20:57:49 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas Chuva Média Sobre uma Bacia Hidrográfica Em estudos de balanço hídrico (ex: diário; mensal; anual), é preciso avaliar a altura média de chuva precipitada sobre a área de drenagem. Os dados são, geralmente, medidos em uma rede de pluviômetros distribuídos pela bacia hidrográfica. Não é raro encontrar estações pluviométricas com registros incompletos, seja por ausência do observador ou por defeitos no aparelho. Quando isso acontece, é necessário completar a série de dados, estimando o valor ausente em uma determinada estação x, a partir dos valores registrados em 3 (três) estações vizinhas A, B e C, nas quais se dispõe de séries completas. A precipitação Px, na estação x, é dada pela média ponderada dos registros de chuva PA, PB e PC, medidos nas estações A, B e C, respectivamente. Os pesos são representados pelas razões entre a chuva média (normal) anual NX, na estação x, e as chuvas normais NA, NB e NC. N N N  Px = 1  x P x xA + PB + PC  (2.1.5)3 NA NB NC  sendo N a precipitação normal (média) anual. Distribuição Espacial da Precipitação A avaliação da lâmina média precipitada sobre uma bacia hidrográfica é procedimento corriqueiro no estudo do balanço hídrico. O método mais direto é o da média aritmética das alturas de chuva precipitadas nos postos pluviométricos existentes na região. A precisão desse método pode ser satisfatória se as estações pluviométricas forem uniformemente distribuídas na área considerada. Outros procedimentos comumente usados são o método de Thiessen e o método das isoietas. Figura 2.1.3 - Construção dos polígonos de Thiessen: (a) unir as estações pluviométricas formando uma rede de Método de Thiessen - o método consiste na triângulos; (b) traçar perpendiculares ao meio dos lados dos construção de polígonos em duas etapas (figura triângulos e formar os polígonos de Thiessen; (c) planimetrar 2.1.3): i) na primeira etapa, os pontos de medida a área de cada polígono Ai , dividir pela área total A, e avaliar de chuva são unidos por linhas retas, formando o peso Wi. uma rede de triângulos; ii) em seguida, os lados dos triângulos são divididos ao meio e a eles são traçadas linhas perpendiculares, que se interceptam nos vértices dos polígonos de Thiessen. As áreas desses polígonos representam frações da área total e, portanto, são usadas como pesos na estimativa da chuva média, que é feita através da soma dos produtos da chuva Pi de cada posto, pelo seu respectivo peso Wi , ou seja: Pm =ΣW P (2.1.6)i i Método das Isoietas - consiste no traçado de curvas de igual altura de precipitação, chamadas Figura 2.1.4 - Mapa de isoietas com curvas eqüidistantes de isoietas, obtidas por interpolação usando os valores 1 mm. Cada área Ai, entre isoietas é uma fração da área total das chuvas medidas em cada posto (figura 2.1.4). A da bacia e representa um peso Wi. 56 Cap_2.1_F.indd 4 18/12/2008 09:13:44 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A média espacial em cada área Ai é o valor médio (descarga) do rio, em uma dada seção transversal do entre as isoietas. Por exemplo, a precipitação média mesmo. Bacia hidrográfica ou bacia de drenagem é para a área A é igual 6,5 mm. Para toda a bacia, uma área topograficamente definida que é drenada por 1 a média espacial é dada pela combinação linear uma rede de rios e/ou riachos, de tal modo que todo o expressa pela equação (2.1.6). deflúvio é escoado através de uma única saída. O método das isoietas é considerado como o mais A magnitude relativa dos vários componentes preciso para estimar a chuva média numa área. Não em que a chuva pode ser dividida depende das obstante, além do que foi dito, a confiabilidade deste características (naturais e artificiais) da região método exige experiência do analista, que deve levar onde ocorre a precipitação e das características da em conta a topografia e outros fatores passíveis de própria chuva. No início de uma chuva, uma grande condicionar a variabilidade espacial. quantidade da precipitação fica retida pela folhagem das árvores e da vegetação em geral, constituindo Evapotranspiração Real o que se conhece como interceptação. Essa água não atinge a superfície do solo e retorna à atmosfera Evaporação ou vaporização é o processo pelo por evaporação. Uma chuva de pequena intensidade qual as moléculas de água, na superfície líquida ou e curta duração, por exemplo, pode ser totalmente na umidade do solo, adquirem suficiente energia, consumida pela interceptação, pelo preenchimento de através da radiação solar, e passam do estado líquido poças e depressões superficiais e, eventualmente, pela para o de vapor. Transpiração é o processo pelo qual infiltração, se as condições do solo o permitirem. as plantas perdem água para a atmosfera. Na prática, Quando a interceptação e o armazenamento as quantidades de água evaporadas, a partir do teor em depressões do terreno estão completos e a de umidade do solo, e transpiradas, no processo de intensidade da chuva é maior do que a capacidade desenvolvimento das plantas, são muito difíceis de de infiltração do solo, inicia-se, então, o escoamento medir separadamente, e por isso um valor máximo para superficial difuso, com a formação de uma fina essas perdas foi introduzido por Thornthwaite (1948), lâmina de água chamada detenção superficial. com o nome de evapotranspiração potencial (ETP). Quando o escoamento superficial difuso alcança os Este conceito representa, portanto, um limite superior leitos dos rios e riachos, é chamado, simplesmente, para a evapotranspiração real (ETR) ou seja, para a escoamento superficial, ou seja, incorpora-se ao quantidade de água que realmente volta à atmosfera deflúvio. por evaporação e transpiração. A evapotranspiração real (ETR) pode ser estimada a partir da diferença entre Infiltração a precipitação (P) e a evapotranspiração potencial (ETP), do seguinte modo: O conceito de infiltração foi introduzido no ciclo hidrológico por Horton (1933), que definiu a se P - ETP > 0 ⇒ ETR = ETP capacidade de infiltração potencial fp como sendo a taxa máxima à qual um dado solo pode absorver se P - ETP < 0 ⇒ ETR = P a precipitação numa certa condição. Ele admitiu a hipótese de que a capacidade de infiltração seria exponencialmente decrescente com o tempo, de um Deflúvio (R) valor máximo inicial até uma taxa constante. A taxa real de infiltração fi é sempre menor do que fp (exceto Deflúvio, escoamento superficial ou run-off é o quando a intensidade da chuva i é igual ou maior do processo pelo qual a água de chuva, precipitada na que fp ) e também diminui exponencialmente com o superfície da Terra, flui, por ação da gravidade, das tempo, à medida que o solo se torna saturado e as partes mais altas para as mais baixas, nos leitos suas partículas argilosas incham. dos rios e riachos. A magnitude desse escoamento A água infiltrada no solo pode ser dividida em três superficial direto é função da intensidade da chuva, partes. A primeira, permanece na zona não saturada permeabilidade da superfície do terreno, duração da ou zona de fluxo não saturado, isto é, a zona onde chuva, tipo de vegetação, área da bacia de drenagem os vazios do solo estão parcialmente preenchidos por (ou bacia hidrográfica), distribuição espacial da água e ar, acima do nível freático. A segunda parte, precipitação, geometria dos canais dos rios e riachos, denominada interfluxo (escoamento sub-superficial), profundidade do nível das águas subterrâneas e pode continuar a fluir lateralmente, na zona não declividade da superfície do solo. Apesar dessa saturada, a pequenas profundidades, quando existem complexidade, é possível fazer previsões satisfatórias níveis pouco permeáveis imediatamente abaixo da do deflúvio esperado para uma certa chuva. As superfície do solo e, nessas condições, alcançar os relações entre chuva e deflúvio são estabelecidas leitos dos cursos d’água. A terceira parte pode percolar através do estudo da hidrógrafa, que é um gráfico de até o nível freático, constituindo a recarga ou recursos variação da altura da superfície da água ou da vazão renováveis dos aqüíferos. 57 Cap_2.1_F.indd 5 9/12/2008 20:57:49 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas 2.1.4 Distribuição Vertical da Água água, de modo que o limite superior dessa zona tem no Subsolo uma forma irregular. Adota-se porém, o conceito de franja capilar como um limite abaixo do qual o solo é considerado praticamente saturado (cerca de 75%). Abaixo da superfície do terreno, a água contida no solo e nas formações geológicas é dividida ao longo Zona Intermediária - compreendida entre o limite da vertical, basicamente, em duas zonas horizontais, de ascensão capilar da água e o limite de alcance das zona saturada e zona não saturada, de acordo com raízes das plantas. A umidade existente nesta zona a proporção relativa do espaço poroso que é ocupado origina-se de água capilar isolada, fora do alcance das pela água (figura 2.1.5). raízes, e água de retenção por forças não capilares Zona de Água do Solo - chamada também de zona Zona Saturada de evapotranspiração, fica situada entre os extremos radiculares da vegetação e a superfície do terreno. A sua Também chamada de zona de saturação, fica situ- espessura, portanto, pode variar de poucos centímetros, ada abaixo da superfície freática e nela todos os vazios na ausência de cobertura vegetal, até vários metros, em existentes no terreno estão preenchidos com água. A regiões de vegetação abundante. Nesse domínio, as superfície freática é definida como o lugar geométrico plantas utilizam, para as suas funções de transpiração dos pontos em que a água se encontra submetida à e nutrição, água capilar isolada ou suspensa. pressão atmosférica. É uma superfície real na qual a A quantidade total de água que pode ser extraída pressão de referência é p = 0. de uma amostra de solo em laboratório é o teor de umidade do solo. As forças que retêm essa água no Zona de Aeração ou Zona não Saturada solo, são de três tipos: forças de atração elétrica, forças capilares e força gravitacional. Também chamada de zona de aeração ou zona A água retida por forças de atração elétrica existe vadosa (= rasa), situa-se entre a superfície freática e a sob duas formas (Castany, 1963): água higroscópica, superfície do terreno e nela os poros estão parcialmen- que forma porções isoladas adsorvidas pelas te preenchidos por gases (principalmente ar e vapor superfícies dos grãos sólidos e só pode ser recuperada d’água) e por água. De baixo para cima, essa zona em forma de vapor, e água pelicular, que forma uma divide-se em três partes (figura 2.1.5): película ou filme sobre a superfície dos grãos sólidos Zona Capilar - se estende da superfície freática até e sobre a água higroscópica e que se desprende por o limite de ascensão capilar da água. A sua espessura centrifugação. Do ponto de vista hidrogeológico, esses depende, principalmente, da distribuição de tamanho tipos de água não apresentam maior interesse, porque dos poros e da homogeneidade do terreno. Como a não se movem sob a ação da gravidade e não podem umidade decresce de baixo para cima, na parte inferior, ser extraídas por bombeamento. O mesmo acontece próximo da superfície freática, os poros encontram-se do ponto de vista agronômico, uma vez que as forças praticamente saturados. Já nas partes mais superiores, atuantes sobre essas águas são superiores à força de somente os poros menores estão preenchidos com sucção das raízes das plantas. Figura 2.1.5 - Representação esquemática da distribuição vertical da água no solo e subsolo, mostrando as diversas zonas de umidade (modificado de Bear & Verruijt, 1987). 58 Cap_2.1_F.indd 6 9/12/2008 20:57:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A água retida por forças capilares explica-se pelo um tubo de vidro, a equação (2.1.7) assume a forma fato de que no contato de dois fluidos não miscíveis, simplificada (2.1.8) na qual os valores de r e hc são como a água e o ar, existe uma diferença de pressão medidos em centímetros (Davis & DeWiest, 1966): na interface que os separa, produzida pela tensão 0,153 interfacial ou tensão superficial atuante sobre as fases hc = (2.1.8) em contato. Esse fato, aliado à tendência de adesão r das moléculas de água aos grãos sólidos, faz com que Para um meio poroso, existem fórmulas que a água seja retida pelos finos canalículos cheios de ar permitem estimar a altura de ascensão capilar em existentes no solo. Daí porque as forças responsáveis função do diâmetro efetivo dos grãos e da porosidade, por essa adesão são chamadas forças capilares. O como é o caso da expressão abaixo, proposta por diferencial de tensão entre as duas fases (ar e água) Polubarinova-Kochina (1952): em contato Pa - Pw = Pc é chamado pressão capilar e 0,45 (1− η) a sua magnitude é uma medida da tendência de um hc = (2.1.9) meio poroso parcialmente saturado succionar a água d10 η repelindo o ar. Por isso, em física do solo, a pressão onde hc e d10 são medidos em centímetros. capilar é também chamada sucção ou tensão. A medida dessa tensão em um solo não saturado é Valores da altura de ascensão capilar da água feita através de um instrumento chamado tensiômetro estimados pela equação (2.1.9), para materiais (Richard & Gardner, 1936). O fenômeno da ascensão granulares de diversos diâmetros efetivos, supondo uma capilar pode ser ilustrado mergulhando-se em um porosidade de 30% em todos eles, são mostrados na recipiente com água, um tubo capilar de pequeno tabela 2.1.1 mostrada a seguir. Para fins comparativos, diâmetro (2r) como mostrado na figura 2.1.6. são também apresentados os valores calculados Com o ar à pressão atmosférica, a sucção -P usando a equação (2.1.8), que expressa a subida da c produz uma ascensão da água no interior do tubo h . água em um tubo capilar de raio r, supondo r=d10/2.c A magnitude da força f1 correspondente é dada pelo produto da pressão capilar pela área do tubo (-P .π Conceito de Franja Capilarc r2) que é igual a γh 2c.πr , onde γ é o peso específico Conforme pode ser observado na tabela 2.1.1, a da água. Essa força f1 de sucção de baixo para cima altura máxima hc de ascensão capilar da água em é equilibrada pela força de tensão superficial σL, ou um solo depende do diâmetro efetivo dos grãos, melhor, pela componente vertical da força de tensão pois a distribuição granulométrica é um dos fatores superficial, f2=σ L cos θ (dina), exercida de cima para responsáveis pela distribuição de tamanho dos poros. baixo pela tensão superficial manifestada na zona de De fato, enquanto em um cascalho fino a ascensão contato sólido-líquido, ou seja, sobre o comprimento capilar não passa de 1 centímetro, chega a atingir da circunferência do tubo capilar onde se cria um mais de 2 metros no silte. Por isso, em condições menisco cujo ângulo de contato com a parede lateral reais de campo, o limite superior da zona capilar do tubo capilar é igual a θ. Do equilíbrio entre as forças pode ser bastante irregular. A figura 2.1.7 mostra f1 e f2 tem-se πr 2 γhc= 2πrσ cosθ e resulta a seguinte como a verdadeira distribuição de umidade na zona expressão para a altura de ascensão capilar: de aeração, acima da superfície freática, é aproximada 2σ cosθ por uma função degrau, que recebe a denominação hc = γ r (2.1.7) de franja capilar. Este conceito equivale a admitir (acima da superfície freática) a existência de uma Usando valores aproximados σ =75 dina/cm, cos zona saturada de espessura hc e nenhuma umidade θ ≈ 1 e γ = 0,981 dina/cm3 para a água a 20 ºC em além da mesma. Figura 2.1.6 - Ascensão da água em um tubo capilar. 59 Cap_2.1_F.indd 7 9/12/2008 20:57:50 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas Altura de ascensão Esse teor também é chamado de teor de umidade Diâmetro capilar (cm) irredutível θr. O teor de umidade θ, existente em Material efetivo Equação Equação um volume V de solo não saturado, é dado pela (cm) relação V /V, onde V é o volume de água. O grau de (2.1.9) (2.1.8) w Wsaturação SW expressa-se pela relação VW /VV, onde Cascalho fino 1 1 0,3 VV é o volume de vazios do solo. O teor de umidade Areia grosseira 0,2 5 1,5 representa a água existente no volume total de solo, Areia média 0,05 21 6 enquanto que o grau de saturação representa a água existente no volume de vazios do solo, onde também Areia fina 0,025 42 12 existe ar. A porosidade η é dada pela relação VV / V e, Areia muito fina 0,010 105 31 portanto, VV = ηV. Substituindo essa última expressão Silte 0,005 210 31 na relação que define o grau de saturação, conclui- se que o teor de umidade é dado pelo produto da Tabela 2.1.1 - Comparação entre as alturas de ascensão porosidade pelo grau de saturação, isto é, θ=ηS . capilar em meios porosos granulares de texturas diversas WPortanto, teoricamente, na saturação natural da água (para η = 0,3) e em um tubo capilar de raio r=d10/2. (SW = 1) o teor de umidade θs = η. Estudos experimentais de filtração da água em colunas de areia parcialmente saturadas mostraram que, devido ao aprisionamento do ar, a saturação natural da água θs é significativamente menor do que a porosidade η (figura 2.1.8). Os experimentos foram conduzidos usando areia aluvial grosseira com granulometria variando na faixa de 0,02 a 1 mm, porosidade de 37% e 50% do peso com diâmetro inferior a 0,3 mm (Touma & Vauclin, 1986). Efetuando medições do teor de umidade (θ) e das cargas de pressão do ar e da água, ha e hw, respectivamente, Touma & Vauclin (op. cit.) comprovaram que a altura de ascensão capilar ou carga de pressão capilar (hc = ha - hw), é função do teor de umidade do solo e se ajusta muito bem à expressão analítica (2.1.10), estabelecida por Van Genuchten (1980). θs − θFigura 2.1.7 - Ilustração dos conceitos de superfície freática θ = r + θ y r e franja capilar (modificado de Bear & Verruijt, 1987). β (2.1.10)1+ (αhc ) Para fluxo horizontal (hipótese de Dupuit), os níveis d’água em poços de observação que terminam abaixo da superfície freática, isto é, na zona de pressões positivas, representam pontos da superfície freática. Conhecendo-se um certo número desses pontos, é possível desenhar os contornos dessa superfície. Admite- se, portanto, que a franja capilar substitui a distribuição de umidade acima da superfície freática ou superfície de saturação das águas subterrâneas. Como a franja capilar é considerada saturada, a superfície de altura hc que a delimita pode ser associada com o nível freático ou nível da água subterrânea. Mas, na maioria dos aqüíferos, a espessura da franja capilar é muito pequena em relação à espessura saturada abaixo da superfície freática. Por isso, quase sempre se despreza a franja capilar. Distribuição Real da Carga de Pressão Capilar O teor de umidade abaixo da capacidade de campo Figura 2.1.8 - Distribuição da carga de pressão capilar em representa água não utilizável pelas plantas e recebe a função do teor de umidade do solo (modificado de Touma denominação agronômica de ponto de murchamento. & Vauclin, 1986). 60 Cap_2.1_F.indd 8 9/12/2008 20:57:51 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Zona de Saturação Retenção Específica - sabe-se que uma parte da água de saturação dos vazios fica retida na superfície Embora toda a água situada abaixo da superfície da dos grãos por forças de atração molecular, que são Terra seja evidentemente subterrânea, na hidrogeologia mais fortes do que a gravidade. É o que se chama de a denominação água subterrânea é atribuída apenas água de retenção ou retenção específica Sr. Portanto, à água que circula na zona saturada, isto é, na zona a porosidade total é a soma da porosidade efetiva e situada abaixo da superfície freática. da retenção específica, ou seja: Conforme já visto no capítulo 1.2, denomina-se aqüífero a uma formação geológica que contém η = ηe + Sr (2.1.12) água e permite que quantidades significativas dessa água se movimentem no seu interior em condições Coeficiente de Armazenamento - o conceito naturais. As formações permeáveis, como as areias de coeficiente de armazenamento de um aqüífero e os arenitos, são exemplos de aqüíferos. Já um se baseia nas forças de pressão que agem sobre o aqüiclude é uma formação que pode conter água (até esqueleto sólido do meio poroso e sobre a água que mesmo em quantidades significativas), mas é incapaz preenche os vazios ou interstícios existentes entre os de transmiti-la em condições naturais. As formações grãos. Trata-se de forças de tensão que atuam sobre a impermeáveis, como as camadas de argila, são parte sólida (suposta elástica) e forças de compressão exemplos de aqüicludes. Um aqüitardo é uma camada que atuam sobre a parte fluida (suposta compressível). ou formação semi-permeável, delimitada no topo e/ou A elasticidade volumétrica de aqüíferos é conhecida na base por camadas de permeabilidade muito maior. há muito tempo. Meinzer & Hard (1925), mostraram, O aqüitardo tem o comportamento de uma membrana a partir do estudo das relações entre os declínios de semi-permeável através da qual pode ocorrer uma carga hidráulica e os volumes de água extraídos de filtração vertical ou drenança. E, por fim, a denominação aqüíferos confinados, que os mesmos são elásticos e aqüífugo aplica-se a uma formação impermeável que compressíveis. São também consideradas evidências nem armazena nem transmite água. da compressibilidade e elasticidade dos aqüíferos, as variações de nível d’água de poços produzidas Parâmetros que Afetam o Armazenamento por fenômenos diversos, tais como variações de Porosidade - o volume total V de um solo ou pressão atmosférica, variações das marés, efeitos de T rocha consiste de um volume de material sólido terremotos, subsidências de terras produzidas por V e de um volume de vazios V . Por definição, a explotações de água subterrânea etc.S v porosidade, também chamada porosidade volumétrica Para um aqüífero confinado, é definido como o volume ou porosidade total, se expressa por η = V /V . De de água liberado por um prisma de secção unitária e V T acordo com os diferentes tipos de rochas e texturas altura igual à espessura do aqüífero, sob o efeito de uma de solos, existem dois tipos de porosidade: uma variação unitária do nível potenciométrico. O seu valor primária, condicionada pela existência de vazios varia na faixa de 10 -5 a 10-3, aproximadamente. Para inerentes à matriz da rocha ou solo; e uma secundária, os aqüíferos livres, o coeficiente de armazenamento é representado pela porosidade efetiva (ηe) ou produção produzida por fenômenos que posteriormente afetaram específica (S ), cujo valor oscila geralmente na faixa de a rocha, como, por exemplo, dissolução e ou fraturas y2 a 30% (Walton, 1970). controladas por estruturas regionais. Pode ocorrer que em determinado meio poroso Tipos de Aqüíferos existam poros não interconectados, isolados ou sem saída (dead-end pores) ou pontos estagnados Os aqüíferos podem ser classificados de acordo (stagnant pockets), que, apesar de serem volumes com a pressão das águas nas suas superfícies vazios, não permitem a água fluir livremente. Todavia, limítrofes (superior, chamada topo, e inferior, chamada não há como avaliar ou medir esses espaços, motivo base) e, também, em função da capacidade de pelo qual geralmente não são levados em conta. transmissão de água dessas respectivas camadas limítrofes (do topo, camada confinante superior, e da Porosidade Efetiva - a água subterrânea que tem base, camada confinante inferior), conforme ilustrado interesse para o homem é aquela que se pode obter na figura 2.1.9. Em relação à pressão nas superfícies através de nascentes ou bombeada de poços, isto é, limítrofes, os aqüíferos podem ser classificados em: a água que se movimenta sob a ação da gravidade. confinados e livres. Define-se, então, a porosidade efetiva ηe ou produção específica S Aqüíferos Confinados y, como sendo a razão entre o volume de água liberado dos vazios pelas forças gravitacionais Também chamados de aqüíferos sob pressão, Vg e o volume total da rocha VT, como mostrado na são aqueles onde a pressão da água em seu topo equação a seguir: é maior do que a pressão atmosférica. Em função V das características das camadas limítrofes, podem ηe = Sy = g (2.1.11) ser definidos como: confinados não drenantes e VT confinados drenantes. 61 Cap_2.1_F.indd 9 9/12/2008 20:57:51 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas Aqüíferos Confinados não Drenantes - são 2.1.5 Geologia da Água Subterrânea aqüíferos cujas camadas limítrofes, superior e inferior, são impermeáveis. Em um poço que penetra num Em um sistema geológico, a natureza e a distribuição aqüífero desse tipo, o nível da água subterrânea fica dos aqüíferos e aqüitardos são controladas pela litologia, acima da base da camada confinante superior. É o caso estratigrafia e estrutura das formações geológicas. do aqüífero B, penetrado pelos poços 1, 2 e 4 e do Litologia - trata da composição mineral, da aqüífero C, penetrado pelo poço 3 (figura 2.1.9). Esse distribuição de tamanho dos grãos e do grau de nível pode ficar abaixo da superfície do solo (como compactação dos sedimentos ou rochas constituintes nos poços 1 e 4) ou acima dessa superfície (como no do arcabouço geológico. poço 2). Neste caso, o poço costuma ser chamado de artesiano surgente ou jorrante. Em qualquer Estratigrafia - descreve as relações geométricas situação, esse nível de água no poço, indica a carga e cronológicas entre os vários elementos constituintes potenciométrica ou carga hidráulica média (capítulos do sistema geológico, tais como lentes, camadas e 2.2 e 6.4) ao longo da zona do filtro do poço ou da zona formações de origem sedimentar. As discordâncias, de admissão de água do poço (capítulo 6.1). Os níveis por exemplo, são características estratigráficas d’água em um certo número de poços de observação especialmente importantes em hidrogeologia (Freeze penetrantes em um aqüífero, definem uma superfície & Cherry, 1979). Tratam-se de descontinuidades potenciométrica (capítulos 2.2 e 4.1). estratigráficas ou superfícies que refletem a ocorrência Aqüíferos Confinados Drenantes - são aqueles de um intervalo de tempo durante o qual o processo de onde, pelo menos, uma das camadas limítrofes é semi- deposição foi interrompido, ou, ainda, durante o qual permeável, permitindo a entrada ou saída de fluxos pelo a superfície das rochas existentes foi intemperizada, topo e/ou pela base, através de drenança (capítulos erodida ou afetada por movimentos tectônicos. Essas 2.2 e 6.4) ascendente ou descendente (figura 2.1.9). As discordâncias muitas vezes apresentam-se como formações semipermeáveis oferecem uma resistência superfícies que separam meios de permeabilidade hidráulica relativamente alta à passagem do fluxo de água diferente e, por isso, freqüentemente estão associadas através delas. Mesmo assim, quantidades consideráveis com a ocorrência de aqüíferos. de água podem ser perdidas ou ganhas pelos aqüíferos drenantes de grande extensão regional. Estrutura - diz respeito às características geométricas produzidas no sistema geológico por Aqüíferos Livres deformação, após deposição ou cristalização, como Também chamados de freáticos ou não confinados, é o caso das juntas, fraturas, falhas e dobras. são aqueles cujo limite superior é a superfície de O conhecimento da geologia de uma região, isto saturação ou freática na qual todos os pontos se é, da sua litoestratigrafia e estrutura, é o ponto de encontram à pressão atmosférica. As áreas de recarga partida para a compreensão da distribuição espacial dos aqüíferos confinados correspondem a aqüíferos dos aqüíferos e aqüitardos. livres através dos quais os excessos de água da chuva conseguem penetrar por infiltração. A exemplo dos Água Subterrânea em Sedimentos aqüíferos confinados, os aqüíferos livres também se classificam em drenantes (ou de base semipermeável) Inconsolidados e não drenantes (ou de base impermeável). A ocorrência de água subterrânea em sedimentos Convém examinar atentamente a figura 2.1.9, para pouco consolidados apresenta muitas vantagens do fixar os conceitos aqui descritos. Por exemplo, o aqüífero ponto de vista do aproveitamento. Por isso, sempre que freático A é penetrado pelo poço 5 e fica situado acima possível, a procura de água subterrânea em depósitos de dois aqüíferos confinados B e C. As condições de desse tipo é prioritária. Dentre as principais razões que confinamento dos vários aqüíferos envolvidos podem justificam essa prioridade, mencionam-se: variar de livre a confinadas e confinadas drenantes, • são fáceis de perfurar ou escavar, o que torna a como se observa no aqüífero B. A magnitude e a direção investigação rápida e menos onerosa; das filtrações verticais ou drenanças são determinadas pelas elevações das superfícies potenciométricas de • são, geralmente, encontrados em vales e em áreas cada um desses aqüíferos. Assim, os limites entre as onde os níveis da água subterrânea se apresentam várias porções confinadas e livres podem mudar com o pouco profundos, possibilitando o bombeamento tempo, se as posições das superfícies potenciométricas com pequenos recalques; forem alteradas. Existe um caso especial de aqüífero livre, • situam-se, freqüentemente, em locais favoráveis denominado de aqüífero suspenso, quando é formado à recarga a partir de rios, riachos e lagoas e, até sobre uma camada impermeável ou semipermeável de mesmo, da infiltração direta das chuvas. Por serem extensão limitada e situada entre a superfície freática pouco consolidados, esses depósitos, geralmente, regional e o nível do terreno. Esses aqüíferos às vezes possuem alta capacidade de infiltração potencial, existem em caráter temporário, na medida em que maior porosidade efetiva e maior permeabilidade drenam para o nível freático subjacente. do que as formações compactas. 62 Cap_2.1_F.indd 10 9/12/2008 20:57:51 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 63 Cap_2.1_F.indd 11 9/12/2008 20:57:52 Figura 2.1.9 - Representação esquemática dos diferentes tipos de aqüíferos, de acordo com o sistema de pressão de suas águas e com a natureza das camadas que os delimitam no topo e na base (modificado de Bear & Verruijt, 1987). Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas Dentre os sedimentos inconsolidados, os mais que permite caracterizar a origem e os ambientes importantes são as aluviões, as dunas e alguns deposicionais dos arenitos, pode ser muito útil na depósitos coluviais. As coberturas eluviais, embora avaliação das distribuições de permeabilidade. não sejam depósitos sedimentares no sentido Os arenitos normalmente apresentam porosidades usual do termo, possuem muitas características mais baixas do que as areias pouco consolidadas, hidrogeológicas em comum com alúvios e colúvios. devido à compactação e cimentação de parte dos Aluviões - no detalhe, a distribuição de argila, vazios existentes entre os grãos. Em casos extremos, silte, areia e cascalho nos depósitos aluviais é muito as porosidades chegam a ser inferiores a 1% e as complexa. Devido à mobilidade dos leitos dos rios e às condutividades hidráulicas da mesma ordem daquelas constantes variações de velocidade de sedimentação que se observam em siltitos e folhelhos não fraturados das partículas sólidas, os depósitos aluviais possuem (10-10 m/s). Quartzo, calcita e minerais de argila, são os características texturais muito variadas, o que produz materiais mais encontrados cimentando os grãos dos muita heterogeneidade na distribuição das propriedades arenitos. Esses minerais formam-se como resultado de hidráulicas. Apesar da grande variabilidade lateral de precipitação ou alteração mineral durante a circulação fácies que caracteriza a deposição nos vales dos da água subterrânea através da areia. A compactação rios, muitos deles apresentam uma seqüência vertical é importante a grandes profundidades, onde reinam variável de areias grosseiras e cascalhos na base altas pressões e temperaturas. Estudos realizados por dos canais, até siltes e argilas no topo. A espessura Atwater (1966), indicam que a porosidade dos arenitos relativa das unidades finas e grosseiras depende decresce sistematicamente com a profundidade a uma do tipo de sedimentos transportados pelo rio e da taxa de 1,3% para cada 300 m. história geológica do rio no local de interesse. Em Chillingar (1963) mostrou que existe, para os arenitos casos favoráveis, a investigação detalhada através de de diversas categorias de tamanho de grãos, uma sondagens pode levar à caracterização de um padrão tendência bem definida de aumento da permeabilidade até certo ponto previsível da distribuição faciológica e, com o aumento da porosidade (figura 2.1.10). portanto, de delineação das zonas aqüíferas. Ao tratar da porosidade e permeabilidade de Dunas - materiais como areia e silte, que são materiais naturais, Davis (1969) sugere que a presença transportados e depositados pelo vento são conhecidos de estratificações de pequena escala em arenitos como depósitos eólicos. É o caso das dunas formadas permite supor que a permeabilidade de amostras muito ao longo das regiões costeiras e, às vezes, em áreas grandes é uniformemente anisotrópica. Isto porque interiores nas quais as chuvas são esparsas e existem a variação vertical de permeabilidade em grandes areias disponíveis para transporte e deposição massas de arenito seria pequena, mesmo em zonas pelo vento. As areias eólicas caracterizam-se pela de permeabilidade horizontal elevada. As variações de ausência de frações de silte e argila, e apresentam permeabilidade refletem variações nas condições de textura uniforme com grãos arredondados e partículas deposição reinantes durante o processo de deposição distribuídas na faixa granulométrica de média a fina. (Freeze & Cherry, 1979). São moderadamente permeáveis (10-4 a 10-6 m/s) e Localmente, todavia, testes de laboratório efetuados formam aqüíferos em áreas onde existe suficiente em testemunhos de camadas de arenitos indicam que espessura saturada. As porosidades situam-se entre 30 a condutividade hidráulica pode apresentar diferenças e 45%. Ao contrário das aluviões, os depósitos eólicos tendem a ser muito homogêneos, em escala local e muitas vezes em escala regional. Água Subterrânea em Rochas Sedimentares No domínio dos sedimentos consolidados, as rochas mais importantes como aqüíferos são aquelas que apresentam de regular a boa permeabilidade. As rochas pouco permeáveis, como arenitos muito argilosos e siltitos, comportam-se como aqüitardos, devido à sua baixa capacidade de transmissão de água. Finalmente, os argilitos e folhelhos, por serem praticamente impermeáveis, classificam-se como aqüicludes. Arenitos - os arenitos formam aqüíferos regionais que armazenam grandes quantidades de água potável. As formações areníticas de maior expressão hidrogeológica Figura 2.1.10 - Relação entre porosidade e permeabilidade possuem origens diversas, incluindo ambientes fluviais, para arenitos de diferentes tamanhos de grãos (modificado eólicos, deltaicos e marinhos. O estudo sedimentológico, de Chilingar, 1963 apud Freeze & Cherry, 1979). 64 Cap_2.1_F.indd 12 9/12/2008 20:57:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações da ordem de 10 a 100 vezes, em zonas que, à luz do dolomita. Para que a água subterrânea possa dissolver simples exame visual, poderiam se classificar como as rochas carbonáticas e produzir grandes vazios em relativamente homogêneas. A figura 2.1.11 ilustra um seu interior, ela precisa ser subsaturada em carbonatos. perfil de condutividade hidráulica ao longo da vertical Observações em pedreiras e outras escavações num pacote de arenitos relativamente espesso. efetuadas em rochas carbonáticas sub-horizontais Com base em medições de condutividade revelaram aberturas de dissolução bastante espaçadas hidráulica efetuadas em um grande número de ao longo de juntas verticais. Isso levou os autores a amostras de testemunhos de arenitos, Piersol et al. concluírem que, do ponto de vista da capacidade (1940) verificaram que o valor médio da razão Kh / Kv , de produção de água em poços, as aberturas ao entre a condutividade hidráulica horizontal e a vertical longo dos planos de acamadamento seriam as mais é da ordem de 1,5. Apenas 12% das amostras importantes (Walker, 1956; Johnston, 1962). No caso apresentaram razões acima de 3,0. À medida que as considerado, conforme é ilustrado na figura 2.1.12, areias se tornam mais cimentadas e compactadas, existe uma maior probabilidade dos poços encontrarem a contribuição das fraturas para a condutividade aberturas horizontais do que aberturas verticais. hidráulica volumétrica do material aumenta. A tendência dos grandes valores de condutividade ocorrerem na direção horizontal é substituída por uma maior condutividade de fraturas ao longo da vertical. Figura 2.1.12 - Ilustração esquemática da ocorrência de água subterrânea numa rocha carbonática na qual a per- meabilidade secundária ocorre ao longo dos planos de acamadamento e das fraturas verticais alargadas por dis- solução (Walker, 1956; Davis & De Wiest,1966; modificado de Freeze & Cherry, 1979). Figura 2.1.11 - Diagrama esquemático mostrando a variação de condutividade hidráulica com a profundidade em um Em rochas carbonáticas fraturadas, poços aqüífero de arenito espesso e relativamente homogêneo produtores de grande capacidade e poços (modificado de Freeze & Cherry, 1979). praticamente secos podem existir à pequena distância um do outro, dependendo da magnitude das gretas e zonas fraturadas interceptadas pela Rochas Carbonáticas - as rochas carbonáticas perfuração. Embora a ocorrência de camadas ocorrem nas formas de calcário e calcário dolomítico. de calcário possa ser localizada e caracterizada Quase toda a dolomita tem origem secundária e através de estudos estratigráficos e estruturais resulta da alteração geoquímica da calcita. Essa (capítulo 3.3), a capacidade de produção de água transformação mineralógica produz um aumento na de tais camadas é muito difícil de prever. Em muitas porosidade e permeabilidade porque a cristalização áreas, é quase sempre a evidência empírica que da dolomita ocupa cerca de 13% menos espaço revela a ocorrência de um aqüífero numa formação do que a calcita (Freeze & Cherry, op. cit.). Rochas ou camada de calcário. Somente em poucas carbonáticas apresentam porosidades variáveis de situações (talvez menos de 5% dos casos), pode 20 a 50%. A condutividade hidráulica primária de um estudo geológico de superfície explicar a alta calcários e dolomitos não fraturados é geralmente produtividade aqüífera de uma formação calcária. inferior a 10-7m/s, o que representa uma medíocre Em algumas rochas carbonáticas, a existência capacidade de transmissão de água subterrânea. de fraturas verticais concentradas cria zonas Em geral, todavia, as rochas carbonáticas de alta condutividade hidráulica. A figura 2.1.13 apresentam significativa condutividade hidráulica ilustra uma situação em que as intersecções de secundária, produzida por fraturas resultantes de traços de fraturas e lineamentos refletem-se na movimentos tectônicos, ao longo das quais a circulação morfologia superficial. Em tais zonas são maiores as de água subterrânea atua dissolvendo a calcita e a probabilidades de dissolução e, por conseguinte, de 65 Cap_2.1_F.indd 13 9/12/2008 20:57:52 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas Água Subterrânea em Rochas Ígneas e Metamórficas Porosidade e Permeabilidade Primárias Amostras sólidas e não fraturadas de rochas ígneas e metamórficas possuem porosidades praticamente nulas. Os vazios intercristalinos condicionantes da porosidade são mínimos e não interconectados. Por esta razão, as permeabilidades primárias dessas rochas, expressas como condutividade hidráulica, são extremamente pequenas (10-11 a 10-13 m/s). Esses valores foram estimados em amostras intactas de meta-sedimentos (quartzito, micaxisto, filito e Figura 2.1.13 - Ocorrência de zonas de maior permeabilidade metagrauvaca) à temperatura ambiente (Stuart et em rocha carbonática fraturada. As maiores produções de al., 1954). Medidas de condutividade hidráulica de água de poços acontecem nas zonas de intersecção estru- tural (modificado de Freeze & Cherry 1979). granitos em poços sem fraturas, geralmente fornecem valores da ordem de 10-11 m/s, o que equivale a dizer que essas rochas podem ser consideradas aumento da condutividade hidráulica, com reflexos como impermeáveis no contexto dos problemas de positivos na produtividade dos poços (Lattman & aproveitamento de água subterrânea. Parizek, 1964; Parizek & Drew, 1966). Segundo Davis & De Wiest (1966), em escala Porosidade e Permeabilidade Secundárias mesoscópica (de afloramento da rocha), evidências favoráveis seriam, por exemplo, a presença de No domínio das rochas cristalinas ígneas e aberturas de dissolução, sistemas de juntas pouco metamórficas, em geral sempre se observa, ao nível espaçadas e falhas na zona de interesse. Aberturas mesoscópico, significativa ocorrência de fraturas de dissolução tendem a ser melhor desenvolvidas produzidas por variações nas condições de tensão, nas proximidades de falhas e, por isso, os traços de verificadas durante os vários episódios que marcaram falhas verticais, na superfície, devem ser usados como a história geológica dessas rochas. As fraturas criam guias na localização dos pontos mais favoráveis para uma porosidade secundária, responsável pelo a perfuração de poços. Condições desfavoráveis, armazenamento e uma permeabilidade (m2), que indicativas de que uma camada de calcário ou também se expressa como uma condutividade dolomito talvez não se comporte como aqüífero hidráulica (m/s), responsável pela circulação da água em profundidade, seriam ausência de aberturas de subterrânea. As aberturas das fraturas geralmente são dissolução e presença de folhelhos e margas. Para a menores do que 1 mm. Em alguns casos, a dissolução obtenção de melhores resultados na locação de poços, da sílica pode produzir aumento nas aberturas das Davis & De Wiest (op. cit.) consideram que: fendas, quando a água de recarga é capaz de atacar • em áreas de calcários ou dolomitos espessos, os os silicatos (Tolman, 1937; Davis, 1969). Muitas vezes, poços locados no fundo dos vales tendem a ser porém, a água de infiltração se enriquece em sílica na melhores do que os locados nas encostas, porque zona de cobertura eluvial antes de atingir o domínio os primeiros apresentam níveis d’água pouco fraturado subjacente e, quando isto acontece, ela perde profundos e podem mais facilmente receber recarga a agressividade em relação aos minerais silicatados induzida de depósitos aluviais adjacentes; presentes nas superfícies das fraturas. • os poços nas partes mais altas das colinas tendem a ser mais produtivos do que os nas encostas, quando as condições topográficas estão associadas a estruturas geológicas particulares. Por exemplo, fraturas e aberturas de dissolução seriam mais abundantes ao longo das cristas de antiformes e dos eixos de sinformes, do que nos flancos das dobras (figura 2.1.14). Se a água da aluvião (figura 2.1.14) não contiver minerais carbonáticos, a infiltração da mesma no calcário poderá produzir aberturas de dissolução. Se Figura 2.1.14 - Ilustração da ocorrência de uma zona de ela apresentar dureza elevada, então ficará saturada alta permeabilidade em fraturas alargadas por dissolução em relação à calcita e dolomita, e a tendência é de não ao longo da crista aflorante de um antiforme em rocha ocorrer dissolução. carbonática (modificado de Freeze & Cherry, 1979). 66 Cap_2.1_F.indd 14 9/12/2008 20:57:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Na tabela 2.1.2 são mostrados resultados de Usando uma amostra de 800 poços perfurados condutividade hidráulica (m/s), permeabilidade (m2), em rochas cristalinas nos estados do Rio Grande do abertura (mm) e porosidade (%) de fraturas em rochas Norte e da Paraíba, com profundidades variáveis de cristalinas do Nordeste do Brasil (Manoel Filho, 1996). 20 a 70 m, foram calculados os valores médios de As condutividades hidráulicas médias variam, em geral, profundidade e produtividade, em 16 subconjuntos de na faixa de 3,8 a 5,5 cm/s, exibindo, porém, valores 50 poços. Os resultados (figura 2.1.16) não apresentam excepcionalmente altos (1,3 e 2,5 m/s). As aberturas a regularidade sugerida pela curva de Legrand (figura médias variam entre 0,2 e 0,95 mm com valores 2.1.15). Eles refletem a tendência de decréscimo da excepcionais superiores a 2 mm. As porosidades produtividade com a profundidade, de maneira bem menos significativa (R = 0,704). Vale notar que três são sistematicamente muito baixas, em todos tipos subconjuntos de 50 poços exibem produtividades de rochas, com médias situadas entre 0,0007% e diferentes para a mesma profundidade média de 40 m, 0,0071%. assim como para profundidades médias de 50 e 60 m (figura 2.1.16). Conclui-se, finalmente, que não existe Variação de Permeabilidade com a Profundidade correlação (R= 0,285) entre profundidade abaixo do Alguns estudos, efetuados há mais de 30 anos nível estático e produtividade do poço (figura 2.1.17). nos Estados Unidos, sugerem que a permeabilidade média das rochas ígneas e metamórficas decresce rapidamente com a profundidade (Davis & Turk, 1964; Dingman et al.,1954; Gregory & Ellis,1909; LeGrand, 1954; 1962). Os resultados de um estudo efetuado por Legrand (1954), numa área de rochas cristalinas (granito, gabro, gnaisse e micaxisto) na Carolina do Norte, sugerem que existe um decréscimo da produtividade do poço com o aumento da espessura estática saturada (figura 2.1.15). Freeze & Cherry (1979) interpretam os resultados obtidos por Legrand (op.cit.) como uma expressão quantitativa da tendência que os perfuradores de poços observam de modo mais qualitativo em muitas regiões de rochas cristalinas. A correlação sugerida pela figura 2.1.15 entre a profundidade média dos poços e a produtividade média (coeficiente de correlação R = 0,898) parece significativa. Figura 2.1.16 - Decréscimo da produção média do poço (m3/h por metro de espessura abaixo do nível estático) com a profundidade média dos poços no cristalino dos estados da Paraíba e do Rio Grande do Norte (dados de Costa, 1986; Manoel Filho, 1996). Figura 2.1.15 - Decréscimo na produção média de poços (m3/h por metro de poço abaixo do nível estático) com a profundidade média em rochas cristalinas na área de States- ville, Carolina do Norte. Os números próximos aos pontos Figura 2.1.17 - Variação da produção do poço (m3/h por indicam o número de poços usados para obter os valores metro de espessura abaixo do nível estático) com a profun- médios que definem a curva (dados de Legrand,1954; Davis didade no cristalino da Paraíba e do Rio Grande do Norte & De Wiest,1966). (dados de Costa, 1986; Manoel Filho, 1996). 67 Cap_2.1_F.indd 15 9/12/2008 20:57:54 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas 68 Cap_2.1_F.indd 16 9/12/2008 20:57:54 CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA PERMEABILIDADE ABERTURA POROSIDADE SUB-PROV. NO HIDRO- LOCAL/ROCHA DE (m/s) (m2) (mm) (%) GEOLÓGICA TESTES Média Mínima Máxima Média Mínima Máxima Média Mínima Máxima Média Mínima Máxima granito 22 7,00E-02 1,20E-02 1,80E-01 6,50E-09 1,10E-09 1,60E-08 0,27 0,12 0,44 0,001 0,0002 0,0029 CEARÁ quartzito 5 1,30E-01 1,20E-01 1,40E-01 1,20E-08 1,10E-08 1,30E-08 0,38 0,36 0,39 0,0011 0,001 0,0011 Total 27 7,50E-02 1,20E-02 1,80E-01 6,90E-09 1,10E-09 1,60E-08 0,27 0,12 0,44 0,001 0,0002 0,0029 granito 5 1,20E-01 2,30E-02 4,20E-01 1,10E-08 2,10E-09 3,90E-08 0,3 0,16 0,69 0,0022 0,0004 0,0076 RIO GRANDE gnaisse 5 4,40E-02 1,40E-02 8,40E-02 4,00E-09 1,30E-09 7,70E-09 0,21 0,13 0,3 0,0014 0,0008 0,0033 DO micaxisto 3 9,80E-02 3,30E-02 2,20E-01 9,00E-09 3,00E-09 2,10E-08 0,3 0,19 0,5 0,0031 0,0012 0,006 NORTE ESCUDO Total 13 8,40E-02 1,40E-02 4,20E-01 7,70E-09 1,30E-09 3,90E-08 0,26 0,13 0,69 0,0021 0,0004 0,0076 ORIENTAL granito 3 8,30E-01 9,30E-02 4,30E+00 7,60E-08 8,50E-09 4,00E-07 0,67 0,32 2,19 0,0071 0,0014 0,0209 NE gnaisse 5 2,50E+00 2,10E-02 2,30E+01 2,30E-07 1,90E-09 2,10E-06 0,38 0,15 0,93 0,0068 0,0023 0,0286 migmatito 4 6,30E-02 8,40E-03 1,70E-01 5,80E-09 7,70E-10 1,50E-08 0,23 0,1 0,43 0,0025 0,0012 0,004 PARAÍBA micaxisto 4 3,80E-02 2,10E-02 6,20E-02 3,50E-09 2,00E-09 5,70E-09 0,2 0,15 0,26 0,0007 0,0005 0,0009 filito 4 1,40E-01 2,50E-02 2,80E-01 1,30E-08 2,30E-09 2,50E-08 0,37 0,17 0,55 0,0022 0,0005 0,0058 Total 20 7,90E-01 8,40E-03 2.,3E+01 7,30E-08 7,70E-10 2,10E-06 0,36 0,10 2,19 0,0038 0,0005 0,0286 Cristalino in- BAHIA 8 1,30E-01 2,10E-02 3,60E-01 1,20E-08 1,90E-09 3,30E-08 0,35 0,15 0,63 0,0015 0,0005 0,0031 diferenciado COBERTURAS CLÁSTICAS SÃO BAHIA 8 5,5E-01 6,0E-02 2.,1E+00 5,0E-08 5,5E-09 1,9E-07 0,63 0,26 1,51 0,0043 0,0007 0,0132 FRANCISCO COBERTURAS CARBONÁTICAS BAHIA (Meta-calcário) 9 1,3E+00 4,8E-02 5,6E+00 1,2E-07 4,4E-09 5,1E-07 0,95 0,23 2,48 0,0039 0,0016 0,0124 SÃO FRANCISCO Tabela 2.1.2 - Propriedades hidráulicas em rochas cristalinas no Nordeste do Brasil (Manoel Filho, 1996). Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Locação de poços condutividade hidráulica e/ou para a permeabilidade das rochas fissuradas (Gustafson & Krásný, 1994). “Poucas tarefas em hidrogeologia são mais Salvo em casos muito particulares, ainda se continua difíceis do que a locação de poços em rochas ígneas desconhecendo como identificar de forma sistemática e metamórficas. Variações extremas de litologia e aqueles pontos específicos ou zonas preferenciais de estrutura, associadas com zonas produtoras de fluxo em meio fraturado. água localizadas em pontos preferenciais dificultam as investigações geológica e geofísica. O solo e a O Cristalino das Regiões Semi-Áridas vegetação, muitas vezes, mascaram os afloramentos e impedem um mapeamento geológico detalhado. Além Nas regiões semi-áridas, como por exemplo, disso, pequenas fraturas que produzem a maior parte da o Nordeste do Brasil, com cerca de 500.000 km² água dos poços em rochas não intemperizadas não são ocupados por rochas cristalinas, o aproveitamento detectadas por métodos geofísicos. Não surpreende, de água subterrânea dessas rochas sempre foi uma portanto, que em algumas regiões a porcentagem de alternativa que se levou em consideração, notadamente insucesso na perfuração de poços seja alta mesmo em virtude da carência de outros recursos hídricos. A 3 quando as locações são feitas por hidrogeólogos produção média dos poços é da ordem de 3 m /h, com 3 experientes.” (Davis & De Wiest, op.cit.). mediana de 2 m /h. O manto de cobertura indiferenciada A perspectiva de uso das técnicas de mapeamento (alúvios, elúvios e colúvios) tem espessura média da de fraturas na locação de poços no cristalino com ordem de 5 m com valor mediano da ordem de 4 os recursos tecnológicos mais modernos, de análise m. As águas apresentam qualidade medíocre, com e processamento de imagens, está trazendo para média de sólidos totais dissolvidos da ordem de 3.000 muitos especialistas envolvidos com o problema mg/L e mediana de apenas 1.500 mg/L (Manoel Filho, a esperança de redução dos chamados “índices 1996). Nos períodos de estiagens prolongadas, essa de insucesso”, na produtividade de poços. Mas, água é, muitas vezes, a única alternativa com que por enquanto, isso continua parecendo difícil. A se pode contar para a sobrevivência dos rebanhos. grande incógnita continua sendo a identificação de O mesmo acontece em grandes regiões da África, relações objetivas, entre propriedades geométricas Índia, Austrália e Sibéria, conforme indicam muitos dos e propriedades hidráulicas do meio fissural, sem estudos hidrogeológicos regionais, que têm contribuído o que, provavelmente, o estabelecimento de para um melhor entendimento das propriedades uma metodologia eficiente de locação de poços, hidrogeológicas do cristalino (Biscaldi, 1968; IAH, 1975; dificilmente será logrado. Isto não significa que se trate Wright & Burges, 1992). de uma metodologia capaz de garantir uma efetiva melhoria dos padrões conhecidos de produtividade O Cristalino das Regiões Úmidas (se é que isto é possível) nas regiões de rochas Em regiões úmidas, que se caracterizam por cristalinas, mas, tão somente, de um processo que uma relativa abundância de água, quase sempre se justifique ou explique, os resultados obtidos. dispensou o uso da água subterrânea das rochas Estudos recentes (Banks et al., 1994) parecem cristalinas. Nos últimos 20 anos, porém, ocorreram indicar que o sucesso de um poço em aqüíferos de grandes progressos na hidrogeologia do cristalino rochas cristalinas ainda continua sendo, em grande de regiões temperadas por conta do crescimento da parte, uma questão de chance. Não é sem razão que demanda em muitas áreas e devido ao aprimoramento os estudos de conectividade geométrica de fraturas e da tecnologia de perfuração, que tornou bastante fácil de variabilidade dos coeficientes de permeabilidade e e pouco onerosa a construção de poços de pequeno porosidade (ex., Guerin & Billaux, 1993), usam como diâmetro para captação de água em rochas cristalinas ferramenta a análise estatística, na busca de relações (Karrenberg, 1981; Krásný, 1990), principalmente entre propriedades geométricas e propriedades para pequenos abastecimentos. Nas zonas úmidas, hidráulicas dos sistemas fissurados. Mas, ainda não uma das características mais importantes da água foi possível relacionar, em escala mesoscópica, estilos subterrânea reside na possibilidade de seu uso para estruturais com permeabilidades. os mais diversos fins, já que a qualidade físico-química Os valores de permeabil idade no domínio costuma ser excelente. subterrâneo fraturado variam muito de um lugar para Do ponto de vista da ocorrência da água subterrânea, outro, assumindo um comportamento aleatório, com por conta da pluviosidade mais abundante e da sua distribuição de probabilidade do tipo log normal. melhor distribuição no tempo, o domínio das rochas Isto reflete-se nas dispersões que se verificam nos cristalinas é geralmente recoberto por um manto de resultados de produtividade de poços, obtidos em intemperismo ou cobertura eluvial. No sudeste do Brasil, meios fraturados, tanto em zonas áridas quanto a espessura média da cobertura eluvial é da ordem de em zonas úmidas. Tais resultados tendem a seguir 40 m, com um valor mediano de 30 m (Manoel Filho, uma distribuição de freqüência do tipo log normal, op.cit.). Esse manto e a zona fissurada subjacente, semelhante à que geralmente se admite para a formam o que se pode denominar de um sistema livre, 69 Cap_2.1_F.indd 17 9/12/2008 20:57:54 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas cujo nível de saturação ora se encontra no elúvio, ora fazem intensas pesquisas com o duplo objetivo de no meio fissurado subjacente. Esse nível costuma ser entender e controlar o mecanismo de intrusão de água pouco profundo e a sua recarga é assegurada pelos do mar e, assim, melhorar a produção dos aqüíferos excessos de água de chuva. A magnitude dessa costeiros. recarga (que se realiza por infiltrações a partir do solo) depende, entre outros fatores, da natureza do O Conceito de Interface Marinha solo e do tempo de permanência dos excedentes do balanço hídrico. Esse tempo, por sua vez, depende O mar é o grande exutório das águas continentais da declividade do solo, da cobertura vegetal etc. Na e, por isso, nos aqüíferos costeiros geralmente verdade, são inúmeros os fatores ambientais passíveis existe um gradiente hidráulico condicionando um de influir nesse processo. A produtividade média de fluxo de água doce do continente para o oceano poços é da ordem de 20 m3/h, porém a mediana é (figura 2.1.18). A água doce, menos densa e com muito menor (da ordem de apenas 7 m3/h). peso específico γd e a água salgada, mais densa e com peso específico γs > γd, são fluidos miscíveis, havendo entre eles uma zona de transição ou zona de 2.1.6 Água Subterrânea em Zonas mistura, condicionada pela dispersão hidrodinâmica. Costeiras Nessa zona, a densidade da mistura é variável. Introdução A primeira publicação científica tratando das relações água doce - água salgada em regiões costeiras é devida a Braithwaite (1855), porém, a primeira lei quantitativa se deve ao holandês Ghyben (1889) e ao alemão Herzberg (1901). Daí em diante, somente merece destaque o trabalho de Hubbert (1940), considerado como uma das principais contribuições relativas à compreensão dos sistemas dinâmicos em meios porosos. Cerca de 20 anos após o trabalho de Hubbert, o assunto parece ter voltado a despertar interesse, especialmente em zonas costeiras densamente povoadas e com grandes demandas de água, nas quais a explotação de água subterrânea Figura 2.1.18 - Esquema do fluxo de água subterrânea resultou em intrusões de água salgada. para o mar em um aqüífero costeiro. A linha interrompida A partir do conhecimento de que nos aqüíferos representa a projeção no plano do mapa da ponta da cunha costeiros existe uma relação entre o fluxo de água salina em profundidade. doce para o oceano e a extensão da zona de intrusão salina para o interior do aqüífero, o problema da intrusão passou a ser encarado como uma questão Em geral, todavia, para simplificar o tratamento de gerenciamento. Isso criou uma necessidade de matemático dos problemas de água subterrânea nas informações mais detalhadas e orientadas para a zonas costeiras, aproxima-se a zona de transição por gestão das explotações de aqüíferos costeiros. uma superfície abrupta ou interface, na qual se admite Surgiram assim, nos anos 1960, inúmeros que ocorre a passagem da água doce para a água trabalhos teóricos e experimentais, dentre os quais salgada. Em muitos casos de interesse prático (por exemplo, quando a espessura do aqüífero é muito maior sobressaem as contribuições de Santing (1957; 1963), do que a largura da zona de transição), essa hipótese Bear (1960), Bear & Dagan (1964; 1965; 1966) em se justifica (Schnlorak, 1967). Nos casos em que a zona Israel, Lusczynsky (1961), Lusczynsky & Swarzenski de transição é muito larga, a referida hipótese não se (1962; 1966) em Long Island (New York), Kohout justifica (Cooper, 1959 apud Bear, 1979). (1960; 1961; 1964; 1965), Kohout & Hoy (1963), na área de Nfianú (Flórida) e ainda Hemy (1960; 1964) Forma e Posição da Interface e Kashef (1967; 1968; 1972), sendo que este último apresenta uma revisão detalhada da evolução dos Geralmente, os modelos de fluxo que tratam das conhecimentos sobre as relações água doce - água relações água doce - água salgada admitem a hipótese salgada em regiões costeiras (apud Custódio & de que existe uma interface separando esses dois Llamas, 1983). fluidos, caracterizados por densidades diferentes, Em muitas partes do mundo, onde existem conforme é ilustrado nos perfis da figura 2.1.19, problemas de gestão de recursos hídricos associados representativos de diversas condições naturais, isto é, com a explotação de aqüíferos costeiros, ainda se de condições não influenciadas por bombeamentos. 70 Cap_2.1_F.indd 18 9/12/2008 20:57:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Na ausência de bombeamentos, os aqüíferos costeiros permanecem em estado de equilíbrio com uma interface estacionária e um fluxo natural de água doce, acima da mesma, para o mar. Em cada ponto da interface, a elevação (posição) e a declividade são determinadas pelo potencial de água doce e pelo gradiente hidráulico. A declividade da superfície das águas subterrâneas aumenta na direção do oceano porque a seção de aqüífero disponível para o fluxo vai sendo reduzida pela presença da interface e, por isso, a descarga específica (velocidade de Darcy) tangente à interface, aumenta. A massa de água salgada que penetra nos aqüíferos costeiros apoiada na base dos mesmos e que avança para o interior, de encontro à água doce que escoa para o mar, tem a forma de uma cunha (figura 2.1.19) e por isso é chamada de cunha salina, cuja extremidade, pé ou ponta, define o alcance da penetração da água salgada no aqüífero. Fórmula de Ghyben-Herzberg O modelo de Ghyben-Herzberg admite que existe um equilíbrio estático, isto é, uma distribuição de pressão hidrostática na região de contato da água doce com a água do mar estacionária (figura 2.1.20). A fórmula de Ghyben-Herzberg para a profundidade da interface em um ponto qualquer do aqüífero, se expressa diretamente em função da altura da lâmina de água doce hd, acima do nível do mar no ponto considerado, isto é: hs = δhd (2.1.13) Para γs=1,025 gr/cm 3 e γd=1,000 gr/cm 3, δ =10 e hs=40.hd, ou seja, a uma dada distância do oceano, a profundidade da interface abaixo do nível do mar é 40 γshs = γd(hs + hd ) γshs − γdhs = γdhd  γd  Figura 2.1.19 - Seções típicas de aqüíferos costeiros em hs =  h = δhγ − γ  d d diferentes situações: (a) aqüífero livre; (b) aqüífero confinado;  s d  (c) ilha oceânica; (d) dupla interface condicionada pela Figura 2.1.20 - Modelo de Ghyben-Herzberg para um presença de uma camada semipermeável. aqüífero livre costeiro. 71 Cap_2.1_F.indd 19 9/12/2008 20:57:55 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas vezes a carga hidráulica de água doce acima do nível do Cunha Salina em Aqüífero Confinado mar. A limitação desse modelo é a hipótese de equilíbrio estático, que implica a ausência de fluxo para o mar (figura Seja h(x) a distribuição da carga potenciométrica 2.1.20). Não obstante, o mesmo resultado é obtido acima do nível do mar e Qo o fluxo de água doce para supondo que existe na região de água doce (isto é, no o mar, por unidade de largura no ponto x = 0, ponto aqüífero) um equilíbrio dinâmico, com fluxo estacionário G (figura 2.1.21a). Usando a relação de Ghyben- horizontal para o mar. Isto significa que as eqüipotenciais Herzberg, a profundidade da interface abaixo do nível são linhas ou superfícies verticais, exatamente como na do mar, à esquerda do pé da cunha salina será: hipótese de Dupuit (capítulo 2.2 e 6.4). Longe do mar, (1) A uma distância x do pé da cunha salina e sob gradientes hidráulicos fracos, essa hipótese se justifica plenamente, pois as componentes verticais do z(x)=d+b(x)=δ h(x) (2.1.14) fluxo são desprezíveis. Já nas proximidades da costa ela não se aplica, porque predomina uma tendência de (2) No pé da cunha salina (ponto G) fluxo vertical acentuada pela redução na área de saída de água doce para o mar. z(0)=d+B(x)=δ h0 (2.1.15) O fluxo será dado por: Controle da Intrusão = − dhQ0 Kb(x) Bear e Dagan (1962; 1963; 1964 e 1966) e Strack dx (1973, apud Bear, 1979) estudaram a possibilidade sendo, de interceptar parte da água doce que flui para o mar γ em um aqüífero costeiro, usando a técnica do coletor K = k dd no domínio da água doce.µ costeiro. Trata-se de uma linha de poços rasos, d paralela à costa e não muito distante da mesma, para Diferenciando a equação (2.1.14): interceptar, através de bombeamento, parte do fluxo natural sem produzir um avanço descontrolado da dh = 1 db(x) ponta da cunha salina, para o interior do aqüífero. dx δ dx A relação entre a extensão da cunha salina e o fluxo e substituindo tudo na equação do fluxo, obtém-se, em de água doce para o mar é expressa pelas equações a função da profundidade da interface abaixo do nível do seguir, cujos símbolos aparecem na figura 2.1.21. mar: Q0 = − Kb(x) db(x) (2.1.16) δ dx Notando que b(x)= δh(x) – d, obtém-se, em função da carga de água doce acima do nível do mar: Q0 = − dh K [δh(x) − d] (2.1.17) dx Integrando a equação (2.1.16) na direção horizontal de 0 a x e de baixo para cima ao longo da vertical de B a b(x), obtém-se, em função da profundidade da interface abaixo do nível do mar: δQ x b(x)0 ∫dx = − ∫ b(x)db(x)K 0 B δQ0x = 1 2 2 K 2  B − b  (2.1.18) Em função da carga de água doce acima do nível do mar (equação 2.1.17), obtém-se: Q x h(x)0 ∫dx = − ∫ [δh(x) − d]dh(x)K 0 h0 Figura 2.1.21 - Forma de uma interface estacionária e Q x δ extensão da cunha salina. a) em aqüífero confinado; b) em 0 = (h2 − h20 )-d(h0 -h) aqüífero livre. K 2 72 Cap_2.1_F.indd 20 9/12/2008 20:57:56 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Q0x = δ (2.1.19) B K (1+ δ)K 2 L = (2.1.25) δ N Condição de contorno: em x=L, isto é, no ponto terminal da cunha de água salgada, b(x)+0 e tem-se, de (2.1.18): Efeito de Poços na Intrusão de Água Salgada Em um aqüífero costeiro, a carga potenciométrica δQ0L = B 2 (2.1.20) h0, acima da ponta da cunha salina (ponto G) é igual K 2 a B/δ. Quando um poço está bombeando uma vazão Qw a uma distância Xw da costa, essa vazão pode ser Cunha Salina em Aqüífero Livre de tal ordem que ao longo da distância Xw a carga h(x) < B/δ. Nesse caso, não existe condição de evitar Se o aqüífero freático considerado recebe uma o avanço da interface para o interior. Somente será recarga natural N e o fluxo natural para o mar é possível garantir o equilíbrio do sistema se houver no horizontal (Dupuit) e b(x)= δh(x) (Ghyben-Herzberg), percurso de avanço uma carga h = B/δ, que possa se a continuidade do fluxo permite obter em função da 0 constituir em barreira hidráulica, contra o avanço da carga potenciométrica: interface. Na zona compreendida entre a barreira e o dh poço, a superfície potenciométrica pode ser rebaixada Q0 + Nx = −K [b(x) + h(x)] até abaixo do nível do mar, sem que isso provoque o dx movimento da cunha salina. É por essa razão que, dh quando essa barreira não existe, usa-se procedimentos Q0 + Nx = −K (1+ δ)h(x) (2.1.21)dx de recarga artificial para criar esta condição no aqüífero (alguns procedimentos de recarga artificial x B são abordados no capítulo 7.5).Q + Nx  ∫ 0  dx = − ∫ hdh A determinação da forma exata da interface induzida 0  K(1+ δ)  h por bombeamentos de poços e o valor da vazão crítica 0 acima da qual a água salgada vai contaminar o poço, 2Q x + Nx2 exige conhecimento bastante detalhado dos parâmetros h20 − h 2 = 0 + δ (2.1.22)K(1 ) hidráulicos e da geometria do aqüífero costeiro e, particularmente, da posição da cunha salina. De posse Da condição de contorno da equação (2.1.22), de todos esses elementos, é possível avaliar o problema tem-se no ponto terminal da cunha, isto é, em x=L, através de uma modelagem numérica tridimensional b(x)=b= δh=0. Como B = δh ⇒ h2 = B2 / δ2 de fluxo e transporte de solutos (os capítulos 5.3 e 0 0 7.3, abordam as questões referentes à modelagens O fluxo de água doce para o mar em um aqüífero numéricas). Isto porque existe hoje no mercado ampla freático costeiro, sob recarga constante e contínua disponibilidade de softwares apropriados para isso. Ainda N, na zona de influência de uma cunha salina, com assim, os resultados somente deverão ser satisfatórios extensão L, é igual a Q0 + NL. Daí resulta: se as observações disponíveis permitirem efetuar uma B2 2Q L + NL2 calibração e validação desses modelos, o que geralmente Com recarga: = 02 (2.1.23)K(1+ δ) implica estudos de custo bastante elevado.δ B2 2Q L Exercícios Propostos Sem recarga: = 02 (2.1.24)δ K(1+ δ) 1) O posto pluviométrico X ficou sem observação durante um mês no qual ocorreram chuvas. As precipitações observadas em 3 (três) estações adjacentes, A, B e C Note-se que L é inversamente proporcional a Q0 ou foram 12,3 mm, 10,5 mm e 15 mm, respectivamente. A seja, quando Q0 aumenta, L decresce e isto significa precipitação normal anual é de 385 mm no posto X, 441 que a extensão da intrusão de água do mar na base do mm no posto A, 368 mm no posto B e 472 mm no posto aqüífero, expressa por L, é uma variável de decisão, C. Estime a precipitação que deveria ter ocorrido no posto no gerenciamento do aqüífero costeiro. Em outras X no mês em que o mesmo não foi observado. palavras, o comprimento da intrusão salina pode ser 2) Usando a figura 2.1.4 como referência, calcule a controlado (seja em aqüífero livre ou confinado), pela chuva média na bacia hidrográfica usando o método vazão de escoamento natural. Quando essa vazão de Thiessen, determinando as áreas dos polígonos por se anula, se ainda houver uma recarga constante (e planimetragem. contínua) N, a descarga para o mar no ponto terminal 3) A água armazenada em um trecho de rio num certo será mínima e igual a NL, e, neste caso, o comprimento momento, era de 20.000 m3. No mesmo instante, o fluxo da cunha obtido da equação (2.1.23) é igual a: de entrada no trecho (a montante) era de 14,2 m3/s 73 Cap_2.1_F.indd 21 9/12/2008 20:57:57 Capítulo 2.1 - Ocorrência das Águas Subterrâneas enquanto que o fluxo de saída a jusante era de 19,8 CHILINGAR, G. V. Relationship between porosity, m3/s. Uma hora depois, o fluxo de entrada passou para permeability and grain-size distribution of sands and 19,8 m3/s e o fluxo de saída para 21 m3/s. Determine sandstones. In: INTERNATIONAL SEDIMENTOLOGY a variação de armazenamento que ocorreu no trecho CONGRESS, 1963, Amsterdam. Proceedings... de rio durante a hora. O armazenamento aumentou ou Amsterdam: [s.n.], 1963. diminuiu? COSTA, W. D. Análise dos fatores que atuam no 4) A evaporação anual de um lago com área de 14,6 km² aqüífero fissural: área piloto dos Estados da é de 3,048 m. Qual é a taxa média diária de evaporação Paraíba e Rio Grande do Norte. 1986. 225 p. Tese em mm/dia? (Doutorado), IG-USP, 1986. 5) Levando em conta a taxa de evaporação do problema CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología Subter- d, determine a variação no nível do lago após um ano de 365 dias, se o deflúvio médio para o lago é de 0,74 m3/s. ránea. 2. ed. Barcelona: Ed. Omega,1983. O nível do lago subiu ou baixou durante esse ano? DAVIS, S. N.; TURK, L. J. Optimum depth of wells in 6) Um reservatório tem área de 243 ha e recebe um crystalline rocks. Ground Water, Worthington, OH, v. fluxo de 340 L/s. Em quantas horas o nível da água no 2, p. 6-11, 1964. reservatório apresenta uma subida de 20 cm? DAVIS, S. N.; DeWIEST, R. J. M. Hydrogeology. New 7) Uma área de 200 ha recebe uma chuva com York: John Wiley, 1966. 463 p. intensidade de 15 mm/h durante 3 dias. Determine no DAVIS, S. N. Porosity and permeability of natural mate- final do período: a) a descarga média de chuva (m3/s); rials. In: DE WIEST, R. J. M. (Ed.). Flow through porous b) o volume de chuva (hm3); c) a lâmina precipitada media. New York: Academic Press, 1969. p. 54-89. (mm). DINGMAN, R. J.; MEYER, G.; MARTIN, R. O. The 8) Um aqüífero costeiro confinado horizontal, tem cotas de topo e base iguais a +4,5 m e –100m , respectivamente. A water resources of Howard and Montgomery condutividade hidráulica é de 10 m/dia e o peso específico Counties. [S.l]: Maryland Dept. of Geology, Mines da água do mar é de 1,03 g/cm3. A carga potenciométrica and Water Resources, 1954. Bulletin 14. do aqüífero a 10 km de distância da costa é igual a +12 FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A. Groundwater. New m. Determine: a) a descarga de água doce para o mar, Jersey: Prentice-Hall, 1979. 604 p. na direção perpendicular à costa; b) a forma e posição da interface. GREGORY, H. E.; ELLIS, E. E. Underground water resources of Connecticut. Washington: U.S. Geo- 9) Repita o problema h, considerando que o aqüífero é logical Survey, 1909. 323 p. Water Supply Paper. livre com largura de 15 km e que o mesmo recebe uma recarga constante de 30 mm/ano. GUÉRIN, F. P. M., BILLAUX, D. M. On the relationship between connectivity and the continuum approximation 10) Um aqüífero freático, homogêneo e isotrópico tem a base na cota –120 m. A sua condutividade hidráulica é de in fracture flow and transport modeling. In: CON- 5 m/dia e o fluxo natural para o oceano é de 2 m3/m.dia GRESS OF INTERNATIONAL ASSOCIATION OF e não existe recarga . Determine a posição da interface HYDROGEOLOGISTS, 1993, Oslo. Mémoires... Oslo: no plano xy. IAH, 1993. p. 215-224. GUSTAFSON, G.; KRÁSNÝ , J. Crystalline rock aquifers: Referências their occurrence, use and importance. Hydrogeology Journal, Berlin, v. 2, n 2, p. 64-75, feb. 1994. ATWATER, G. I. The effect of decrease in porosity HORTON, R. E. The role of infiltration in the hydrologic with depth on oil and gas reserves in sandstone cycle. Transactions, American Geophysical Union, reservoirs. California: School of Earth Sciences, Washington, v. 14, p. 446-460, 1933. University of Stanford, 1966. INTERNATIONAL HYDROGEOLOGY CONGRESS, BEAR, J.; VERRUIJT, A. Modeling groundwater flow 1975, Porto Alegre. Memoires... IAH, Porto Alegre: and pollution. Dordrecht: D. Reidel, 1987. 414 p. [s.n.], 1975. 157 p. BANKS, D.; ROHR-TORP, E.; SKARPHAGEN, H. JACCON, G.; CUDO, K. J. Curva chave: análise e Ground water resources in hard rock: experience traçado. Brasília: DNAEE, 1989. 273 p. from the Hvaler study, southeasthern Norway. Hydro- geology Journal, Berlin, v. 2, n. 2, p. 33-42, feb. 1994. JOHNSTON, P. M. Geology and ground water resources of the Fairfax Quadrangle, Virginia. BISCALDI, R. Hydrogéologie des roches eruptives et Washington: U. S. Geological Survey, 1962. Water- métamorphiques: analyses bibliographiques. Bulletin Supply Paper 1539-L. BRGM, [Orléans], v. 3, n. 2, p. 23-24, 1968. KARRENBERG, H. Hydrogeologie der Nicht- CASTANY, G. Traité practique des eaux souter- verkarstungsfahigen Festgestein. Wien: Springer raines. Paris: Dunod, 1963. 640 p. Verlag, 1981. 284 p. 74 Cap_2.1_F.indd 22 9/12/2008 20:57:57 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações KINZELBACH, W. Groundwater modelling: an intro- THORNTHWAITE, C. W. An approach toward a ratio- duction with sample programs in Basic. Amsterdam: nal classificat ion of climate. Geographical Review, Elsevier. 1986. 333p. New York, v. 38, p. 55-94, 1948. KRÁSNÝ, J. Regionalization of transmissivity data: TODD, D. K. Ground Water hydrology. New York: hard rocks of the Bohemien Massif, Czechoslovakia. John Wiley, 1959. 332 p. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF HYDROGEOL- OGY, 1990, Lausanne. Mémoires... Lausanne: [s.n.], TOLMAN, C. F. Groundwater. New York: McGraw- 1990. v 1, p. 98-105. Hill, 1937. LATTMAN, L. A.; PARIZEK, R. R. Relationship be- TOUMA, J.; VAUCLIN, M. Experimental and numerical tween fracture traces and the occurrence of ground analysis of two-phase infiltration in a partially satu- water in carbonate rocks. Journal of Hydrology, rated soil. Transport in Porous Media, Dordrecht, v Amsterdam, v. 2, p. 73-91, 1964. 1, n. 1, p. 27-55, mar. 1986. LEGRAND, H. E. Geology and ground water in the VAN GENUCHTEN, M. Th. A closed-form equation for Statesville area, North Carolina. [Raleigh]: [State] predicting the hydraulic conductivity of unsaturated Department of Conservation and Development, 1954. soils. Soil Science Society of America Journal, Div. Min. Res. Bull. n.68. Madison, WI, n. 44, p. 892-898, 1980. LEGRAND, H. E. Perspective on problems of hydro- VIESSMAN JR., W.; KNAPP, J. W.; LEWIS, G. Intro- geology. Geological Society of America Bulletin, duction to hydrology. New York: Harper & Row, Boulder, CO, v. 73, n. 2, p. 1147-1152, sep. 1962. 1977. 704 p. MANOEL FILHO, J. Modelo de dimensão fractal WALKER, E. H. Ground-water resources of the para avaliação de parâmetros hidráulicos em meio Hopkinsville Quadrangle, Kentucky. [Washington]: fissural. 1996. 197 f. Tese (Doutorado)-Instituto de Geo- U. S. Geological Survey, 1956.(Water-Supply Paper, ciências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1996. n. 1328). MARKOVA, O. L. Water balance peculiarities of karst WALTON, W. Groundwater resource evaluation. areas, In: SIMPOSIUM ON WORLD WATER BAL- [New York]: McGrawHill, 1970. 664 p. ANCE, 1970, Reading. [Proceedings...]. [S.l.]: IASH; Unesco, 1970. n. 93. p. 35-41. WRIGHT, E. P.; BURGES, W. G. The hydrogeology of crystalline basement aquifers in Africa. London: MEINZER, O. E.; HARD, H. A. Artesian-water supply The Geological Society, 1992. 262 p. (Geological of the Dakota sandstone in North Dakota, with Society Special Publication, n. 66). special reference to the Edgeley quadrangle. Washington: U.S. Geological Survey, 1925. p. 73-95. (Water Supply Paper 520-E). PARIZEK, R. R.; DREW, L. J. Random drilling for water in carbonate rocks. In: SYMPOSIUM AND SHORT COURSE ON COMPUTERS AND OPERA- TIONS RESEARCH IN MINERAL INDUSTRIES, 1966. Proceedings... [Pittsburgh]: The Pennsylvania State University, 1966. v. 3, p. 1-22. (Special Publication 2-65). PIERSOL, R. J.; WORKMAN, L. E.; WATSON, M. C. Porosity, total liquid saturation and permeability of Illinois oil sands. Champaign, IL: Illinois State Geo- logical Survey, 1940. (Reports of Investigation, 67). POLUBARINOVA-KOCHINA, P. Theory of ground- water movement. Moscow: Gostekhizdat, 1952. RICHARD, L. A.; GARDNER, W. Tensiometers for measuring the capillary tension and soil water. Jour- nal of Agricultural Research, Washington, D.C., n. 69, p. 215-235, 1936. STUART, W. T.; BROWN, E. A.; RHODEHAMEL, E. C. Groundwater investigations of the marquette iron- mining district, Michigan. Lansing, MI: Michigan Geological Survey, 1954. (Technical Report 3). 75 Cap_2.1_F.indd 23 9/12/2008 20:57:57 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 2.2 MOVIMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS Jaime J. da Silva Pereira Cabral 2.2.1 Introdução a equação da continuidade, e estabelecer leis de caráter macroscópico (aplicáveis a um elemento de A água tem sido uma fonte de preocupação volume representativo – EVR) que tratam o meio como desde o começo da humanidade. Perguntas um contínuo dotado de propriedades médias bem como “De onde vem a água?”, “Para onde vai definidas, envolvendo três parâmetros fundamentais: a água?” e “Qual a sua qualidade?”, continuam sendo porosidade, condutividade hidráulica e coeficiente de repetidas através dos tempos e cientistas, hidrólogos, armazenamento. geólogos e engenheiros permanecem estudando para O presente capítulo trata do movimento da melhorar o nível de conhecimento sobre o assunto. água subterrânea apenas nos aqüíferos porosos, Séculos de experiência e estudo formaram o representados tanto pelas rochas sedimentares conceito de ciclo hidrológico (capítulo 2.1), que trata c lást icas (aren i tos) , como por sedimentos do movimento da água na hidrosfera e no qual a água inconsolidados, como dunas e aluviões, abrangendo, subterrânea é um dos componentes. O vapor d’água também, elúvios, colúvios e camadas de intemperismo. proveniente da evaporação e evapotranspiração Os aspectos do fluxo em meios anisotrópicos serão precipita-se em forma de chuva, podendo uma parte discutidos no capítulo 6.5 desta publicação. escoar ou evaporar e outra infiltrar-se. Do total infiltrado um certo percentual fica retido na camada superior 2.2.2 Lei de Darcy do solo e o restante percola em direção a camadas inferiores para alimentar os aqüíferos. É do movimento Em 1856, o engenheiro hidráulico francês Henry dessa última parcela que trata esse capítulo. Darcy pesquisava o escoamento de água em filtros A água subterrânea pode mover-se pelos poros de areia, utilizando um dispositivo similar ao mostrado ou vazios originais da rocha (porosidade primária) ou esquematicamente na figura 2.2.1. Darcy concluiu, com nas fissuras e cavidades de dissolução, desenvolvidas suas pesquisas, que a vazão do escoamento (volume após a sua formação (porosidade secundária). por unidade de tempo) apresentava as seguintes A porosidade primária ocorre, geralmente características: (excetuando-se em algumas rochas vulcânicas), nas • era proporcional à seção transversal (A) do filtro; rochas sedimentares, dando origem aos aqüíferos • era proporcional à diferença de cargas hidráulicas porosos. A porosidade secundária está associada aos (h - h = Dh), entre os piezômetros 1 e 2 (figura chamados meios anisotrópicos, originando o aqüífero 1 2 2.2.1); fissural, no caso de fraturas e fissuras em rochas • era inversamente proporcional à distância (L) entre cristalinas (ígneas e metamórficas), e o aqüífero cárstico, os piezômetros 1 e 2 (figura 2.2.1). no caso da dissolução de rochas carbonáticas. Ao nível microscópico, o movimento da água A fórmula de Darcy, pode então ser escrita como: subterrânea em um meio poroso pode ser muito complexo, devido à irregularidade dos poros e canalículos através dos quais o fluido deve passar. Nos (h1 − h2 )Q = K ⋅ A (2.2.1) primórdios da segunda metade do século dezenove, L o francês Henry Darcy conseguiu demonstrar, através de uma série de experimentos, que existe uma relação sendo K o coeficiente de proporcionalidade, chamado entre o fluxo de água que atravessa uma camada de de condutividade hidráulica [L/T]. areia e o gradiente hidráulico. Daí nasceu o conceito Pode-se entender a diferença de cargas de condutividade hidráulica como uma propriedade hidráulicas (h1- h2) dividida pelo comprimento (L), macroscópica do meio. como sendo a taxa de perda de carga por unidade de A partir daí, foi possível aplicar aos meios trajeto do fluido, o que recebe o nome de gradiente porosos os princípios da hidrodinâmica, entre eles hidráulico. 77 Cap_2.2_F.indd 1 9/12/2008 21:00:26 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas denso terá características de escoamento diferentes de um líquido menos denso. A condutividade hidráulica pode ser expressa em função dos parâmetros do meio e do fluido da seguinte forma: = krg kgK = (2.2.2) m n sendo K a condutividade hidráulica [LT-1], k a permeabilidade intrínseca do meio poroso [L2], r a massa específica do fluido, g a aceleração da gravidade, m a viscosidade dinâmica (chamada, por alguns, de viscosidade absoluta) e n a viscosidade cinemática = m/r. h1 = carga hidráulica no piezômetro 1 [L] h2 = carga hidráulica no piezômetro 2 [L] z = cota do ponto P (piezômetro 1) [L] O valor padrão para K é definido para uma temperatura 1 1 0 0 z = cota do ponto P (piezômetro 2) [L] de 60 F (15,6 C) para ensaios em laboratórios, o que 2 2 3 -1 representa bem a temperatura das águas subterrâneas. A Q = vazão constante que passa pelo cilindro [L T ] condutividade hidráulica sob temperaturas diferentes varia A = área de seção transversal do cilindro [L2] inversamente com a viscosidade cinemática. Portanto: Dh = variação da carga hidráulica entre os piezômetros 1 e 2 [L] n15 L = distância entre os piezômetros 1 e 2 [L] K = K15 n (2.2.3) Figura 2.2.1 - Esboço esquemático do dispositivo utilizado T por Darcy. onde, K15 é a condutividade a 15,6 0C, n15 é a viscosidade 0 -6 Sinal Negativo na Lei de Darcy cinemática a 15,6 C (=1,141.10 m 2/s), nT é a viscosidade cinemática na temperatura desejada A rigor, quando a carga hidráulica cresce ao longo de uma direção, dizemos que o gradiente é positivo e Quadro 2.2.1 - Influência da temperatura. quando a carga hidráulica decresce ao longo de uma direção, dizemos que o gradiente é negativo. O fluxo de A condutividade hidráulica pode ser expressa em água subterrânea ocorre saindo do local de maior carga m/s ou cm/s, no entanto, muitos livros expressam hidráulica para o local de menor carga hidráulica, ou a condutividade hidráulica em Meinzer, ou seja, seja, dizemos que o movimento das partículas de água numericamente igual à descarga em galões por segue o sentido do gradiente negativo. Por isso muitos dia, através de uma área de 1 pé quadrado sob um textos mais avançados usam a expressão v = -K i, onde, gradiente hidráulico unitário (1 pé/pé) (1 galão = 3,785 i é o gradiente e o sinal negativo da expressão indica que litros, 1 pé = 30,5 cm). A condutividade hidráulica, a velocidade tem sentido contrário ao gradiente. em geral, pode ser determinada através de fórmulas, métodos de laboratório ou ensaios de campo. Condutividade Hidráulica Permeabilidade Intrínseca O coeficiente de proporcionalidade K que aparece na lei de Darcy pode ser chamado de condutividade A permeabilidade intrínseca (k), chamada por hidráulica e leva em conta as características do meio, alguns de permeabilidade específica, é função do tipo incluindo porosidade, tamanho, distribuição, forma e do material poroso, sua granulometria e sua disposição arranjo das partículas, e as características do fluido que estrutural. Normalmente, se expressa k em cm2 ou está escoando (viscosidade e massa específica). em Darcy. A equivalência é 1 Darcy = 0.987x10-8 cm2. Em um meio isotrópico, a condutividade hidráulica Uma tabela relacionando diversas outras unidades pode ser entendida como sendo numericamente igual encontra-se no anexo 2.2.1, no fim deste capítulo. à vazão que atravessa uma área unitária submetida a Várias fórmulas foram propostas por diferentes autores um gradiente hidráulico unitário (ver figura 2.2.14 mais para relacionar k com as diversas propriedades do adiante). Refere-se à facilidade da formação aqüífera meio poroso. Algumas das fórmulas são empíricas, de exercer a função de um condutor hidráulico. como por exemplo: A condut iv idade hidrául ica depende das 2 características do meio poroso e das propriedades k = C d (2.2.4) do fluido. Obviamente, um fluido viscoso terá, no meio onde, C é um valor adimensional que pode ser obtido poroso, velocidade diferente da velocidade da água, experimentalmente, e d2 é o diâmetro médio dos grãos que tem baixa viscosidade. Além disso, um líquido mais de areia. 78 Cap_2.2_F.indd 2 9/12/2008 21:00:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Várias pesquisas foram realizadas em diversos No segundo diagrama (figura 2.2.3), o reservatório países para determinar fórmulas de cálculo da C é fechado na parte superior e está sendo mantido permeabilidade intrínseca. No caso de sedimentos com pressão maior que a atmosférica, enquanto não consolidados, vários estudos já têm comprovado D é um reservatório aberto, submetido a pressão as seguintes conclusões: atmosférica. Se a pressão em C for suficientemente • quanto maior o tamanho médio dos grãos do solo, elevada, a água vai escoar de C para D, mesmo que maior a permeabilidade (porque os vazios são D esteja numa cota mais elevada. maiores); • quanto maior o desvio padrão do diâmetro das partículas, menor a permeabilidade (o aumento do desvio padrão indica maior variação dos tamanhos dos grãos, com os grãos pequenos ocupando os espaços vazios entre os grãos grandes); • amostras com um tamanho de grão dominante apresentam maior permeabilidade. A tabela 2.2.1 mostra alguns exemplos de permeabilidade intrínseca e condutividade hidráulica para alguns tipos de sedimentos não consolidados. Figura 2.2.3 - Influência da pressão no escoamento. Permeabilidade Condutividade Material Intrínseca Hidráulica (cm2) (cm/s) O movimento da água, portanto, depende da Argila 10-14 - 10-11 10-9 -10-6 elevação do nível, z (também chamado de cota Silte; Silte arenoso 10-11 - 10-9 10-6 - 10-4 geométrica) e da pressão, p. A pressão pode ser Areia argilosa 10-11 - 10-9 10-6 - 10-4 expressa em altura de líquido, bastando dividi-la pelo Areia siltosa; Areia fina 10-10 - 10-8 10-5 - 10-3 peso específico (por exemplo, é muito conhecido Areia bem distribuída 10-8 - 10-6 10-3 - 10-1 que a pressão atmosférica pode ser expressa como Cascalho bem -7 -5 -2 distribuído 10 - 10 10 – 10 0 760 mm de altura de mercúrio). Combinando-se as parcelas, obtém-se a expressão para o cálculo da Tabela 2.2.1 - Faixa de valores de permeabilidade intrínseca carga hidráulica (h): e condutividade hidráulica para vários materiais não consolidados (adaptado de Fetter, 1988). h = z + P (2.2.5) r ⋅ g Carga Hidráulica ou A carga hidráulica indica o nível de energia em que = + Ph z a água se encontra. Para entender bem o processo (2.2.6)g físico, considere as duas situações a seguir. No esquema indicado na figura 2.2.2, a água vai onde, r é a massa específica (massa sobre volume), g é escoar de A para B. Observe que em B existe maior o peso específico (peso sobre volume), p é a pressão quantidade de água, mas isto não é levado em no ponto considerado e z é a cota deste ponto. consideração no escoamento. O que importa é o nível Portanto, a carga hidráulica é a soma de duas em que a água se encontra. Como o reservatório A parcelas: a carga de elevação, z (altitude ou cota do está com o nível d’água maior que o reservatório B, em ponto) e a carga de pressão, p/g (metros de coluna relação a um datum, a água escoará de A para B. d’água acima do ponto). Em termos práticos, no caso de aqüíferos não confinados (livres), a carga na superfície freática (onde a pressão p é nula, por ser a pressão atmosférica de referência) corresponde ao próprio nível da água (h = z) e no caso de aqüíferos confinados, a carga no topo da camada (tomado como referência) é dada pela carga de pressão (p/g), que corresponde à altura até onde o nível da água se elevará, acima do topo do aqüífero, quando perfurado um poço no local. A Figura 2.2.2 - Influência da elevação do nível d’água no figura 2.2.4 ilustra esquematicamente as variáveis da escoamento. expressão (2.2.6). 79 Cap_2.2_F.indd 3 9/12/2008 21:00:27 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas Figura 2.2.4 - Carga hidráulica em um ponto do aqüífero (no fundo do poço) expressa pelo nível potenciométrico. Figura 2.2.5 - Experimento mostrando um tubo cheio de areia submetido a diversas condições de carga de elevação A figura 2.2.5 mostra algumas combinações e carga de pressão. Nem a pressão sozinha, nem a elevação sozinha controlam o processo. O movimento é controlado possíveis de carga de elevação e carga de pressão. pela carga total (modificado de Fetter, 1988). Observa-se que nem a carga de elevação sozinha, nem a carga de pressão sozinha controlam o movimento, sendo este controlado pela carga total. Velocidade de Darcy Em alguns locais, onde existem aqüíferos A velocidade de Darcy (q), também chamada de superpostos, o nível potenciométrico ou nível velocidade aparente ou descarga específica, pode ser piezométrico de cada aqüífero é independente do definida como a vazão (Q) por unidade de área (A). outro, como mostrado na figura 2.2.6. Numa região com diversos poços, é possível Qq = (2.2.7) traçar as isolinhas das cargas hidráulicas para A representação da superfície potenciométrica (ou Entretanto, este parâmetro (q), mesmo tendo superfície piezométrica) como exemplificado na unidade de velocidade (LT-1), não representa a figura 2.2.7. No entanto, é importante lembrar que a velocidade real do fluxo, já que a seção considerada (A) representação da superfície só faz sentido em aqüíferos representa a área total, ou seja, a área correspondente horizontais com fluxo horizontal. aos vazios e à parte sólida (figura 2.2.8). Figura 2.2.6 - Níveis potenciométricos de aqüíferos superpostos. Os níveis potenciométricos de aqüíferos confinados são independentes. 80 Cap_2.2_F.indd 4 9/12/2008 21:00:28 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 2.2.7 - Superfície potenciométrica de trecho do aqüífero Beberibe (modificado de Cirilo & Cabral, 1989). Geralmente no cálculo da vazão de um aqüífero utiliza-se ALERTA a velocidade aparente e a área total. Mas é importante Representação gráfica de superfícies potenciométricas lembrar que para cálculo do transporte advectivo de e redes de fluxo só são válidas para fluxo horizontal em aqüíferos horizontais. poluentes deve ser utilizada a velocidade real. Quando existe componente vertical de fluxo, interpretação Generalização da Lei de Darcy e cálculos baseados em superfícies potenciométricas pode dar origem a erros grosseiros. A lei de Darcy, conforme desenvolvida inicialmente, aplicava-se a escoamento unidimensional, contudo, A área da seção transversal do escoamento pelos ela pode ser generalizada para escoamento em mais poros é bem menor que a área de seção do aqüífero, de uma direção (escoamento multidimensional), como e pode ser obtida multiplicando-se a área pela ocorre na prática com o fluxo da água subterrânea em porosidade efetiva. duas ou três direções nos aqüíferos. Desta forma, a expressão inicial desenvolvida por Darcy: APOROS = he × ATOTAL ( 2.2.8) = Qq = DhK A L (2.2.11)Portanto, a velocidade linear média (v), ou seja, a verdadeira velocidade de escoamento pelos poros será dada por: pode ser generalizada para: q = −K grad h Q (2.2.12) v = h ⋅ A ( 2.2.9)e sendo q o vetor velocidade aparente, formado por componentes nas três direções principais de A relação entre a velocidade real e a velocidade anisotropia (X, Y, Z), K o tensor de condutividade aparente depende da porosidade efetiva: hidráulica e grad h o gradiente da carga hidráulica, que indica como varia a carga hidráulica ao longo de = qv ( 2.2.10) cada uma das direções. he O sinal negativo da equação (2.2.12) indica que o fluxo da água ocorre no sentido dos potenciais decrescentes, ou seja, no sentido contrário ao gradiente de h. Gradiente é um operador que indica a taxa de variação de uma grandeza escalar ao longo de cada um dos eixos. = ∂h + ∂hgrad h i j + ∂h k ∂x ∂y ∂z (2.2.13) O vetor gradiente caracteriza a variação de uma função no espaço, indicando sempre tanto o módulo quanto a direção e o sentido da sua máxima variação direcional. Figura 2.2.8 - Velocidade média e velocidade aparente de fluxo em meio poroso. Quadro 2.2.2 - Operador vetorial gradiente. 81 Cap_2.2_F.indd 5 9/12/2008 21:00:28 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas Nos casos em que é possível alinhar o sistema Dados do problema cartesiano de eixos com as direções principais Condutividade Hidráulica (K) = 10-3 cm/s da condutividade hidráulica, a lei de Darcy para o Espessura do aqüífero (b) = 20 m escoamento tridimensional pode ser representada Porosidade efetiva (he) = 0,2 através das seguintes equações: Solução Transformando a condutividade hidráulica para m/s, temos: ∂h −3 −2 −5 q = −K K = 10 . 10 = 10 m/sx x ∂x (2.2.14) Velocidade aparente: ∂h = ∆h (40 − 30)m= − q K = 10 −5 m / s qy Ky L 400m∂y (2.2.15) q = 2,5.10−7m / s = 2,5.10−7m / s . 86.400 s / dia = − ∂hq K q = 2,16×10 −2 m / dia = 2,16 cm / dia z z ∂z (2.2.16) Velocidade real: = qv = 2,16 cm / dia h 0,2 Para um terreno anisotrópico, K não é um simples v = 10,8 cm / dia escalar e passa a ser uma matriz de coeficientes que pode ser chamada de tensor de condutividade Vazão transferida por metro de seção transversal do aquífero: hidráulica. O tensor de condutividade hidráulica possui Q = q . A nove componentes, no caso de um escoamento Q = 2,16.10−2 m / dia . (20 m .1m) tridimensional, e quatro componentes, no caso de um escoamento bidimensional. Q = 0,432 m3 / dia qx  Kxx Kxy Kxz  ∂h / ∂x q  y  =   K K K   yx yy yz  ∂h / ∂y (2.2.17) Validade da Lei de Darcy q  K K z zx zy Kzz  ∂h / ∂z A lei de Darcy é válida apenas para escoamentos Tensor é um conceito matemático mais abrangente do laminares. Neste tipo de escoamento, as velocidades que um vetor. Em termos simplificados, podemos dizer são relativamente pequenas e a água percola que um escalar é um tensor simplificado de ordem zero suavemente pelos poros do aqüífero. O escoamento e um vetor é um tensor simplificado de ordem um. é dominado pelas forças viscosas do líquido e a perda de carga varia linearmente com a velocidade. Quadro 2.2.3 - Tensor de condutividade hidráulica. Para velocidades maiores, o escoamento passa a ser dominado pelas forças de inércia, deixa de ser laminar e transforma-se em turbulento. Ocorre a Apesar da condutividade hidráulica a rigor ser formação de turbilhonamento, as moléculas de água um tensor, na prática, geralmente é usada como movem-se de maneira irregular, a perda de carga não escalar, devido à dificuldade de calcular todas as varia mais linearmente com a velocidade e a lei de componentes. Darcy não pode mais ser aplicada. Para fluxo em tubulações, o número de Reynolds Exemplo 2.2.1 - Considere que os rios indicados na figura 2.2.9 é um parâmetro adimensional, usado para determinar são paralelos e o fluxo no aqüífero é transversal aos mesmos. se o escoamento é laminar ou turbulento, dado a) Qual a velocidade aparente da água no aqüífero? pela relação das forças de inércia com as forças de b) Qual a velocidade real da água nos poros? viscosidade: c) Qual a descarga transferida de um rio para outro, através do aqüífero, por metro de comprimento do rio? = r ⋅ v ⋅DRe m (2.2.18) onde, Re é o número de Reynolds, r é a massa específica, v é a velocidade do líquido no tubo, m é a viscosidade absoluta ou dinâmica, D é o diâmetro da tubulação. Neste caso, o valor crítico de passagem do fluxo laminar para o turbulento situa-se em torno de 2.100. Figura 2.2.9 - Esboço esquemático mostrando dois rios Por analogia com a equação (2.2.18), define-se para os paralelos e a transferência de água de um rio para outro através de um aqüífero confinado. meios porosos um número de Reynolds dado por: 82 Cap_2.2_F.indd 6 18/12/2008 09:19:48 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações qd E 1 P Re = 50 (2.2.19) m = v2 + g ⋅ z + n (2.2.23)m 2 r sendo, q a velocidade de Darcy ou velocidade onde, r é a massa específica (m/V) aparente do fluxo [LT-1], d50 o diâmetro médio dos grãos [L] e n a viscosidade cinemática do líquido No caso de água subterrânea, as velocidades são 2 muito pequenas (da ordem de alguns centímetros por considerado [L T-1]. dia) e o termo da energia cinética pode ser desprezado. A rigor, para respeitar a analogia com tubos, Chamando a energia mecânica por unidade de massa deveria ser usado o diâmetro dos canais elementares de potencial hidráulico (f), obtém-se: do meio poroso (d), mas (talvez pela facilidade de determinação), geralmente, usa-se, em lugar do f = ⋅ + Pg z (2.2.24) diâmetro do tubo, o valor de d50, ou seja, o diâmetro r das partículas que na curva granulométrica excede o tamanho de 50% do material granular em peso f é chamado por alguns de potencial de forças ou (poderíamos chamar de mediana dos diâmetros). Às potencial fluido e obedece à condição de potencial definida pelos físicos e matemáticos. Hubbert (1940) vezes emprega-se o chamado diâmetro efetivo dos definiu potencial hidráulico como uma quantidade grãos d10 (diâmetro que excede o tamanho de 10%, física, capaz de ser medida em cada ponto do em peso, do material). Maiores detalhes sobre curva escoamento, cujas propriedades são tais que o granulométrica podem ser vistos no capítulo 6.1. escoamento sempre ocorre dos pontos com maior Diversos pesquisadores analisaram o escoamento potencial para os pontos com menor potencial, da água subterrânea e verificaram que a lei de Darcy independente da direção no espaço. é válida para número de Reynolds menor que 1. Se dividirmos a equação (2.2.23) pela aceleração Outros pesquisadores consideram o limite de validade da gravidade, obteremos: um pouco mais amplo, podendo chegar até 10. Experiências mais recentes indicam que a transição do E 2m v P regime laminar para o turbulento ocorre para R igual = + z + (2.2.25)e m ⋅ g 2 ⋅ g r ⋅ g a 30 (ver capítulo 6.6, figura 6.6.2). Em geral, as velocidades da água subterrânea são A equação (2.2.25) é chamada de equação de pequenas e o número de Reynolds fica abaixo do limite Bernoulli e representa a soma das energias por unidade indicado. As exceções são o escoamento em fraturas de peso. Em termos simplificados, considerando que com grande abertura, caminhos preferenciais formados a equação (2.2.5) representa a carga hidráulica (h) e por dissolução de rochas calcáreas e vizinhança dos desprezando o termo da energia cinética, o potencial filtros de poços de grande vazão. hidráulico (f) pode ser obtido multiplicando-se a carga hidráulica (h) pela gravidade (g): 2.2.3 Equação de Bernoulli e Potencial f = g ⋅h (2.2.26) Hidráulico Como g na superfície terrestre é praticamente constante, f e h são perfeitamente correlacionáveis A energia mecânica de um líquido em movimento e a carga hidráulica pode ser considerada como um é composta, basicamente, de três componentes: a potencial do ponto de vista físico e matemático. energia cinética, a energia potencial gravitacional e a energia de pressão, cujas expressões matemáticas são descritas abaixo. No caso de escoamentos compressíveis, Hubbert estendeu o conceito de carga piezométrica para casos = 1EC m ⋅ v 2 ( 2.2.20) onde r = r(p) introduzindo um potencial definido por:2 z p ⋅ * = ⋅ + dpg h g ∫ dz ∫ r(p) (2.2.27) = ⋅ ⋅ z pEg m g z 0 0 ( 2.2.21) Neste caso: EP = P ⋅ V ( 2.2.22) q = −K ⋅grad h * (2.2.28) Ou seja, mesmo nos casos onde haja necessidade de Algumas vezes costuma-se trabalhar com energia levar em conta o efeito da compressibilidade da água, a por unidade de massa. Assim, dividindo-se cada lei de Darcy pode ser aplicada. termo pela massa, a energia mecânica total para massa unitária é dada pela seguinte expressão: Quadro 2.2.4 - Efeito da compressibilidade do fluido. 83 Cap_2.2_F.indd 7 9/12/2008 21:00:31 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas 2.2.4 Anisotropia e Heterogeneidade Exemplo 2.2.3 - Para as mesmas camadas do exemplo anterior, considere que carga hidráulica no topo é de 80 m e na base do sistema aqüífero é de 50 m (figura 2.2.11). Calcule a vazão por Um aqüífero é considerado anisotrópico quando metro de largura. a condutividade hidráulica é diferente para cada Solução: uma das direções dos eixos coordenados. Um aqüífero heterogêneo é formado por materiais de Observe que o fluxo agora é igual em ambas camadas, visto condutividade diferente. Apesar de muitas vezes se que só passa pela segunda camada o fluxo que passou pela considerar o aqüífero como homogêneo e isotrópico, primeira. devido à dificuldade de obtenção de dados mais precisos, ∆h ∆hQ = Q 11 = Q2 = K1 ⋅A ⋅ = K ⋅A ⋅ 220 2 15 na verdade, o mais comum é a anisotropia. Em aqüíferos sedimentares, isto ocorre por dois fatores: um deles é que A soma das variações de carga hidráulica deve ser igual à as partículas não são esféricas e, geralmente, depositam- variação total da carga hidráulica. se com o lado plano para baixo, e o outro é que os ∆h1 + ∆h2 = 80 − 50 = 30 m aqüíferos são formados por camadas superpostas de Vale a pena observar que no caso anterior, quanto maior a diferentes materiais. A tabela 2.2.2 mostra características espessura e, maior a capacidade de conduzir água (relação de anisotropia para alguns materiais. Camadas horizontais direta). No caso do escoamento vertical, quanto maior a menos permeáveis retardarão o escoamento vertical sem espessura e, menor a capacidade de condução de água (relação inversa). afetar significativamente o escoamento horizontal nas outras camadas, de modo que a condutividade hidráulica ∆h1 = 6,32 m e ∆h2 = 23,68 m na horizontal é maior que na direção vertical. = −5 6,32Q 1.10 .500.1. = 1,58.10−3 m3/s 20 Condutividade Condutividade Materiais Horizontal Vertical Relação (m/s) (m/s) Anidrita 10-14 a 10-12 10-15 a 10-13 10 Calcáreo Gredoso 10-10 a 10-8 5.10-11 a 5.10-9 2 Dolomita 10-9 a 10-7 5.10-10 a 5.10-8 2 Arenito 5x10-13 a 10-10 2,5x10-13 a 5x10-11 2 Siltito, Folhelho 10-14 a 10-12 10-15 a 10-13 10 Tabela 2.2.2 - Anisotropia de alguns materiais (adaptado de Figura 2.2.11 - Fluxo vertical através de duas camadas porosas Domenico e Schwartz, 1997) com condutividades hidráulicas diferentes. Exemplo 2.2.2 - Um sistema aqüífero é formado por duas camadas horizontais (figura 2.2.10). A camada superior possui No caso de camadas horizontais de condutividades K = 10-5 m/s e a camada inferior possui K = 2.10-6 m/s. A carga diferentes, a condutividade equivalente para escoamento hidráulica na extremidade oeste é de 60 m e na extremidade leste horizontal será: é de 40 m. Calcule a vazão em cada camada. Solução A vazão por metro de largura em cada camada será dada por: Q = K ⋅ ∆hA L Q = 1.10−5 (60 − 40). 1.20. = 8.10−6 m31 /s500 = (60 − 40) K ⋅ z +K ⋅ z +K ⋅ zQ2 2.10 −6 . 1.15. = 1,2.10−6 3 K 1 1 2 2 3 3 500 m /s x = z1 + z + z (2.2.29) 2 3 Observe que o fluxo horizontal na camada mais permeável independe do fluxo na camada menos permeável. A condutividade horizontal equivalente é obtida pela média ponderada das condutividades, onde o fator de ponderação é a espessura da camada. Para a condutividade vertical, obtemos a seguinte expressão: z + z + z K = 1 2 3z z1 + z2 + z3 (2.2.30) K1 K2 K3 que pode ser entendida como o inverso de uma média onde os termos variam inversamente com z. Figura 2.2.10 - Fluxo horizontal através de duas camadas porosas, Quadro 2.2.5 - Condutividade hidráulica equivalente de com condutividades hidráulicas diferentes. camadas horizontais. 84 Cap_2.2_F.indd 8 18/12/2008 10:17:07 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Quando as direções principais de condutividade são 2.2.5 Equação da Continuidade (Con- oblíquas ao gradiente de carga hidráulica, o problema pode ser resolvido para cada direção separadamente servação da Massa d’Água) e, depois, calcula-se a resultante. Uma outra equação que deve ser obedecida é a da conservação da massa d’água, também chamada de Exemplo 2.2.4 - No esboço esquemático da figura 2.2.12a, a equação da continuidade, ou seja, a água não pode ser carga hidráulica do rio Verde é de 100,0 m, acima do datum, e do rio Amarelo é de 50,0 m. Qual a direção do escoamento entre criada nem destruída, pode apenas ser transportada de os dois rios e qual a velocidade de Darcy? um ponto a outro e armazenada em algum lugar. Esta equação pode ser escrita da seguinte forma: ∂hr vx ∂hr vy ∂hr v+ + z = − ∂hr ∂x ∂y ∂z ∂t (2.2.31) ∂hr div(hr v) = − ∂t (2.2.32) sendo div o operador vetorial divergente, que representa uma forma compacta de escrever a equação anterior. É importante entender o significado físico da equação (2.2.31). As três parcelas do primeiro membro indicam a quantidade de água que chega no local de estudo em cada uma das três direções dos eixos principais. O segundo membro indica a variação do armazenamento no local. 2.2.6 Equação Geral do Fluxo Subter- râneo Aplicando a lei de Darcy (para o caso tridimensional), na equação de continuidade, tem-se: ∂hr div(hr v) = − ∂t Figura 2.2.12 - Fluxo em aqüífero anisotrópico. onde RV corresponde à taxa de recarga por unidade Solução de volume. Escolhendo pontos A e B alinhados com Ky, e pontos A e C alinhados com Kx, conforme mostrado na figura 2.12b, teremos: = 500AB = 1.000 m cos60º AC = 500 = 577,35 m sen60º = ⋅ Dh = −4 ⋅ (100 − 50)qx Kx 5.10 = 4,3.10 −3 m/s Lx 577,35 Dh qy = Ky ⋅ = (100 − 50) 1.10−4 ⋅ = 0,5.10−3 m/s Ly 1.000 q 2 2 −3resul tan te = qx + qy = 4,36 ⋅10 m / s Direção do fluxo (figura 2.2.12.c): q tga = y = 0,115 → a = 6,58º qx Figura 2.2.13 - Conservação da massa (equação da É importante observar que quando o material é anisotrópico, a continuidade). Não se pode criar nem destruir água, apenas velocidade não é perpendicular às equipotenciais. transportá-la de um ponto a outro. 85 Cap_2.2_F.indd 9 9/12/2008 21:00:33 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas Aplicando-se o conceito de armazenamento onde, R é expresso em m/s ou em qualquer outra específico, a equação que representa o escoamento relação entre comprimento e tempo e é função das no aqüífero pode ser escrita como: coordenadas do plano e do tempo. O coeficiente de armazenamento é adimensional. ∂h div(K grad h) + Rv = Se ∂ (2.2.33)t Transmissividade Admitindo-se que os eixos cartesianos utilizados Transmissividade corresponde à quantidade de em determinado problema coincidem com as direções água que pode ser transmitida horizontalmente por principais do tensor da condutividade hidráulica, os toda a espessura saturada do aqüífero. Pode-se elementos não pertencentes à diagonal principal serão conceituá-la como a taxa de escoamento de água nulos. Daí: através de uma faixa vertical do aqüífero com largura ∂ ∂h ∂ ∂ ∂ ∂ unitária submetida a um gradiente hidráulico unitário h h (Kxx ) + (Kyy ) + (Kzz ) (figura 2.2.14).∂ x ∂ x ∂ y ∂ y ∂ z ∂ z O conceito de transmissividade é utilizado em ∂h estudos bidimensionais. Para aqüíferos confinados, a + RV = Se ∂ ( 2.2.34) transmissividade é dada pela expressão:t T = K ⋅b ( 2.2.38) Vale observar que a unidade de armazenamento especifico é o inverso da unidade de comprimento e sendo T a transmissividade (L²/T), K a condutividade a unidade de recarga R é o inverso do tempo. hidráulica (L/T) e b a espessura do aqüífero (L).V O valor de RV será positivo, se a água é adicionada As unidades de transmissividade são m²/s, m²/dia ao aqüífero e negativo, se água é retirada do aqüífero. ou galões/dia/pé, no sistema inglês. O termo é usado tanto para a recarga distribuída como para recarga concentrada e é função das coordenadas Coeficiente de Armazenamento espaciais e do tempo. A capacidade de um aqüífero armazenar e Aqüífero Confinado não Drenante transmitir água depende das propriedades da água (densidade, viscosidade e compressibilidade) e Num aqüífero confinado, as camadas acima e das propriedades do meio poroso (porosidade, abaixo do meio poroso são impermeáveis e a condição permeabilidade intrínseca e compressibilidade). de contorno nessas duas faces é de fluxo nulo. Estas propriedades são responsáveis por todo o Como os aqüíferos são praticamente horizontais e comportamento do aqüífero. Nesta seção serão considerando que as variações de espessura sejam desprezíveis, pode ser feita a análise apenas no plano do aqüífero. Isto significa que a carga hidráulica é independente de z, isto é, h = h(x, y, t). Chamando a espessura do aqüífero de b e procedendo à integração da equação geral do fluxo ao longo do eixo vertical, obtém-se: ∂ ⋅ ∂h + ∂ ⋅ ∂h(b Kxx ) (b Kyy ) + ∂ (b ⋅ ∂hK ) ∂ x ∂ x ∂ y ∂ y ∂ z zz ∂ z + Rv.b = ∂h Se.b ∂ t (2.2.35) Chamando Rv.b de R (recarga no modelo bidimensional) e aplicando as definições de t ransmiss iv idade (T=K.b) e coef ic iente de armazenamento (S=Se.b), chega-se a equação: ∂ ∂h + ∂ ∂h + = ∂h(T ) (T ) R S ∂ xx ∂ ∂ yy ∂ ∂ (2.2.36)x x y y t Se a transmissividade é constante, tem-se: ∂2 h ∂2 h R S ∂h Figura 2.2.14 - Ilustração mostrando os conceitos de + + = 2 2 (2.2.37)∂ x ∂ y T T ∂ t condutividade hidráulica e transmissividade (modificado de Driscoll, 1986). 86 Cap_2.2_F.indd 10 9/12/2008 21:00:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Se = r ⋅ g(a + h ⋅b) (2.2.40) sendo a a compressibilidade do meio poroso e b a compressibilidade da água. O coeficiente de armazenamento é um parâmetro adimensional definido pela expressão: S = Se ⋅b (2.2.41) sendo b a espessura do aqüífero (L). É possível definir um único parâmetro envolvendo os conceitos de transmissividade e de armazenamento de um aqüífero. Figura 2.2.15 - Transmissividade (modificado de Bear & Verruijt, 1990). D = T = K S S (2.2.42)e LEMBRETE onde, D é chamado de difusividade hidráulica do A equação geral do fluxo subterrâneo é uma equação aqüífero. diferencial parcial. Para resolver esta equação, geralmente usam-se métodos numéricos. Os mais comuns são o Quadro 2.2.6 - Difusividade hidráulica. método das diferenças finitas e o método dos elementos finitos (capítulo 7.3). Aqüífero Confinado Drenante Num aqüífero confinado drenante, uma ou ambas vistos os conceitos de armazenamento específico e as camadas limitantes são semipermeáveis. Para coeficiente de armazenamento, que utilizam algumas efeito de simplificação, será feita a consideração de das propriedades acima. que a camada inferior é impermeável e que a camada O armazenamento específico de um aqüífero superior possui permeabilidade pequena, mas saturado é definido como o volume de água liberado diferente de zero. Considerando-se a ocorrência de por um volume unitário do aqüífero submetido a um uma carga hidráulica h constante, acima da camada decréscimo unitário de carga hidráulica: 1semi-permeável no plano (x, y), a taxa de infiltração d Vliberado vertical IV para o aqüífero, através dessa camada Se = V ⋅ dh (2.2.39) semipermeável, é dada por: = ⋅  h − h  onde d indica uma pequena variação. Iv K ' 1   (2.2.43) b'  O mecanismo de liberação de água nos aqüíferos confinados é bem diferente daquele que ocorre em sendo K’ e b’, respectivamente, a condutividade aqüíferos livres, onde a água é liberada para poços hidrául ica e a espessura da camada semi- ou fontes, principalmente em função da drenagem permeável. dos poros. Os vazios, inicialmente saturados, passam Alguns autores definem a relação entre K’/b’ a ser ocupados pelo ar e o nível freático fica mais como coeficiente de drenança (Bear, 1979) e a baixo. No caso de aqüíferos confinados, ao liberar relação inversa b’/K’ como resistência da camada água os poros não são esvaziados. A pressão da semipermeável (c): água no aqüífero é maior que a pressão atmosférica e ao ser perfurado um poço e extraída água, ocorre b 'c = (2.2.44) gradativamente um alívio na pressão hidrostática, K ' aumentando, conseqüentemente, o peso das camadas Logo, em função da resistência hidráulica da camada geológicas superiores sobre a estrutura física do confinante, a filtração vertical expressa-se por: material poroso, provocando uma compactação do h − h aqüífero. Nestes casos, a água é liberada devido a I = 1v (2.2.45) dois fatores: um deles, devido à expansão da água c proporcionada pela redução da pressão hidrostática Este valor da taxa de filtração vertical deve ser e o outro, devido à redução dos vazios do aqüífero adicionado, no caso, ao termo de recarga (R): causada pelo aumento da pressão sobre a estrutura ∂ ∂h ∂ ∂h h − h ∂h do meio poroso. O armazenamento específico é dado (Txx ) + (Tyy ) + 1 + R = S (2.2.46) pela equação: ∂ x ∂ x ∂ y ∂ y c ∂ t 87 Cap_2.2_F.indd 11 9/12/2008 21:00:35 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas Aqüífero Livre ou não Confinado Dupuit, em 1863, verificou que nos escoamentos de No aqüífero livre não existe camada limitante água subterrânea a declividade da superfície freática é, impermeável na face superior. Para simplificação geralmente, muito pequena e o escoamento pode ser do cálculo, admite-se que existe uma interface de considerado como praticamente horizontal. Com isto reduz-se uma dimensão do problema e a carga hidráulica separação entre a zona saturada e uma região acima, torna-se função, apenas, das coordenadas horizontais do considerada completamente seca. meio poroso. A validade da aproximação de Dupuit tem Aplicando-se a aproximação de Dupuit, pode-se sido analisada por muitos autores, ficando comprovado considerar a carga ao longo de uma linha vertical como que a aproximação é aceitável para pequenas declividades constante e o escoamento como sendo horizontal. da superfície freática e para aqüíferos não muito espessos Levando-se em conta que ao longo da superfície livre (Wang & Anderson, 1982). Para fluidos não confinados atua a pressão atmosférica, pode ser considerado em meios porosos isotrópicos, verifica-se que para como a espessura do aqüífero. Aplicando-se as declividades da superfície piezométrica de até 10%, o erro mesmas considerações das equações anteriores relativo cometido no cálculo da velocidade, utilizando-se a chega-se a: aproximação de Dupuit, é de apenas 1%. A aproximação de Dupuit, no entanto, não tem apresentado bons resultados no ∂ ∂h ∂ ∂h ∂h cálculo do escoamento na vizinhança de poços parcialmente (h ⋅Kxx ) + (h ⋅Kyy ) + R = S∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (2.2.47)x x y y t penetrantes no aqüífero (Kemblowsky, 1987) e em caso de problemas transientes em que ocorre uma brusca mudança Infelizmente, esta equação é não linear, no entanto, de taxa de escoamento (Bear & Dagan, 1964). adotando-se a condutividade hidráulica como constante, pode ser aplicada a relação: Quadro 2.2.7 - Condição de Dupuit. ∂h 1 ∂(h2 ) Antigamente se usava o processo gráfico de h = (2.2.48) ∂ x 2 ∂ x redes de fluxo como forma de ajudar a resolver as equações diferenciais do escoamento. Atualmente, as de onde se obtém: equações já são resolvidas com uso do computador ∂ 2(h2 ) ∂2 (h2 ) 2R 2S ∂h e utilizam-se as redes de fluxo para dar uma idéia do + + = 2 2 (2.2.49) escoamento no meio poroso (figura 2.2.16). Além disso, ∂ x ∂ y K K ∂ t ultimamente, prefere-se traçar o vetor velocidade em Utilizando-se uma nova variável vem: diversos pontos, ao invés de desenhar a linha de fluxo, e o comprimento do traçado do vetor é proporcional ∂2 v ∂2+ v + 2R = S ∂ v ao valor da velocidade. Desta forma, as redes de fluxo 2 (2.2.50)∂ x ∂ y2 K K v ∂ t computacionais conseguem representar o módulo, a direção e o sentido do vetor velocidade (figura 2.2.17). Para um problema de fluxo em regime permanente, No traçado de redes de fluxo é importante notar o termo do lado direito da igualdade não existe e a as escalas de cada eixo. Em estudos horizontais, equação é linear em v , com as vantagens de utilizar- geralmente usam-se escalas iguais para os dois eixos. se os métodos de solução disponíveis e o princípio de Em estudos bidimensionais em planos verticais, no superposição de soluções. entanto, costuma-se ampliar a escala vertical e com Para um problema de fluxo transitório ou não isto ocorre uma deformação na aparência da rede permanente, a equação é não linear devido ao termo (figura 2.2.18). É importante, ainda, observar que a vinculado à raiz quadrada. Muitas vezes, quando regra prática tradicional de que as linhas de fluxo são se resolve o problema por iterações sucessivas, perpendiculares às linhas eqüipotenciais só é válida pode-se linearizar a equação, utilizando o valor da se o meio poroso for isotrópico e as escalas nas duas raiz quadrada de v da iteração anterior. Atualmente direções forem iguais. já existem diversos pacotes computacionais que resolvem esta equação 2.2.49, utilizando métodos numéricos aproximados. Exercícios Propostos 1) O mapa esquemático a seguir mostra a posição de 2.2.7 Redes de Fluxo três poços. A tabela a seguir indica a cota topográfica, a profundidade do poço e a profundidade do nível estático. Em estudos bidimensionais, para efeito de Adotando o datum no zero da cota topográfica: visualização e entendimento do escoamento, costuma- a) calcular as cargas hidráulicas de cada poço; se traçar redes de fluxo mostrando a direção e o sentido b) calcular a altura de água dentro do poço (do fundo da velocidade ao longo da região analisada. É importante do poço à superfície da água estática); lembrar que as redes de fluxo não representam bem o c) esboçar as isolinhas de carga hidráulica; e escoamento se houver componentes de velocidade na d) considerando o material isotrópico, esboçar vetores direção perpendicular ao plano estudado. da velocidade de escoamento. 88 Cap_2.2_F.indd 12 9/12/2008 21:00:35 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 2.2.16 - Potenciometria no início da série histórica (1970) para o aqüífero Boa Viagem (modificado de Monteiro, 2000). Figura 2.2.17 - Rede de fluxo e eqüipotenciais traçados com software gráfico. 89 Cap_2.2_F.indd 13 Capítulo 2.2 - Movimento das Águas Subterrâneas 3) Em certo local a camada semipermeável (aqüitardo) entre o aqüífero superior e o aqüífero inferior é formada por 2,0 m de argila arenosa sobreposta a 3,0 m de argila siltosa (esquema da figura abaixo). Figura 2.2.18 - Deformação na rede de fluxo devido ao exagero na escala vertical. a) traçado original da rede de fluxo; b) traçado deformado com escala vertical o dobro da escala inicial. (Fonte: Modificado de Driscoll, 1986). Considerando que o nível estático de um poço que capta água do aqüífero inferior é de 1,0 m: a) calcular a velocidade de Darcy na vertical nas duas subcamadas do aqüitardo; b) calcular a vazão que atravessa de um aqüífero para Cota Profundidade Nível outro por m²; e Topográfica do Poço Estático c) calcular uma condutividade equivalente para o (m) (m) (m) aqüitardo. A 192,00 112,00 45,00 4) Na questão (2), considerando a porosidade igual a B 191,00 120,00 35,00 0,25, calcular a velocidade real das partículas de água na camada 1 e na camada 2. C 179,00 96,00 34,00 5) Numa região choveu 40 mm em determinado dia. 2 Considere que 10% da chuva infiltrou-se e que toda a água ) Considere dois reservatórios de água escavados no infiltrada percolou direto para alimentar o lençol freático, terreno como, mostrado na figura a seguir: cuja porosidade é de 0,20. Calcular a elevação do nível a) calcular o gradiente hidráulico no material poroso do aqüífero freático. entre os dois reservatórios; b) calcular a velocidade de Darcy na camada 1 e na 6) No aqüífero indicado na figura a seguir: camada 2; a) calcule a velocidade de Darcy na direção x (qx) e na c) considerando uma faixa de 1,0 m de largura, indo do direção y (qy); reservatório A até o reservatório B, calcule a vazão na b) calcule o ângulo formado pela velocidade resultante camada 1 e a vazão na camada 2; e com a direção x; e d) calcule a condutividade hidráulica equivalente do c) trace as eqüipotenciais e calcule o ângulo formado conjunto das duas camadas. entre a velocidade e as eqüipotenciais. 90 Cap_2.2_F.indd 14 9/12/2008 21:00:36 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações MONTEIRO, A. B. Modelagem do fluxo subter- râneo nos aquíferos da planície do Recife e seus encaixes. 2000. 180 f. Dissertação (Mestrado em Geociências) - Centro de Tecnologia em Geociências, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2000. WANG, H. F.; ANDERSON, M. P. Introduction to groundwater modelling: finite difference and finite element methods. San Francisco: W. H. Freeman, 1982. 237 p., il. Anexos Anexo 2.2.1 Fatores de Conversão de Unidades Fatores de Conversão de Unidades Condutividade 1 pé/dia = 0,305 m/dia 1 meinzer = 1 gal/dia/pé2 = 0,0408 m/dia hidráulica 1 cm/s = 864 m/dia Permeabilidade 1 darcy = 9,87 x 10-9 cm2 Referências intrínseca 1 darcy = 1,062 x 10-11 pé2 BEAR, J. Dynamics of fluids in porous media. New Viscosidade 1 poise = 1 g/cm/s absoluta 1 kg/m s = 10 g/cm/sYork: Dover Publications, 1972. Viscosidade 1 stoke = 1 cm2/s ______ . Hydraulics of groundwater. New York: 1 pé2cinemática /s = 929,03 stokes McGraw-Hill, 1979. 1 polegada = 2,54 cm BEAR, J.; DAGAN, G. Moving interface in coastal 1 pé = 30,5 cm aquifers. Journal of Hydraulics Engineering, New 1 milha (terrestre) = 1.609 m York, v. 90, p. 193-216, 1964. Outras 1 ha = 10 4 m2 unidades 1 acre = 4.047 m2 3 BEAR, J.; VERRUIJT, A. Modeling groundwater 1 acre-pé = 1,233 m 3 flow and pollution. [Dordrecht; Boston]: D. Riedel 1 m = 1.000 litros1 pé3 = 378,5 litros Publishing Company, 1990. WROBEL, L.C. et al. Métodos numéricos em recursos hídricos. Rio de Janeiro: ABRH, 1989. 380 p. CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subter- ránea. 2. ed. Barcelona: Ed. Omega, 1983. DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ, F. W. Physical and chemical hydrogeology. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, 1997. DRISCOLL, F. G. Groundwater and wells. St. Paul, Minn.: Johnson Division, 1986. FETTER, C. W. Applied hydrogeology. 2. ed. New York: Macmillan, 1988. FREEZE, A. R; CHERRY, J. A. Groundwater. Engle- wood Cliffs: Prentice Hall, 1979. 604 p. HUBBERT, M. K. The theory of ground water motion. Journal of Geology. [S.l.], v. 48, n. 8, p. 785-944, 1940. KEMBLOWSKY, M. The impact of the Dupuit - Forchheimer approximation on salt-water intrusion simulation. Ground Water, Washington, v.25, n. 3, p. 331-336. 1987. 91 Cap_2.2_F.indd 15 9/12/2008 21:00:37 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 modulo 3.indd 1 9/12/2008 19:54:02 modulo 3.indd 2 9/12/2008 19:54:04 modulo 3.indd 3 9/12/2008 19:54:05 modulo 3.indd 4 9/12/2008 19:54:05 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 3.1 CONCEITOS DE ANÁLISE ESTRUTURAL APLICADOS À HIDROGEOLOGIA DE TERRENOS CRISTALINOS Emanuel Ferraz Jardim de Sá Carlos César Nascimento da Silva Ana Catarina Fernandes Coriolano Walter Eugênio de Medeiros 3.1.1 Introdução consonância com o fato de que a migração e acúmulo da água subterrânea, neste tipo de reservatório, é um processo superficial e geologicamente muito recente Décadas de prospecção hidrogeológica nos ou atual.terrenos pré-cambrianos do Nordeste do O trabalho enfatiza métodos e conceitos simples, Brasil e em outras regiões, conduziram a um de aplicação direta e de baixo custo. Abordagens arcabouço teórico-metodológico que é amplamente utilizado para a locação de poços, por parte de sofisticadas e de custo elevado teriam escassa profissionais autônomos, empresas privadas e agências utilidade para a prospecção hidrogeológica em regiões governamentais. É consensualmente reconhecido que, semi-áridas e economicamente carentes. O tema e neste tipo de terreno, a percolação e acumulação conhecimentos aqui expostos foram abordados em de água são controladas por fraturas e outras projetos de pesquisa financiados pelo Programa descontinuidades no maciço rochoso, o que requer PADCT3 (FINEP e CNPq), com apoio de várias entidades dos hidrogeólogos uma base de conhecimentos em (com destaque para a CPRM - Serviço Geológico do Geologia Estrutural, tarefa que foi desempenhada com Brasil e um projeto de cooperação internacional sucesso, em nosso país, pelas sínteses de Siqueira Brasil / Agência Brasileira de Cooperação / CPRM e o (1967), Costa (1965) e, nas primeiras edições deste Canadá / Canadian International Development Agency compêndio, Costa & Silva (1997). Todavia, muitos dos / Geological Survey of Canada). Os trabalhos foram conceitos utilizados nessas contribuições datam das desenvolvidos por professores e pós-graduandos décadas de 1950-60 e, assim, demandam uma revisão do Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica que complemente e atualize esses textos. e Geofísica (PPGG) da Universidade Federal do Rio A proposta deste trabalho é efetuar, inicialmente, uma Grande do Norte (UFRN), com apoio da CAPES e análise crítica dos conceitos e procedimentos clássicos CNPq, principalmente no período de 1998 a 2002. envolvidos na hidrogeologia do cristalino. Em seguida, serão discutidos conceitos modernos de análise estrutural 3.1.2 Conceitos Clássicos da Hidro- e da evolução tectônica dos continentes, como base para orientar uma reformulação da metodologia, num geologia do Cristalino e Problemas esforço permanente e em conjunto com hidrogeólogos Inerentes experientes na prospecção de água subterrânea no cristalino. Dois aspectos são considerados básicos na O termo “clássico” refere-se à abordagem linha de trabalho aqui explorada: hidrogeológica usual, adotada no Nordeste do Brasil e em outras regiões dominadas por rochas (i) o enorme progresso ocorrido na compreensão cristalinas (metamórficas e ígneas), no país e em dos processos de deformação ao longo das quatro outros continentes. Como fontes preferenciais de últimas décadas, incluindo o contexto tectônico, os informação, o leitor pode consultar as referências acima parâmetros decorrentes do nível crustal e as relações citadas ou os capítulos 3.2 (Hidrogeologia de Meios cronológicas entre diferentes estruturas, o que permite Fissurados) e 3.3 (Hidrogeologia de Meios Cársticos), explicar, de modo adequado, situações sugeridas ou que complementam este módulo. O presente texto constatadas pela prática de locação; e aborda o contexto estrutural dos terrenos cristalinos, (ii) o papel de controle que deve ser exercido pelos no tocante ao seu papel de controle da ocorrência de sistemas de tensões neotectônicos, atuando em água subterrânea. Todavia, devem ser destacados condições superficiais ou muito rasas na crosta, em outros fatores que não serão objeto de consideração 97 Cap_3.1_FFI.indd 1 9/12/2008 21:03:13 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino no presente (consultar, em complementação, o trabalho de Brito Neves & Albuquerque, 2004), em especial o regime pluvial, a rede hidrográfica, a topografia e a ocorrência de coberturas sedimentares permeáveis (incluindo o manto de intemperismo, aluviões e associados), que, no conjunto, controlam as condições de recarga deste (e de outros) tipo de aqüífero. Existe consenso sobre a importância das estruturas frágeis (ou rúpteis) na criação de espaços nas rochas cristalinas, permitindo o fluxo e acumulação de reservas de água neste meio. Tais estruturas, também referidas como descontinuidades, correspondem às fraturas, que, de um modo geral, são consideradas como volumes planares “abertos”, variavelmente dispersas ou concentradas em setores, ao longo de um maciço cristalino. O termo fraturas engloba juntas (descontinuidades ao longo das quais o movimento relativo entre os blocos é muito pequeno na escala considerada) e falhas (ou zonas de falhas), cujas dimensões (comprimento), de interesse no presente Figura 3.1.1 - Estruturas que controlam a ocorrência de caso, variam de metros a dezenas de quilômetros (figura água subterrânea em rochas cristalinas: (a) juntas; (b) falhas 3.1.1). Embora representadas em figuras e mapas como e zonas de falhas; (c) contatos geológicos; (d) superfícies planos discretos, as juntas e, em especial, as falhas, de foliação (incluindo zonas de cisalhamento), quando usualmente correspondem a enxames de planos de intemperizadas. Nesta e em outras figuras, o efeito do in- menor porte, em sua maior parte subparalelos. temperismo nas fraturas é indicado por traços mais grossos, próximos à superfície. A escala preferencialmente visualizada Outros tipos de estruturas, ainda, devem ser é macroscópica (pequena área). considerados, pela possibilidade de proverem espaços abertos nas rochas. É o caso dos contatos entre litologias distintas, mecanicamente contrastantes, a A fotointerpretação é direcionada à localização de exemplo das paredes de diques e filões, zonas que estruturas favoráveis - em especial, as zonas fraturadas, são consideradas como favoráveis na prática atual bem como a estabelecer seu relacionamento com de locação. Também devem ser considerados os possíveis fontes de recarga - coberturas e a rede de planos de foliações ou lineações (estes dois tipos de drenagem. Bourguet et al. (1981) ilustram a interpretação estruturas constituem o fabric das rochas deformadas, de vários casos de recarga por sistemas de drenagem. do qual resultam orientações preferenciais de minerais Siqueira (1963, in Siqueira, 1967) elaborou o conceito de e feições primárias das rochas) e zonas miloníticas. riacho-fenda, quando uma drenagem teria seu curso Na maioria dos casos, tais estruturas são geradas controlado por uma fratura/zona de fratura, assegurando, por mecanismos de deformação em alta temperatura periodicamente, condições de recarga (figura 3.1.2). O (> 200°C). Contrariamente às fraturas e contatos, que conceito é amplamente utilizado em regiões semi- possuem localização espacial definida (e também áridas, condicionando, até mesmo, o processo de constituem descontinuidades), as foliações e lineações fotointerpretação – as fraturas são identificadas pelos são distribuídas através dos corpos geológicos, trechos retilíneos e “cotovelos”, ao longo das drenagens. ainda que possam exibir “concentrações” (maior Em campo, os afloramentos adjacentes devem mostrar desenvolvimento) nas zonas miloníticas, comumente uma boa freqüência de fraturas orientadas segundo a referidas como zonas de cisalhamento. direção fotointerpretada - o segmento retilíneo de um Embora originalmente “fechadas” (no sentido riacho. Todavia, a análise de casos de locação de poços de que não constituem, originalmente, planos de (Coriolano et al., 2000; Coriolano, 2002; Nascimento partição nas rochas, nem propiciam taxas de fluxo de da Silva & Jardim de Sá, 2000; Nascimento da Silva, fluidos elevadas e localizadas), as estruturas dúcteis, 2004; Nascimento da Silva et al., 2004) mostra que a formadas em profundidade e alta temperatura, podem correlação de dados estruturais entre essas diferentes ser “abertas” quando submetidas a processos de escalas não é uma tarefa simples. A restrição de reativação, intemperismo e descompressão, próximos seções verticais (cortes naturais ou artificiais) tem como à superfície da Terra. alternativa os levantamentos geofísicos combinando Em função de sua dimensão e para os objetivos da diferentes métodos (eletrorresistividade, EM, GPR), prospecção hidrogeológica, o reconhecimento de fraturas como exemplificado pelos trabalhos de Avelino da Silva e outros tipos de estruturas pode envolver a análise de (2000), Nascimento da Silva (2004) e Nascimento da imagens de satélites e fotografias aéreas convencionais Silva et al. (2004), condição que normalmente não está ou de detalhe, e/ou o estudo de afloramentos. disponível na atividade rotineira de locação de poços. 98 Cap_3.1_FFI.indd 2 9/12/2008 21:03:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações possivelmente abrangendo pelo interesse um nível de 0,5 a 1 km na crosta, no máximo. Outro aspecto a considerar é a ocorrência de sucessivos eventos de deformação frágil, desde o final do Pré-cambriano até os tempos atuais. A rede de fraturas presente nos terrenos cristalinos comumente tem uma cronologia complexa. Essas descontinuidades foram, em sua maior parte, herdadas de eventos antigos, que não possuem relação direta com o campo de tensões atual. Pelas suas implicações, é importante que o hidrogeólogo do cristalino conheça os principais aspectos da evolução tectônica da sua região de trabalho. 3.1.3 Conceitos Básicos de Análise Figura 3.1.2 - O conceito de riacho-fenda ilustrado na visão Estrutural - A Deformação Frágil de mapa ou fotografia aérea ou mapa (a) e em afloramentos (b, c). As fraturas são inferidas a partir de trechos retilíneos e Nas duas últimas décadas, a relação entre cotovelos da drenagem (a). É necessário verificar no campo, estruturas e as condições de permeabilidade/ em afloramentos adjacentes à drenagem, a ocorrência de porosidade de um maciço rochoso estão sendo intenso fraturamento paralelo ao trend fotointerpretado (no abordadas com crescente interesse, especialmente exemplo, uma suposta fratura NNW), para validar o modelo em países do hemisfério norte, a partir de um número do riacho-fenda (b). Todavia, trechos retilíneos da drenagem de contribuições multidisciplinares. O enfoque também podem ser controlados pela foliação das rochas prioriza as estruturas frágeis, pela sua capacidade (c); neste caso, a fratura interpretada com direção NNW não existe; no afloramento, as fraturas apresentam direção NE. de condicionar o fluxo e/ou acúmulo de expressivo volume de fluidos, ao longo de tempos geologicamente curtos e em níveis rasos da crosta, o que corresponde Existe uma prática firmada, no Nordeste do Brasil ao contexto de interesse para o estudo e prospecção e em regiões cristalinas similares na África (Bourguet da água subterrânea em terrenos cristalinos. Muitas et al., 1980-81; Wright & Burgess, 1992), de que a das contribuições neste campo (ver revisão em profundidade máxima para a ocorrência de fraturas Odling, 1998, p.ex.) foram impulsionadas não apenas abertas, com água, não ultrapassa a faixa de 60 a 100 pelo interesse hidrogeológico, mas, exatamente, m. Todavia, a usual ocorrência de água minando a por um objetivo oposto – a procura de rochas partir de fraturas, em galerias mineiras profundas, ou as cristalinas “secas”, impermeáveis, adequadas para o fontes termais que drenam água desde profundidades armazenamento de lixo nuclear (Carlsson & Olsson, de até 1 a 3 km (Berthier, 1982), alertam que aquele 1980-81; Almén, 1994). A indústria do petróleo somou valor é mínimo e o seu significado está fortemente uma enorme parcela de conhecimentos, dedicada condicionado a aspectos técnico-econômicos da aos problemas de porosidade e permeabilidade em sondagem e do bombeamento. reservatórios fraturados (Nolen-Hoeksema & Howard, Um ponto crítico na avaliação de terreno reside na 1987; Heffer & Lean, 1993; Sibson, 1994; Barton et detecção das fraturas “abertas”, mais propícias ao fluxo e al., 1997; Aydin, 2000; Maerten et al., 2006). A esses acumulação de água. Nesse caso, a abordagem clássica enfoques mais específicos, é acrescida a expansão de demanda uma análise crítica face à evolução tectônica conhecimentos na Geologia Estrutural, na Neotectônica regional, a geometria do fraturamento e as condições e sobre a evolução da crosta continental, de um modo de recarga. Muitas vezes, os critérios propostos para mais amplo (ver diversos artigos em Hancock, 1994, selecionar ou priorizar locações foram baseados em p.ex.). Alguns dos tópicos desenvolvidos constituem feições e estruturas relacionadas a uma etapa antiga e temas de ponta, cuja aplicabilidade na prática de profunda da evolução crustal. Tomando o exemplo do locação ainda não foi plenamente estabelecida. Nordeste brasileiro, a deformação principal do terreno A hidrogeologia do cristalino demanda uma ocorreu, pelo menos, no final do Pré-cambriano, há renovação de conhecimentos, incorporando os cerca de 550 Ma atrás, quando as estruturas principais modelos 3-D da geometria de sistemas de juntas e do terreno, hoje exposto, estavam sendo desenvolvidas zonas de falhas, sua cinemática e o funcionamento numa faixa entre 8 a 15 km de profundidade. A influência mecanicamente integrado de sistemas complexos. Na que essas (ou parte dessas) estruturas possam ter na avaliação do papel do fraturamento para condicionar o prospecção hidrogeológica é discutível e, se existente, fluxo e acumulação de água subterrânea, os seguintes se dá por vias indiretas; p.ex., no controle estrutural pontos devem ser considerados: da paisagem ou quando modificadas posteriormente na denudação e intemperismo. Cabe enfatizar que o (i) a geometria do sistema de fraturas, incluindo fluxo e acúmulo da água normalmente explotável é as feições (abertura, rugosidade) de uma fratura um processo geologicamente recente e superficial, individual, bem como a orientação, dimensões e 99 Cap_3.1_FFI.indd 3 9/12/2008 21:03:13 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino conectividade entre diferentes famílias. Em várias Nas condições da deformação frágil, as tensões escalas, raramente uma fratura (junta e, em especial, ou strain uniaxiais produzem juntas de distensão – as falhas) é constituída por um plano único, mas, fraturas com tendência dilatacional/”aberta”, ou juntas sim, por uma família de planos subparalelos e outros, estilolíticas, com tendência contracional/”fechada”. subordinados em freqüência e tamanho, em ângulo As tensões ou strain biaxiais desenvolvem juntas com os principais. Deste modo, deve ser entendido que de distensão, juntas estilolíticas e/ou fraturas muitas das ilustrações de fraturas como uma superfície de cisalhamento, estas últimas com movimento única e regular, no presente texto e nas referências paralelo às paredes. Finalmente, as tensões ou citadas, são, na verdade, simplificações com objetivo strain triaxiais resultam em sistemas com múltiplas didático. A geometria das fraturas é controlada pelo famílias de fraturas. Nos dois primeiros casos, os campo de tensões atuante na época de sua formação, eixos de tensões (s1 ≥ s2 ≥ s3) ou de strain (X ≥ Y ≥ Z) bem como pelo tipo de rocha presente e as condições guardam uma relação angular simples com respeito crustais em que a deformação ocorreu; e às fraturas. Nos sistemas triaxiais, essas relações (ii) a tendência atual de comportamento – “abertura” são complexas. Comumente e/ou numa primeira versus “fechamento” das diferentes famílias e fraturas, abordagem, as famílias de fraturas naturais podem o que é condicionado pelo campo de tensões ser tratadas, simplificadamente, como desenvolvidas atual/neotectônico e pela evolução recente do em sistemas biaxiais, como feito nas figuras 3.1.4 e terreno, no tocante à sua exumação e processos de 3.1.5, mostradas mais adiante. intemperismo. Em função das tensões atuantes e conseqüente padrão de movimento das partículas materiais O item (i) envolve o reconhecimento de conjuntos de (strain , cinemática, f luxo) de uma rocha em fraturas que estejam relacionados a um mesmo regime deformação, podem ser distinguidos regimes de de deformação (ou regime cinemático) e o respectivo cisalhamento puro, simples ou geral, adiante campo de tensões. Vários livros textos e artigos recentes explicados em associação com a figura 3.1.4. Em sumarizam este tipo de conhecimento (Hancock, cada um dos casos distinguidos na referida figura, 1985,1994; Ramsay & Huber, 1987; Twiss & Moores, e a depender do tipo de rocha e da magnitude das 1992; Angelier, 1994; Choukroune, 1995; Hatcher Jr., tensões atuantes, podem ser desenvolvidas as 1995; van der Pluijm & Marshak, 1997; Aydin, 2000). juntas de distensão (em geral desenvolvidas sob As tensões atuantes e o respectivo strain (o termo esforços trativos e/ou com a participação de fluidos, strain designa os componentes da deformação - reduzindo a tensão efetiva atuante nas rochas – dilatação, distorção e rotação; o componente translação figuras 3.1.3a e 3.1.3b), fraturas de cisalhamento é considerado independentemente) induzido nos ou falhas (requerem tensões diferenciais de maior corpos geológicos podem ser uniaxiais, biaxiais e valor), juntas estilolíticas (em rochas passíveis de triaxiais. O conceito do elipsóide de strain é utilizado dissolução em condições superficiais, o que não para representar e quantificar a deformação associada ocorre nos litotipos cristalinos aqui considerados) e a diferentes tipos de estruturas. O elipsóide de strain juntas/fraturas híbridas (cisalhamento + dilatação representa a transformação de um corpo originalmente ou contração). esférico. No elipsóide são reconhecidos, no estágio O diagrama de Mohr, empregado na figura 3.1.3, é final (elipsóide finito) ou em estágios intermediários a expressão gráfica das equações para determinação (elipsóide incremental), o eixo de máximo estiramento das tensões normal (s) e cisalhante (t) que atuam ou mínimo encurtamento (X), um eixo de comportamento em um plano qualquer (p.ex., uma fratura) em um intermediário (Y) e o eixo de máximo encurtamento/ maciço rochoso. A sua construção e utilização são mínimo estiramento (Z), mutuamente perpendiculares abordados nos vários livros textos de Geologia entre si. A notação XY define o plano de achatamento Estrutural, acima indicados. Na figura 3.1.3, esse de uma rocha deformada. Embora originalmente diagrama ilustra esquematicamente as condições desenvolvido sob a ótica da deformação dúctil (dobras, de fraturamento envolvendo diferentes sistemas de fabric e zonas de cisalhamento), a tendência moderna tensões, as propriedades mecânicas da rocha e das é estender a sua aplicação às estruturas frágeis, que fraturas nela contidas, e a influência de fluidos. As em textos antigos eram quase que exclusivamente condições de tensão aplicadas são expressas pelas relacionadas a sistemas de tensões. O strain é observado tensões principais normais (s1 ≥ s2≥ s3), que definem e pode ser quantificado nas rochas, e a evolução da sua os semi-círculos no diagrama, representando tensões forma ao longo do tempo conduz à noção de regime diferenciais. As condições de ruptura de uma rocha sã cinemático ou regime de fluxo. As tensões não são ou (como na figura 3.1.3c) contendo descontinuidades observadas diretamente, mas podem ser inferidas a prévias são definidas pelos envelopes de Mohr. Uma partir do strain e do regime cinemático. No presente fratura é formada quando o semi-círculo de tensões texto e para efeito didático, esses diferentes tipos de (ou seja, a tensão diferencial) tangencia o envelope conceitos são utilizados e relacionados entre si. Todavia, de ruptura. A orientação da fratura faz um ângulo a coincidência na orientação desses eixos só ocorre em q com o eixo s3. O ângulo 2q está construído nos alguns casos (ver adiante). exemplos da figura. 100 Cap_3.1_FFI.indd 4 9/12/2008 21:03:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 3.1.5c) ou (c) transpressivas. Todavia, substituindo os símbolos de falhas normais e inversas (exclusivos de mapas), a mesma figura pode representar as várias estruturas numa seção vertical (corte geológico); neste caso, as falhas principais seriam normais, como também ilustrado na figura 3.1.5a. Ao lado dos sistemas de fraturas, foram representados os respectivos elipsóides de strain finito (através de sua seção XZ, em cada caso), que podem ser deduzidos a partir da orientação dos sistemas de fraturas. As tensões ou componentes cisalhantes nas figuras 3.1.4b e 3.1.4c foram decompostas nos componentes principais normais que definem o elipsóide de tensões. No regime de cisalhamento puro (figura 3.1.4a), os eixos de tensões (s1 ≥ s2 ≥ s3) são coincidentes, ao longo de todo o processo deformacional, com os eixos do elipsóide de strain (X ≥ Y ≥ Z), incremental (deformação instantânea) e finito (deformação total acumulada). Nos regimes de cisalhamento simples ou geral (cisalhamento geral = cisalhamento simples + componente de dilatação ou contração), esta coincidência só ocorre com os eixos do elipsóide incremental (Xi e demais símbolos na figura), enquanto que os eixos X e Z do elipsóide finito rotacionam progressivamente (sentido anti-horário nas figuras 3.1.4b e 3.1.4c) a partir dos Figura 3.1.3 - Formação ou reativação de fraturas, visuali- eixos do elipsóide incremental. Em cada uma das zada no diagrama de Mohr. (a) Atuando numa rocha cuja figuras, a representação dos elipsóides de strain condição de ruptura é dada pelo envelope de Mohr, o finito com um contorno suavizado é adequado para estado de tensões 1 (menores valores e tensão diferencial representar a deformação dúctil. Na deformação frágil mais baixa) formaria juntas de distensão, caracterizadas no aqui abordada, esse contorno estaria recortado por diagrama por um ângulo q próximo de 90°. (b) O estado uma trama de fraturas e deslocamentos associados de tensões 2 (valores elevados, maior tensão diferencial) (ver exemplo na figura 26.29 de Ramsay & Huber, originaria fraturas de cisalhamento, nas quais o ângulo q é 1987) cuja densidade é proporcional à magnitude do próximo de 60°. O estado de tensões 1 não origina fraturas na rocha; com aumento da pressão de fluidos (p ) nos poros strain. A densidade da trama de fraturas e a importância f e fraturas, a tensão normal efetiva é reduzida (o semi-círculo do(s) deslocamento(s) associado(s) aumentam com se desloca para a esquerda no gráfico, configurando o estado o strain, que afeta a seção crustal representada pelo de tensões 2) e a rocha seria fraturada. (c) Considerando elipsóide. um estado de tensões específico, o mesmo é insuficiente O cisalhamento puro produz sistemas de fraturas para originar fraturas numa rocha sã (envelope de Mohr simétricos. São características as fraturas de cisalhamento 1), reativa fraturas pré-existentes, parcialmente seladas/de conjugadas. Regimes de cisalhamento simples ou baixa coesão, com orientação determinada pelo ângulo 2q geral originam sistemas de fraturas assimétricos, com (envelope 2, com parâmetro c reduzido), e reativa um amplo espectro direcional de fraturas não cimentadas (contidas no predominância de um tipo de movimento, horário ou leque de variação de 2q), desprovidas de coesão (envelope anti-horário. Nos diferentes casos da figura 3.1.4, é muito 3, parâmetro de coesão nulo). utilizada a notação de fraturas T (juntas de distensão, que coincidem com a seção YZ do elipsóide de strain), A figura 3.1.4 sintetiza a orientação de diferentes R, R’ e P (fraturas de cisalhamento) para designar o tipos de fraturas (juntas de distensão, juntas estilolíticas fraturamento de 2a ordem, relacionado a uma falha e fraturas de cisalhamento) em relação ao regime principal. As fraturas de cisalhamento cujo movimento de tensões ou regime cinemático atuante e eixos é contrário ao da falha principal são denominadas de de strain associados. Do ponto de vista mecânico antitéticas – caso de R’, desenvolvida em alto ângulo e cinemático, falhas normais e falhas inversas com respeito à zona de falha. As fraturas com o mesmo são equivalentes às juntas de distensão e juntas movimento da falha principal correspondem às fraturas estilolíticas, respectivamente. As fraturas híbridas, sintéticas, R e P. Nas figuras 3.1.4b e 3.1.4c foram não representadas na figura, são desenvolvidas com representadas variações angulares associadas às relação angular intermediária aos outros tipos. Com terminações das falhas, em dilatação (caracterizadas os símbolos adotados para as fraturas de 2a ordem por juntas e falhas distensionais) ou em contração (menor porte), a figura 3.1.4 representa uma visão de (com falhas inversas e, em rochas sedimentares, juntas mapa (plano horizontal). As falhas principais seriam estilolíticas; estas últimas coincidem com a seção XY do (a, b) estruturas transcorrentes (comparar com a figura elipsóide de strain). 101 Cap_3.1_FFI.indd 5 9/12/2008 21:03:14 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino Figura 3.1.4 - Regimes de fluxo e estruturas frágeis resultantes. Atentar para o tipo e relação angular das fraturas desenvolvi- das. O esboço é válido para mapa ou cortes verticais, em escala que varia de mesoscópica (afloramento) a macroscópica (área, região). Todavia, as falhas representadas pelo símbolo usual de dupla seta configuram, em mapa, um contexto de transcorrência – comparar com a figura 3.1.5 (ou seja, a figura representa adequadamente a visão em mapa apenas no caso das falhas transcorrentes). No cisalhamento geral, o componente de cisalhamento puro poderia ser de contração (conforme representado em (c); corresponderia a uma cinemática de transpressão no contexto de transcorrência) ou de dilatação (designado de transtração no caso de transcorrência). Os esboços correspondem à seção XZ do elipsóide de strain, também referido como a seção de movimento. O eixo Y é normal ao plano da figura e em (b) representa um eixo de deformação nula. Por simplicidade e convenção, os eixos Z/s1 são representados por setas que indicam encurtamento/compressão, enquanto X/s3 sinalizam estiramento/tração, respectivamente, nesta e em outras figuras deste capítulo. A representação dos elipsóides de strain finito com um contorno suavizado é adequado para a deformação dúctil. Na deformação frágil aqui abordada, esse contorno estaria recortado por descontinuidades, numa escala de maior detalhe. Em função da orientação dos eixos de tensões na quais são características as falhas de rejeito oblíquo crosta ou litosfera (mais uma vez, condicionados pelo (direcionais com componentes inverso ou normal, movimento relativo de blocos crustais ou das placas), respectivamente) e as estruturas em flor. são distinguidos os regimes de deformação (ou Em adição, a geometria 3-D das falhas é mais regimes cinemáticos) distensionais, contracionais complexa (Davison, 1994 e outras referências no texto). e transcorrentes (figura 3.1.5). Cada um deles pode Além das fraturas de 2a ordem, diferentes tipos de operar sob condições de cisalhamento puro, simples ou falhas podem funcionar mecanicamente integrados, geral, o que também depende da escala considerada. em coerência cinemática: falhas de transferência ou Cada um desses regimes cinemáticos é caracterizado rampas laterais; falhas contracionais ou distensionais pela predominância de um tipo de falha específico: em zonas de ponte ou de escalonamento em (a) as falhas normais ou falhas distensionais; (b) os transcorrências; zonas de descolamento, etc. A figura empurrões/falhas inversas ou falhas contracionais; 3.1.6 ilustra alguns desses casos. e (c) as falhas transcorrentes. A figura 3.1.5 ilustra a A atuação desses regimes de cisalhamento é orientação de falhas e juntas de distensão em cada função do movimento diferencial de blocos na crosta um desses regimes, assumindo deformação por da Terra (ou em maior escala, das placas litosféricas) e cisalhamento puro. No regime transcorrente, com também depende da geometria dos limites dos blocos deformação por cisalhamento geral, as combinações e da escala considerada. dos componentes originam os casos de transpressão As figuras 3.1.4 e 3.1.5 simplificam os três regimes (ilustrado pela figura 3.1.4c) ou de transtração, nos cinemáticos. Todavia, na natureza, tais regimes são 102 Cap_3.1_FFI.indd 6 9/12/2008 21:03:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 3.1.5 - Falhas, eixos de strain e de tensões, e regimes cinemáticos, assumindo para todos um modelo de fluxo do tipo cisalhamento puro. Por simplicidade e além das falhas, foram representadas apenas as juntas de distensão, em cada caso. O eixo s2 é sempre ortogonal aos demais. Foi adotada a convenção de representar Z/s1 como encurtamento/compressão e X/s3 como estiramento/tração. Todavia, qualquer um (ou todos) dos três eixos pode ser compressivo ou trativo (ou neutro), embora necessariamente obedecendo à relação X >= Y >= Z (ou s1 >= s2 >= s3). Para os objetivos deste trabalho, a escala visualizada varia de mesoscópica (afloramento) a macroscópica (área, região). Figura 3.1.6 - Conexões e a geometria 3-D dos tipos básicos de falhas. Em qualquer um dos regimes cinemáticos principais (contracional, distensional, transcorrente), falhas de rejeito direcional são contemporâneas e ocorrem lateralmente associadas a falhas normais, inversas ou oblíquas. Esboço em plano horizontal, em escala que varia de mesoscópica (afloramento) a macroscópica (área, região). transicionais entre si, como ilustrado na figura 3.1.7. Nos preservado na seção inferior das margens continentais regimes com cinemática oblíqua (riftes com abertura passivas e seu embasamento, ou no próprio interior oblíqua, colisões oblíquas etc.), ocorrem falhas oblíquas continental, no caso de riftes não evoluídos, ditos com componentes de empurrão ou movimento normal, “abortados”, exemplificado pelas bacias eocretáceas da ou estruturas de transpressão ou transtração (estruturas margem continental brasileira. Os regimes de contração em flor etc.). Falhas oblíquas também são desenvolvidas tipificam margens continentais ativas (a exemplo dos em regimes de tensões ou de strain triaxiais, ou quando Andes) e cadeias de montanhas colisionais; no caso formadas por reativação de fraturas pré-existentes brasileiro, a maior parte das estruturas frágeis deste tipo (Hancock, 1985; Angelier, 1994). de regime foram desenvolvidas em etapas tardias dos Regimes de distensão caracterizam riftes processos colisionais do ciclo orogênico Brasiliano, continentais ou oceânicos. Com a separação e deriva há 550-500 Ma. Os regimes de transcorrência, que dos continentes, este tipo de regime deformacional fica envolvem a atuação de eixos de encurtamento e 103 Cap_3.1_FFI.indd 7 9/12/2008 21:03:15 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino de estiramento, ortogonais entre si e tangenciais à 3.1.4 Cronologia e Nível Crustal da superfície da Terra, podem ser encontrados em uma Deformação ampla variedade de ambientes, nos limites (ditos transformantes) de placas ou no seu interior. No bloco As condições externas (pressão litostática, brasileiro, os regimes de transcorrência atuaram em temperatura, fluidos, taxa de strain) que governam a várias etapas da evolução precambriana a fanerozóica, deformação de minerais e rochas, ativando diferentes desde as cadeias orogênicas brasilianas ou mais mecanismos na escala de agregados cristalinos ou antigas (em colisões oblíquas e contextos de extrusão da própria rede cristalina, são agora bem conhecidas lateral de blocos) até os regimes neotectônicos, onde (referências em Geologia Estrutural e Tectônica, citadas a compressão Andina e a expansão do Atlântico no item precedente). Conseqüentemente, o nível transmitem tensões compressivas através da Placa crustal de desenvolvimento das estruturas pode ser Sul-Americana. Mais recentemente, foi constatado que inferido com base em microtexturas e nos marcadores as cadeias orogênicas, tradicionalmente caracterizadas cinemáticos impressos nas rochas, em especial, o tipo por estruturas contracionais (dobras e falhas inversas), de preenchimento, veios e películas minerais em juntas podem sofrer processos de colapso tardio, em de distensão e falhas (minerais do fabric em zonas de zonas fortemente espessadas e soerguidas, gerando cisalhamento dúcteis ou em análogos, afetando rochas estruturas distensionais que procuram restabelecer o argilosas). Adicionando relações de interseção mútua equilíbrio de massas (ver descrições em Park, 1988; e sua assinatura em diferentes marcadores (diques, Hancock, 1994; Choukroune, 1995; van der Pluijm & precipitados, foliações), unidades estratigráficas ou Marshak, 1997; Moores & Twiss, 1995). feições geomorfológicas, é possível reconstituir uma seqüência cronológica da deformação frágil, o que vai subsidiar a avaliação do papel de cada sistema/ geração de fraturas no condicionamento da água subterrânea ou de outros bens econômicos. Os diversos conjuntos de fraturas compõem uma trama que, a princípio, pode ter um papel apenas “passivo”, no sentido de prover espaços abertos para o movimento ou acúmulo de água, em especial quando o terreno é soerguido e descomprimido. A interconectividade de sistemas de fraturas é determinada pela sua geometria original e pelas interseções com outras famílias, especialmente as mais jovens (Bradbury & Muldoon, 1994; Aydin, 2000). Todavia, a maior ou menor “abertura” (e conseqüente favorabilidade ao fluxo e armazenamento de fluidos) de cada conjunto de fraturas, na sua posição atual na crosta, não tem relação direta, a priori, com sua cinemática original, vigente em épocas antigas. Neste sentido, os campos de tensões “neotectônicos”, ou de idade holocênica, é que podem influenciar mais diretamente sobre o grau de “abertura” Figura 3.1.7 - Movimento relativo de blocos crustais ou de cada família de planos. Sua configuração deve ser litosféricos (placas), regimes cinemáticos e estruturas estabelecida com base em estruturas reconhecidamente induzidas nos seus limites. O diagrama é esquemático e jovens (impressas em unidades estratigráficas de idade representa a superfície da Terra (visão em mapa), numa neógena, p.ex.), em feições morfotectônicas ou a partir escala variando de uma grande área a (sub)continental. No de dados sismológicos (soluções de mecanismo focal centro do diagrama, estão representados dois blocos/placas em falhas ativas). na posição original, adjacentes. As várias setas indicam o movimento relativo dos blocos, que na periferia da figura estão Os eventos de deformação f rág i l es tão deslocados entre si, lateralmente (linha horizontal no centro do superimpostos às estruturas dúcteis do substrato diagrama), ortogonalmente (coluna vertical no centro, incluindo cristalino, sendo que o reconhecimento dessa lacunas ou áreas de sobreposição dos blocos deslocados) ou trama profunda, em geral creditada ao último evento obliquamente (diagonais da figura). As estruturas resultantes orogênico regional, é também importante, embora estão representadas esquematicamente ao lado de cada não condicione diretamente as ocorrências de água par de blocos. As abreviaturas são: IC, falhas inversas ou subterrânea, salvo pela atuação do intemperismo (ver contracionais; ND, falhas normais ou distensionais; TD e TS, adiante). A evolução geológica subseqüente, nos falhas transcorrentes dextrais e sinistrais, respectivamente; ODD/TTD e ODS/TTS, falhas oblíquas distensionais/ terrenos cristalinos, envolve um longo processo de transtrativas, dextrais e sinistrais, respectivamente; OCD/TPD soerguimento e exumação de níveis mais profundos, e OCS/TPS, falhas oblíquas contracionais/transpressivas, continuamente e/ou em “pulsos”. Considerando dextrais e sinistrais, respectivamente. o nível atual de erosão (exposição do substrato 104 Cap_3.1_FFI.indd 8 9/12/2008 21:03:16 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações rochoso) e a evolução no tempo, as seguintes auxílio de métodos cronoestratigráficos, no tempo. situações podem ser encontradas em afloramentos Técnicas de termocronologia (39Ar - 40Ar, traços de de rochas cristalinas pré-cambrianas: fissão, U/Th-He e outras), comparando datações (i) os conjuntos de fraturas mais antigos apresentam geocronológicas com as temperaturas de fechamento feições indicativas de níveis crustais mais profundos, de diferentes minerais, constituem uma importante ou seja, indicadores cinemáticos de temperatura mais ferramenta para esta tarefa. A integração de dados elevada; em geral, os eventos subseqüentes exibem através de áreas de escala (sub)continental permite feições indicativas de níveis crustais gradativamente relacionar esses episódios a processos nas margens mais rasos, representados por estruturas mais “frias”; ou no interior de placas, em arranjos pretéritos (neoproterozóicos, mesozóicos) ou atuais, aos quais (ii) um plano de fratura “antigo” pode ser reativado correspondem sistemas de tensões específicos. com o desenvolvimento de uma segunda família Tendo em vista a experiência dos autores, o de estrias (slickenlines), as quais, em geral, são de Nordeste do Brasil ou, mais especificamente, a temperatura mais baixa; Província Borborema (Almeida & Hasui, 1984; Cordani (iii) unidades estratigráficas mais antigas, a exemplo et al., 2000; Mapa Geológico do Estado do Rio Grande do embasamento cristalino, tendem a mostrar múltiplos do Norte, 1998; figura 3.1.8), são aqui discutidos sistemas de fraturas, com sucessivas reativações, o como exemplo do arcabouço estrutural de uma que torna necessário separar os conjuntos de diferentes região de escala subcontinental, a ser considerado idades, para identificação dos respectivos modelos na análise do fraturamento nos maciços cristalinos. cinemáticos (figuras 3.1.4 e 3.1.5; ver discussão de O último evento de deformação dúctil nesta província exemplo no próximo item). Ao contrário, unidades mais foi o ciclo orogênico Brasiliano, desenvolvido no jovens e coberturas sedimentares exibem arranjos intervalo 650-530 Ma. Com o soerguimento regional mais simples e mais facilmente correlacionáveis com e exumação do terreno, já no Cambro-Ordoviciano, os modelos citados, salvo nos casos de herança estruturas frágeis tardi-brasilianas foram desenvolvidas tectônica, quando fraturas reativadas no embasamento e hoje estão expostas, sendo caracterizadas por impõem trends peculiares a uma cobertura; marcadores cinemáticos relativamente “quentes”, (iv) nas bordas de bacias tipo rifte, um regime de a exemplo de fraturas preenchidas por veios de fluxo de calor mais elevado, durante sua evolução, quartzo, pegmatito, mica branca, sericita, clorita e pode conduzir à formação de estruturas relativamente outros minerais de origem hidrotermal. Estas feições “quentes”, em comparação a regiões distais (com fraturas e minerais sugerem profundidades da ordem de 4 a 6 mais “frias”); os processos de exumação tectônica km (o que é função do gradiente geotérmico estimado sinrifte e subseqüente denudação podem modificar o para este intervalo de tempo) para a formação dessas ordenamento previsto nos parágrafos precedentes. estruturas. Na Faixa Seridó e em outros domínios Levando em conta que os fenômenos de percolação adjacentes no Nordeste do Brasil, o fraturamento e acumulação de água são geologicamente muito tardi-brasiliano, dominantemente com forte mergulho, recentes e superficiais, é muito difícil conceber um também é reconhecido pela sua relação geométrica relacionamento direto (exceto indiretamente, através com lineações de estiramento e zonas miloníticas da atuação do intemperismo; ver adiante) com as transcorrentes NE/NNE; p.ex., as fraturas de distensão estruturas dúcteis (dobras, foliações, zonas miloníticas) são ortogonais ou escalonadas, bissectando falhas e de idade pré-cambriana, originadas em ambiente crustal fraturas de cisalhamento (Jardim de Sá, 1994). A Figura profundo (há mais de 500 Ma, nos escudos cristalinos 3.1.9a reproduz simplificadamente os trends de fraturas do Brasil e da África). Nesse sentido, classificações observados neste intervalo cronológico. de juntas ou fraturas, de acordo com a sua orientação A tectônica no restante do Paleozóico é pouco em relação às estruturas dúcteis regionais, de idade conhecida. Durante todo o Cretáceo inferior, o processo pré-cambriana, podem ser desprovidas de utilidade de separação continental e criação do Oceano Atlântico prática na identificação de zonas favoráveis ao acúmulo Sul imprimiu outros conjuntos de fraturas, numa evolução de água subterrânea. complexa, polifásica (Matos, 1992; 1999; 2000), com feições que refletem níveis crustais, comparativamente 3.1.5 O Contexto Tectônico Regional ao conjunto de estruturas (a) precedente. O intervalo e suas Implicações: o exemplo da de profundidades envolvido, e hoje exposto, estaria na faixa de 2 a 5 km. Os eixos de rifteamento no interior e Borborema na margem do continente obedeceram inicialmente a uma direção de distensão NW, com eventos precoces Em cada região da crosta continental, a deformação que mostram uma deflexão nessa direção para N-S frágil pode ser caracterizada em termos geométricos a NNW (figura 3.1.9b). Em uma etapa subseqüente, e cinemáticos, compondo sucessivos eventos que no Aptiano, a Margem Equatorial do continente foi podem ser alocados nos seus respectivos nichos no estruturada em transcorrências dextrais E-W e falhas espaço (incluindo a profundidade na crosta) e, com normais-oblíquas NW (figura 3.1.9b). Lineamentos NE, 105 Cap_3.1_FFI.indd 9 9/12/2008 21:03:16 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino Figura 3.1.8 - (a) Arcabouço tectônico da Província Borborema e bacias fanerozóicas, Nordeste do Brasil. (b) O detalhe reproduz a Faixa Seridó e, a norte, a Bacia Potiguar. Adaptado de Jardim de Sá (1994) e do Mapa Geológico do Estado do Rio Grande do Norte (1998). Figura 3.1.9 - Cinemática dos principais episódios de deformação e estruturas frágeis fanerozóicas na Faixa Seridó e domínios adjacentes (Província Borborema, Nordeste do Brasil), com representação em mapa. Em (b), observar o contorno da linha de costa no extremo Nordeste. Os eixos cinemáticos podem ser relacionados a sistemas de tensões e de strain, como ilustrado nas figuras 3.1.4 e 3.1.5. (a) Cambro-Ordoviciano, durante a exumação da cadeia colisional/transpressiva brasiliana. (b) À esquerda (i), rifteamento no Cretáceo inferior (Neocomiano ao Aptiano/Albiano médio) sucedido pela (ii) evolução transformante ao longo da Margem Equatorial, a partir do Aptiano. (c) Domeamento intraplaca durante o Terciário (Oligoceno-Mioceno), cujos efeitos são sumperimpostos (e eventualmente dominantes) sobre outros regimes contemporâneos. (d) Tectônica holocênica: compressão E-W através da Placa Sul-Americana, provavelmente ativa desde o final do Cretáceo. Na Margem Equatorial, o regime b(ii) apresenta evolução cronológica similar. Os esboços de estruturas estão orientados, mas são esquemáticos em escala. 106 Cap_3.1_FFI.indd 10 9/12/2008 21:03:17 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações no continente, foram reativados com cinemática inversa ou oblíqua antitética, sinistral (Matos, 2000; Jardim de Sá, 2001; Sousa, 2002; Antunes, 2004). A partir do final do Cretáceo, o regime tectônico vigente deve ter sido similar ao atual (figura 3.1.9d), que tipifica as margens continentais passivas, evoluídas a partir de limites de placas divergentes (caso da Margem Atlântica Leste, de Natal para sul) ou transformantes (caso da Margem Atlântica Equatorial, de Natal para oeste/NW). Na margem e em boa parte do interior continental, estão bem caracterizadas falhas transcorrentes e normais filiadas a um regime com eixo principal de tensão s1 N-S, possivelmente refletindo um regime com Figura 3.1.10 - Modelo cinemático para a deformação de idade oligoceno-miocênica na crosta superior do extremo distensão geral no plano horizontal (s1 correspondendo nordeste do Brasil (Jardim de Sá et al., 1999). O alçamento a um valor de distensão mínima). Falhas normais, juntas do Platô da Borborema é atribuído a uma anomalia térmica de distensão e fraturas híbridas são comuns neste evento (pluma mantélica); a porção superior, frágil, da litosfera (in- (figura 3.1.9c). Essas estruturas cortam os sedimentos cluindo boa parte da crosta continental) teria sido submetida a neocretáceos da Bacia Potiguar, penetram no cristalino uma distensão geral (esforços tracionais) no plano horizontal, (onde, em geral, reativam fraturas mais antigas, tardi- mais acentuada na direção E-W. Variações na pressão lito- brasilianas) e também afetam as formações Serra do stática (ocasionadas por processos de erosão ou deposição) e na pressão de fluidos ocasionam permutações entre eixos Martins (paleógena, ocorrendo em platôs interioranos) de magnitude similar (s , s ), conduzindo à formação alter- e Barreiras, esta última na costa. Esse regime tectônico 1 2nada de transcorrências e falhas normais. foi ativo pelo menos no intervalo Oligoceno-Mioceno. O nível crustal dessas estruturas é bastante raso, estimado como inferior a 1 ± 0,5 km. Preenchimentos no Nordeste do Brasil (Lima et al., 1997; Ferreira et de fraturas com calcedônia e óxidos/hidróxidos de ferro al., 1998; Lima Neto, 1998), são ferramentas das mais são freqüentes neste conjunto de fraturas. O mecanismo importantes para identificar os sistemas de tensões tectônico para gerar a distensão geral no plano horizontal atuais. No Planalto da Borborema, interior do Nordeste ainda não está bem explicado. Coincidentemente, setentrional, diferentes tipos de dados definem este durante o Terciário, registra-se a presença de um outro campo de tensões em termos de contração/compressão (Z/s1) E-W e tração (X/s3) N-S. No prisma de sedimentos elemento tectônico, uma província magmática alcalina, na borda continental, o sistema de tensões é mais intraplaca (o Vulcanismo Macau; Carneiro et al., 1989), complexo (Assumpção, 1992; Lima Neto, 1998; Jardim que pode ter contribuído, pelo efeito de domeamento de Sá, 2001), mas essas considerações são de menor térmico, para o soerguimento do Planalto da Borborema importância no momento. (figura 3.1.10). Esse arcabouço tectônico ainda está em Dados morfotectônicos também podem ser processo de detalhamento (Jardim de Sá et al., 1999; utilizados para conhecer os sistemas de tensões 2005; Jardim de Sá, 2001). recentes (Saadi, 1993; Bezerra et al., 1998; Nascimento da Silva & Jardim de Sá, 2000). Nesse sentido, a 3.1.6 Neotectônica e a Evolução neotectônica também interfere e se reflete na rede Crustal Holocênica de drenagem, nos blocos soerguidos e rebaixados e, conseqüentemente, nos processos de erosão, Várias investigações confirmam o papel do campo intemperismo e deposição de coberturas, os quais de tensões atual em ditar o comportamento “aberto” são fatores a serem considerados no processo de ou “fechado” das fraturas, com correspondente locação de poços. implicação na sua capacidade hídrica (Carlsson & A deformação neotectônica vai gerar estruturas novas Olsson, 1980-81; Heffer & Lean, 1993; Sibson, 1994; em marcadores (rochas, unidades litoestratigráficas) Banks et al., 1996; Barton et al., 1997; Aydin, 2000; recentes e mesmo de idade neógena, como a Fernandes & Rudolph, 2001). Formação Barreiras (Bezerra et al., 1998; 2001; A definição temporal da neotectônica é variável, entre Coriolano, 2002), o que precisa melhor a sua idade autores e regiões, mas, de um modo geral, englobaria relativamente jovem. Em muitos outros casos, a o período de tempo durante o qual o regime tectônico deformação neotectônica, rasa, pode estar impressa atual esteve vigente. No Nordeste do Brasil, este lapso em unidades estratigráficas mais antigas, mesozóicas cronológico inicia no Holoceno e pode se estender a ou mesmo paleozóicas (Hancock & Engelder, 1989). No todo o Neógeno (Saadi, 1993), ou mesmo a um marco cristalino pré-cambriano, a geração de novas fraturas de tempo mais antigo. A definição de campos de tensões é bastante restrita ao nível da superfície atual, como com base em dados sismológicos (a sismotectônica) no caso da Falha Sísmica de Samambaia, em João ou nas medidas diretas em poços, como disponíveis Câmara, RN (Coriolano et al., 1997). 107 Cap_3.1_FFI.indd 11 9/12/2008 21:03:17 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino A situação mais comum, no embasamento cambrianas ou eocretáceas, de natureza dilatacional cristalino, é a reativação da trama de fraturas pré- (em especial, juntas de distensão preenchidas por existentes (principalmente de idade cambriana ou veios aplíticos, pegmatíticos, de quartzo ou diabásio), eocretácea), como já foi demonstrado em sítios e seu comportamento atual “aberto” ou “fechado”, localizados, com auxílio de marcadores muito jovens o qual é prioritariamente controlado pelo campo de e de nível crustal raso (precipitados minerais ou tensões neotectônico. preenchimentos por cascalho; Coriolano et al., 1997, No Nordeste setentrional, existe uma coincidência 2000; Menezes & Jardim de Sá, 1999), ou por feições da direção de distensão principal (X), horizontal morfotectônicas (Nascimento da Silva & Jardim de N-S (variando de NNW a NNE), em tempos tardi- Sá, 2000). Sistemas de fraturas fotointerpretadas, com brasilianos, no início do Cretáceo e no Holoceno, evidência de movimentação neotectônica (cenozóica), o que condicionaria, em cada período citado (ver exibem correlação com vazões de poços elevadas, figura 3.1.9), o funcionamento de fraturas E-W como nas suas adjacências, exemplificando um outro tipo estruturas de distensão, preenchidas por diques de abordagem encontrada na literatura (Fernandes & ou controlando o fluxo de água subterrânea nos Rudolph, 2001). O tipo de reativação em cada fratura diferentes casos. Obviamente, tal coincidência é será função da sua orientação em relação ao elipsóide fortuita, pois o contexto geodinâmico desses campos de tensões neotectônicas local. Se não conhecido, de strain e de tensões é completamente distinto em este último pode ser estimado a partir do sistema de cada caso. A distinção entre fraturas “antigas” e tensões neotectônicas regionalmente ativo. Outros “jovens” pode ser esboçada com critérios de campo, fatores influentes incluem a pressão de fluidos nas o que permite uma avaliação mais adequada do rochas e fraturas, e a resistência coesiva das mesmas seu significado tectônico e potencial para canalizar (parâmetro “c” do critério de ruptura de Coulomb), ou armazenar água subterrânea e outros fluidos ditada pelo selamento ou abertura prévia (inclusive pelo geológicos. Em terrenos cristalinos, a determinação intemperismo) das fraturas (figura 3.1.3c). dos sistemas de tensões atuais (neotectônicos), em escala local, sofre severas restrições pela escassez 3.1.7 Implicações do Contexto Tectono- de marcadores apropriados, o que pode ser superado Estrutural para a Hidrogeologia de com inferências regionais (p.ex., correlação com Terrenos Cristalinos os sistemas de fraturas reconhecidos em unidades estratigráficas mais jovens), dados morfotectônicos A Reativação Neotectônica da Trama de e o exame detalhado do fraturamento, com especial atenção a slickenlines compostos por argilominerais Fraturas Pré-Existentes fibrosos e outros indicadores cinemáticos de nível crustal muito raso (Coriolano et al., 1997,2000; A partir do último parágrafo do tópico precedente, Menezes & Jardim de Sá, 1999; Nascimento da Silva este item de implicações pode iniciar considerando o & Jardim de Sá, 2000). modo de reativação neotectônica da trama de fraturas pré-existentes. Vários trabalhos reportam resultados consistentes (Carlsson & Olsson, 1980-81; Heffer & Lean, 1993; Banks et al., 1996; Barton et al., 1997; Finkbeiner et al., 1997; Aydin, 2000; Fernandes & Rudolph, 2001), nos quais as fraturas orientadas em baixo ângulo (subparalelas) ao eixo de compressão principal (s1 ou Z, eixo de contração máxima ou distensão mínima) são aquelas mais “abertas” e, desse modo, funcionam como juntas de distensão, apresentando maior permeabilidade e conseqüente capacidade hídrica. Em situação oposta encontram-se as fraturas em forte ângulo com s1/Z, as quais corresponderiam a fraturas “fechadas”, em função de um componente de contração máxima ou de distensão mínima. Podem ser visualizadas várias situações “intermediárias” possíveis, equivalentes a fraturas de cisalhamento ou fraturas Figura 3.1.11 - Abertura de fraturas em relação a campos de híbridas. Esta regra oferece, pelo menos como primeiro tensões neotectônicos (exemplo do Nordeste do Brasil, mas, indicativo, uma relação simples, fundamentada e útil, também válido para amplas regiões no interior do país). Fraturas para avaliação do potencial das fraturas em termos de em alto ângulo com s3 (ou subparalelas a s1) são preferen- cialmente “abertas” e, em tese, mais favoráveis em termos de condução ou armazenamento de fluidos no cristalino capacidade hídrica. Na figura, a espessura do traço das fraturas (figura 3.1.11). Também fica clara a inexistência é proporcional ao seu comportamento de dilatação recente. A de uma relação direta entre fraturas antigas, pré- escala visualizada é de uma pequena área. 108 Cap_3.1_FFI.indd 12 9/12/2008 21:03:18 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Natureza e Geometria das Zonas de geofísicas, tem implicações no tocante à caracterização Fraturas de interseções e influência na conectividade do sistema (Black, 1994). O aspecto mais simples, a ser inicialmente No tocante a uma fratura específica, o estudo de considerado pelo hidrogeólogo, é a possível extensão rochas de falhas (brechas e cataclasitos) e mineralizações das fraturas em profundidade. Quanto mais profunda, hidrotermais deixa clara a possibilidade de geração de maior a probabilidade de drenarem e estocarem água, uma trama porosa e permeável, comumente referida inclusive pela possibilidade de se interconectarem como uma zona de danos (Aydin, 2000), através com outras estruturas. Estatisticamente, essa extensão da qual podem circular volumes expressivos de pode ser avaliada pela dimensão média das fraturas fluidos (Sibson, 1977, 1981, 1994; Muir Wood, 1994). fotointerpretadas ou identificadas no campo. Todavia, a Quando cimentados, brechas e cataclasitos reduzem consideração da forma da fratura, em relação ao nível consideravelmente sua permo-porosidade, que, de erosão, deixa clara a possibilidade de surpresas nas todavia, pode ser restabelecida em um novo pulso de locações (figura 3.1.12). Freqüentemente, as fraturas movimento e fraturamento. O resultado final desses exibem um perímetro elíptico (embora irregular), com ciclos é variável, todavia, em condições muito rasas, eixo maior subhorizontal (Davison, 1994; Nicol et al., as brechas tendem a ser incoesivas e permo-porosas, 1996, p.ex.). A depender do nível de erosão atual, em função da irregularidade na precipitação do(s) uma fratura pode se expor na sua dimensão máxima fluido(s) cimentante(s), ou mesmo da sua ausência, aproximada (se o nível de erosão resulta numa face à sua precipitação em maior profundidade. Juntas interseção ao longo da porção mediana da estrutura), de distensão podem experimentar repetidos ciclos de ou pode aumentar (corte no topo da fratura) ou diminuir abertura e preenchimento, em um mecanismo referido (corte na sua porção inferior) com a profundidade. Tal como crack-seal (Ramsay & Huber, 1987; Dunne & fato reforça a necessidade de aplicação de métodos Hancock, 1994). Deste modo e no tocante a fraturas geofísicos na locação de poços. antigas, o seu potencial para canalizar e/ou armazenar fluidos é variável e controlado por múltiplos fatores: orientação, abertura, rugosidade, selamento, reativações e outros (ver capítulo 3.2). Uma junta de distensão, ou uma zona de falha com múltiplas interseções, teoricamente constituindo estruturas “abertas”, com sítios dilatacionais, podem ser impermeabilizadas por precipitados minerais. Sua reabertura poderia se dar em uma ou ambas das seguintes instâncias: (i) intemperismo do preenchimento (precipitados minerais e/ou rocha finamente cominuída), o que, todavia, também pode selar a fratura (ver adiante); (ii) reativação da fratura, especialmente em contexto neotectônico. O efeito do intemperismo, aumentando as condições de permo-porosidade ao longo das zonas fraturadas (que deste modo podem ser preenchidas com água; ver adiante), constitui um fator decisivo para tornar a zona de fratura, em profundidade, “visível” a um método geofísico, particularmente aos métodos elétricos (capítulo 4.2). Figura 3.1.12 - Nível de erosão e extensão de fraturas em A geometria dos sistemas de fraturas deve ser profundidade. As letras identificam diferentes níveis de erosão estudada em cada caso, aqui incluída a sua classificação possíveis, em relação à fratura representada: (a) corresponde a um nível raso, e (e) a um nível mais profundo. O desenho em conjuntos com idade similar ou distinta, e cinemática tem aplicação geral e a fratura pode corresponder a uma própria. O grau de detalhe a ser aplicado nesse tipo junta ou a uma falha, a um plano único ou, mais comumente, de estudo é variável, mas combina a correlação entre a uma família de planos adjacentes e subparalelos, embora fraturas nos afloramentos (ou seja, esboços em escala também possam ocorrer estruturas menores, com orientação distinta; a escala visualizada é de uma pequena área, mas mesoscópica) e em fotografias aéreas ou imagens de pode ser variável. O termo “fratura cega” (a) corresponde a satélite com alta resolução. As escalas de trabalho uma estrutura não aflorante. Os casos (b) e (c) correspondem podem variar de 1:100 a 1:10.000, ou numa ordem a fraturas com bom potencial para conduzir e/ou armazenar de grandeza similar, em torno do sítio de locação sob fluidos (por vezes inesperado, caso b). Em (d), a fratura exame. O padrão tridimensional das fraturas levantado desaparece rapidamente em profundidade, conduzindo a resultados negativos na perfuração de um poço, mesmo por esses métodos, com ou sem auxílio de técnicas tendo sido locado próximo a fraturas aflorantes. 109 Cap_3.1_FFI.indd 13 9/12/2008 21:03:18 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino Fraturas com alto ângulo de mergulho, ou subverticais, são de ocorrência dominante no Nordeste do Brasil/Planalto da Borborema, o que é decorrente da cinemática transcorrente ou distensional vigente durante o seu desenvolvimento, ao final do Pré-cambriano e no rifteamento eocretáceo, os dois episódios que apresentam deformações de magnitudes expressivas. Tal cinemática se repete no fraturamento Neógeno (comparar figuras 3.1.9 e 3.1.5). Já foi chamada a atenção, na literatura (Costa & Silva, 1997), de que nesses casos a perfuração de poços inclinados forneceria melhores resultados (vazões) em relação aos poços verticais usuais, permitindo interceptar múltiplas fraturas. Problemas tecnológicos, ligados ao bombeamento, restringem a aplicação deste Figura 3.1.13 - O sucesso de um poço é função do número princípio geométrico simples (figura 3.1.13). de fraturas produtoras interceptadas. Em regiões com fratu- A natureza da rocha e a magnitude das tensões ras dominantemente de alto ângulo de mergulho (como no envolvidas também influenciam na geometria Nordeste do Brasil; comparar com a figura 3.1.5a,c), os poços do fraturamento. Tensões de grande magnitude, deveriam ser inclinados, de modo a interceptar um maior persistentemente ativadas, resultam em estruturas número de fraturas e assim obter maiores vazões. Poços comparativamente maiores. Rochas cristalinas maciças, verticais são mais adequados para regiões dominadas por fraturas de baixo ângulo (p.ex., zonas de empurrões, como com anisotropias mais fracas (p.ex., foliações em na figura 3.1.5b). Ver discussões adicionais no texto. granitóides pouco deformados), tendem a desenvolver fraturas mais longas, porém mais espaçadas, em relação àquelas presentes em rochas fortemente (embora simplisticamente visualizadas como fraturas anisotrópicas (xistos, gnaisses com bandamento de cisalhamento, teoricamente “fechadas”) podem fino), nas quais o fraturamento tende a ser mais denso ser tão ou mais interessantes quanto um sistema de e com dimensões mais reduzidas. Em um mesmo juntas de distensão paralelas, estruturas abertas, mas litotipo foliado, a orientação dessa anisotropia pode ser que não necessariamente se interconectam, a não favorável (baixo ângulo com s1) à sua reativação como ser através de outros tipos de fraturas (Black, 1994; juntas de distensão, que, neste caso, tendem a ser Aydin, 2000). menores e mais densas; com os planos de anisotropia Em reservatórios de hidrocarbonetos imageados em ângulo mediano a forte com s1, as fraturas tendem sismicamente, a distribuição de fraturas em 3-D a se desenvolver de modo mais espaçado e com permite mapear as interseções e conexões desses maiores dimensões, com freqüente desenvolvimento planos, e deste modo modelar as condições de fluxo e de slickenlines (Bourguet et al., 1980-81, Twiss & acumulação de fluidos, incluindo a compartimentação Moores, 1992; Dunne & Hancock, 1994; van der Pluijm dos reservatórios (Maerten et al. 2006; Medeiros et al., & Marshak, 1997; Aydin, 2000). 2008). A partir das falhas de maior dimensão (p.ex., aquelas mapeadas pela sísmica ou, no caso de um terreno cristalino, em fotografias aéreas), também é Interconexão de Fraturas possível prever, em bases geomecânicas, a distribuição A interconexão de fraturas é avaliada como um de falhas de menor porte (escala de afloramento) e fator extremamente positivo para desenvolver ou sua influência nos padrões de fluxo no reservatório aumentar as condições de porosidade (fraturas (Kattenhorn & Pollard 2001; Maerten et al. 2006). Esses abertas) e permeabilidade (fraturas interconectadas) resultados encontram aplicação na prospecção de das rochas. Assumindo o caso comum de fraturas água subterrânea através da melhor compreensão dos predominantemente com alto ângulo de mergulho processos. Todavia, é difícil e oneroso, na prática de (como acima referido para o Nordeste/Planalto da locação de poços no cristalino, mapear as falhas em Borborema), as interconexões podem ser formadas no 3-D, pois isso requer cobertura extensiva e detalhada encontro de diferentes famílias, ou quando as mesmas com métodos geofísicos, idealmente através de uma são interceptadas por fraturas de baixo ângulo, combinação de métodos (ver exemplo em Nascimento neste caso associadas à descompressão do terreno da Silva et al., 2004) e, para o caso de uma discussão (figura 3.1.14). As fraturas de baixo ângulo permitem específica sobre o uso da eletrorresistividade, Ribeiro distribuir a água superficial infiltrada através de uma et al. (2001). Também a exemplo do que é feito em área mais ampla, com possibilidades de alimentar afloramentos análogos de reservatórios de petróleo um maior número de fraturas em profundidade. Pela (Aydin, 2000; Antonellini & Mollema, 2000; Laubach et multiplicidade e interconexão das fraturas presentes al., 2000), é possível fazer quantificações do número (tipos T, R, R’, P) em diferentes escalas, zonas de falhas de interseções de fraturas por área, em seção (na 110 Cap_3.1_FFI.indd 14 9/12/2008 21:03:18 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 3.1.14 - Conectividade de fraturas e a permo-porosidade estruturalmente induzida em rochas cristalinas. Contrastar as situações: (a) à esquerda, juntas e falhas isoladas (menor favorabilidade, salvo grandes fraturas em orientação adequada, abertas) vs. à direita, uma rede de fraturas interconectadas ao longo de uma zona de falha (maior favorabilidade); o esboço se aplica a uma seção vertical (corte) ou mapa, em escala que varia de uma pequena área a uma extensa região; (b) da es- querda para a direita, os casos de fraturas isoladas (poço seco ou de baixa produção), fraturas de baixo ângulo conectando juntas de distensão isoladas (vazões medianas), idem, também conectando zonas de falhas (poços com maiores vazões). Simbologia de fraturas como na figura 3.1.4. Ver discussões adicionais no texto. dependência de exposição vertical em afloramento imprimir uma anisotropia nas condições de fluxo ao natural ou pedreira) ou planta (mapeando afloramentos longo do maciço rochoso, inclusive gerando sistemas ou através de fotografia aérea de detalhe), no entorno naturais de bombeamento. do sítio de locação de um ou mais poços. Todavia, desconhecemos um trabalho sistemático que, a O predomínio dos gradientes tipo (i) e (ii) partir de um número estatisticamente expressivo de condicionaria linhas de fluxo com forte mergulho (ou experimentos, relacione esse e outros parâmetros da forte rake no plano de uma fratura), embora a conexão geometria do fraturamento a resultados de vazões de de setores com pressões de fluido distintas possa poços para água. originar fluxo transitório em fraturas de baixo ângulo, ou com linhas de fluxo subhorizontais em fraturas de alto ângulo. Por outro lado, tensões neotectônicas Fluxo da Água Subterrânea e Sistemas podem criar gradientes persistentes do tipo (iii), com Naturais de Bombeamento orientação diversificada e inclusive subhorizontais (ou de baixo rake), numa variante de “bombeamento Ao longo da trama de fraturas, o escoamento da tectônico”. Num sistema de falhas transcorrentes ativas água subterrânea obedece a: (figura 3.1.15d; ver também a figura 3.1.16a), pode (i) gradientes hidráulicos (usualmente referidos ser instalado um sistema de fluxo a partir dos sítios de como “gradientes hidrostáticos”, nos textos de transpressão, em direção aos espaços abertos, em Geologia Estrutural), se as fraturas preenchidas com transtração (aberturas em dominó ou pull-apart). Efeito água estão conectadas até a superfície, caso usual em semelhante pode ocorrer com outros tipos de falhas fraturas rasas (figura 3.1.15a); (normais e inversas), sendo regra a migração a partir (ii) gradientes litostáticos, controlados pelo peso da dos sítios em contração para os sítios em dilatação. coluna de rocha suprajacente, se as fraturas com água O funcionamento penecontemporâneo de fraturas de estão interrompidas ou seladas em direção à superfície cisalhamento conjugadas, ou a reativação simultânea (figura 3.1.15b), situação que tende a ocorrer em maior de quaisquer fraturas oblíquas entre si, podem resultar profundidade; ou na “abertura” alternada de segmentos desses planos (iii) gradientes de origem neotectônica (figuras de cisalhamento (figura 3.1.16b), que, considerados 3.1.15c e d). A combinação dessas possibilidades numa condição estática, seriam usualmente avaliados (que também interagem com tensões capilares e são como “fechados”. Esses padrões de fluxo são bem influenciadas pela geometria de detalhe e a rugosidade conhecidos a partir do estudo de fluidos hidrotermais da fratura; Costa & Silva, 1997), em cada sítio, pode e de reservatórios de hidrocarbonetos (Sibson, 111 Cap_3.1_FFI.indd 15 9/12/2008 21:03:18 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino Figura 3.1.15 - Alguns condicionantes para o fluxo de fluidos ao longo de fraturas em rochas cristalinas, gerando sistemas naturais de bombeamento. (a) e (b) são situações na ausência de tensões neotectônicas, todavia presentes em (c) e (d). As setas azuis indicam o fluxo de água (ou de outros fluidos) e as setas maiores indicam tensões ou cinemática. A escala representada é preferencialmente a macroscópica (pequena área). (a) Infiltração dominada pela gravidade; fluxo ascensional controlado pelo gradiente hidráulico e, subordinadamente, tensões capilares. (b) Infiltração idem; fluxo ascensional controlado pela carga litostática; a água infiltrada e acumulada em fraturas de baixo ângulo (em “fechamento”) é pressurizada e escoada para cima ao longo de descontinuidades abertas (fraturas em alto ângulo). (c) Descontinuidade em baixo ângulo, interceptada por falha com reativação normal; no bloco do teto, o movimento (aliado ao peso do bloco) expulsa água contida ao longo da descontinuidade de baixo ângulo, que migra para o bloco do muro (descomprimido ao longo da descontinuidade) e para cima, aproveitando a falha. (d) Fluxo de água ao longo de uma falha transcorrente, de um sítio em transpressão/contração (C) a um sítio em transtração/dilatação (D); o esquema ao lado é uma visão da falha em plano horizontal. Figura 3.1.16 - Sistemas de bombeamento tectônico. As setas azuis indicam o fluxo de água (ou de outro fluido) e as setas em preto ou cinza representam tensões ou cinemática. (a) Sítios de contração (C, onde ocorre expulsão da água) e de di- latação (D, acumuladores de água) em terminações e cotovelos (jogs) de falhas ativas. (b) Abertura intermitente de fraturas de cisalhamento conjugadas, durante deformação progressiva, esquematicamente representada em três estágios. No estágio intermediário (centro da figura), as setas em cinza indicam a cinemática nos segmentos ativos das fraturas, originando sítios de contração ou de dilatação, com conseqüente expulsão ou coleta de água. No desenho à direita, as setas em preto indicam os segmentos ativos das fraturas, nesse estágio final (notar inversões de movimentos em segmentos específicos das fraturas). Os desenhos são válidos para mapa (plano horizontal) ou corte e a escala de interesse para os objetivos deste trabalho varia de mesoscópica (pequeno afloramento) a macroscópica (área, região). Simbologia de fraturas conforme a figura 3.1.4. 112 Cap_3.1_FFI.indd 16 9/12/2008 21:03:19 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 1987,1994; Hodgson, 1989; Muir Wood, 1994). Os mesmos são também controlados pela abertura e rugosidade (incluindo tipos de preenchimentos) dos vários sistemas de fraturas, em cada local. Em virtude dos múltiplos fatores envolvidos e da dificuldade em obter parâmetros simples e pertinentes, o tópico discutido neste item dificilmente pode ser abordado (senão de forma conceitual ou qualitativa) num trabalho de campo “usual”, na prospecção hidrogeológica. Todavia, este tipo de conhecimento permite entender melhor os processos de fluxo da água Figura 3.1.17 - Lineamentos e zonas de fraturas: represen- e alimentação das fraturas. tação em plano horizontal (mapa, imagem, fotografia aérea) do problema da escala. (a) Lineamento interpretado a partir de Locação de Poços e Efeito de Escala uma imagem de satélite “normal” ou fotografia aérea (escala 1:50.000 a 1:100.000, ou menor), representado como um traço O trabalho de locação de um poço é iniciado com único. É possível que a direção dessa estrutura (NE) não seja uma avaliação do terreno através de fotografias aéreas reconhecida como de maior favorabilidade, na região sob estudo. (b) No detalhe de uma fotografia aérea ou imagem de e/ou imagens de satélite em escala de detalhe. É satélite de detalhe (1:10.000 a 1:25.000), o mesmo lineamento desejável uma escala acima de 1:10.000, embora esta pode se apresentar segmentado. Foi assinalada uma área situação não seja comum. No momento, as imagens para estudo de campo. (c) Na escala de campo (ou fotogra- de satélites usualmente comercializadas (e mais fia aérea de pequeno formato) e da locação final do poço, a baratas) mostram restrições pela pequena escala. De área escolhida pode exibir fraturas em orientações distintas, todo modo, este tipo de produto permite tratamentos incluindo sistemas “abertos” (juntas de distensão com direção computacionais que podem, ao menos em parte dos ENE), de maior favorabilidade quando conectados às demais casos, realçar condições de maior ou menor umidade fraturas (simbologia de fraturas como na figura 3.1.4). ao longo de trechos de riachos, bem como a localização de coberturas arenosas que propiciem condições de 3.1.8 Efeito da Exumação e do In- recarga nas fraturas (Boeckh, 1992; Sander, 1996; temperismo sobre a Permo-Porosi- Coriolano, 2002). Fotografias aéreas de pequeno formato, obtidas por ultra-leves e pequenas aeronaves, dade das Rochas fornecem ótimos resultados na análise de fraturas. Em geral , o confronto entre l ineamentos Um outro aspecto importante a ser abordado é a fotointerpretados com a realidade do terreno, por vezes, questão da “abertura” de fraturas e outros tipos de envolve interpretações discrepantes, a exemplo da descontinuidades, próximo à superfície (< 60-80 m, discriminação errônea entre fraturas, zonas miloníticas p.ex.), o que é apoiado por dados estatísticos que e traços de foliação, o que, todavia, pode ser sanado relatam o “aumento na freqüência do fraturamento” em com alguma prática por parte do geólogo/hidrogeólogo. profundidades rasas (Bourguet et al., 1980-81; Carlsson As fraturas são, em princípio, as estruturas de maior & Olsson, 1980-81; Avias, 1982). Neste sentido, os interesse na prospecção hidrogeológica. Todavia, é fatores que devem ser considerados incluem: comum que as zonas miloníticas exibam estágios (i) o papel do intemperismo “abrindo” planos de ou reativações tardias de natureza cataclástica, descontinuidades (já cogitado por Siqueira, 1967), engendrando uma trama de fraturas e de rochas incluindo contatos litológicos e mesmo zonas foliadas. cominuídas com maior potencial hídrico (aumento O efeito contrário também pode ocorrer, resultando no dos fatores porosidade e permeabilidade), o que “fechamento” de fraturas abertas (p.ex., por precipitados faz com que estas zonas também possam constituir ferruginosos). Além de fatores químicos e climáticos, a objeto de interesse, a ser avaliado no campo. Uma efetividade do processo intempérico vai ser controlada situação mais complexa, a ser tratada caso a caso, é a pela mineralogia e fabric da rocha original e, no caso das mudança, por vezes radical, entre o contexto estrutural falhas/fraturas, pelo grau de cataclase/cominuição das fotointerpretado (p.ex., uma zona de fratura em rochas e a sua eventual cimentação por acumulações fotografia aérea 1:40.000, cuja direção geral tem baixo argilosas e precipitados minerais; potencial de “abertura”) e aquele presente na escala (ii) o alívio de carga (descompressão) com a dos afloramentos em torno do sítio de locação, onde a exumação rápida e/ou a expansão superficial do trama do fraturamento pode incluir sistemas “abertos”, terreno, criando ou reativando, em dilatação, fraturas bem desenvolvidos apenas em escala mesoscópica. de alto e de baixo ângulo (Hancock & Engelder, 1989; A figura 3.1.17 ilustra essa questão da escala de van der Pluijm & Marshak, 1997). lineamentos e fraturas (a figura 3.1.2 também aborda o mesmo tipo de problema). Desse modo, o estudo No tocante a um plano de fratura específico, a ação de campo é uma etapa imprescindível na abordagem do intemperismo é muito variável. Rochas cristalinas estrutural e na prospecção de água subterrânea. fortemente cominuídas, e precipitados ricos em 113 Cap_3.1_FFI.indd 17 9/12/2008 21:03:19 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino feldspatos, tendem a formar zonas e bolsões argilosos das estruturas observadas em campo), próximo à durante o intemperismo. Em regiões úmidas, com superfície da Terra, pode introduzir um componente lençol freático elevado e estável, esses “tampões” de anisotropia, reforçando a ação do intemperismo argilosos provavelmente mantêm as fraturas fechadas e/ou da descompressão na “abertura” de planos durante longo tempo. Essa situação pode requerer com orientação adequada (figura 3.1.18b). Todavia, a estimulação de poços com injeção de água atuando isoladamente, ambos os fatores referidos, (i) pressurizada (Waltz & Decker, 1981), para lavar as e (ii), poderiam “abrir” planos em orientações variadas fraturas (que, todavia, podem rapidamente colmatar). (figura 3.1.18a). Em regiões com eventos rápidos de infiltração e Um aspecto importante para avaliar o papel do recarga (chuvas torrenciais, rios temporários), os intemperismo na ocorrência de água subterrânea em tampões argilosos tenderiam a ter vida mais curta terrenos cristalinos advém da provável extensão destes e seriam menos efetivos. Gerado a partir de rochas processos a níveis mais profundos, sejam os 60-80 m quartzo-feldspáticas, o material de preenchimento que constituem os alvos habituais da sondagem, sejam intemperizado, lavado naturalmente, perderia a profundidades ainda maiores (centenas de metros), fração argila e se tornaria mais granular (quartzoso) até aqui pouco acessadas nas sondagens para água, e permeável. em nosso país. Essa extensão do intemperismo O fator (ii) faz parte do cenário usual de denudação a profundidades significativas é observada em do continente, a exemplo do que ocorre no Nordeste trabalhos mineiros e escavações profundas. A do Brasil (Nascimento da Silva et al., 2004), com a intensidade do intemperismo, reconhecidamente pronunciada dissecação do Planalto da Borborema. diferencial, é controlada por fatores litológicos e/ou Tendo em vista que a descompressão gera fraturas estruturais – neste último caso, as zonas de falhas ou subhorizontais próximas à superfície (que em fraturas. Provido adequado aporte de água a partir da decorrência, decrescem em freqüência com a superfície (Olofsson, 1994), o processo intempérico profundidade), e que estas atuam conectando pode criar em profundidade “bolsões” ou “câmaras” diferentes famílias de alto ângulo (figura 3.1.14), boa nas quais a alteração imprime às rochas condições parte das quais também “abertas” na descompressão de permo-porosidade próximas às de uma rocha (Waltz & Decker, 1981), este quadro deve influenciar nas sedimentar granular, o que pode viabilizar o acúmulo estatísticas e na prática usual de limitar a perfuração de de grandes reservas de água. Esta hipótese ainda poços à faixa máxima de 80 a 100 m. Provavelmente, deve ser testada com dados sistemáticos e medidas desta forma, justifica-se o relativo sucesso dos poços de laboratório, incluindo correlações com parâmetros verticais rasos, que terminam por interceptar, direta ou de salinidade e indicações sobre a “idade” da água. “indiretamente” (ou seja, através de fraturas subverticais Mesmo assim, esta parece ser uma explicação conectadas), fraturas de baixo ângulo. adequada para poços que, embora locados sem A presença de tensões diferenciais, neotectônicas, indicação pertinente de superfície, forneceram vazões no plano horizontal (o que pode ser avaliado a partir favoráveis. Em especial, para o caso dos “super-poços” Figura 3.1.18 - Intemperismo e abertura de fraturas e outros tipos de descontinuidades, em profundidades rasas. (a) Isola- damente, os fatores descompressão + intemperismo tendem a abrir planos de descontinuidades com orientações variadas. (b) Na presença de tensões neotectônicas, as fraturas em baixo ângulo com Z/s1 serão preferencialmente abertas. Na figura, a espessura do traço das fraturas é proporcional ao seu comportamento de abertura. 114 Cap_3.1_FFI.indd 18 9/12/2008 21:03:19 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 3.1.19 - Corte esquemático ilustrando o desenvolvimento de câmaras ou bolsões de rocha intemperizada em subsu- perfície, controlados por litologias e, em especial, estruturas, podendo se conectar com sítios vizinhos. As águas superficiais, infiltradas pelas fraturas a partir de coberturas, aluviões e do escoamento superficial, acumulam-se nos bolsões porosos rep- resentados pelas zonas de alteração intempérica. Note-se a produtividade diferencial dos poços, em função do tipo e volume de material (rocha fresca ou alterada) interceptado. A escala vertical pode superar uma ou mais centenas de metros. no cristalino, cujas vazões anomalamente elevadas de riachos constituem sítios favoráveis, identificáveis (incluindo casos de Q > 10 mil L/h, p.ex.), exigiriam, em fotografias aéreas e imagens de satélite, sendo alternativamente, condições muito especiais, e talvez diagnósticos do modelo quando subsidiados por improváveis, de recarga e geometria (dimensões, intenso fraturamento nos afloramentos, compatível conectividade) do fraturamento. A proposta, ilustrada com a orientação da drenagem. Requisitos adicionais na figura 3.1.19, é retomada no próximo item. para o sucesso deste modelo incluem a presença de coberturas/aluviões e topografia e regime de chuvas 3.1.9 Modelos de Ocorrência de Água favoráveis, ensejando a criação de zonas de recarga. A água subterrânea está acumulada dominantemente nas Subterrânea em Terrenos Cristalinos zonas mais intensamente fraturadas, em subsuperfície e, a depender da posição do nível estático, também pode Esta contribuição é complementada com a haver contribuição significativa da água acumulada em discussão, aperfeiçoamento e novas propostas de aluviões. A estratégia prospectiva, em geral, inclui as modelos de ocorrência de água subterrânea em rochas ativades descritas a seguir. cristalinas. Os três modelos discutidos possuem nítida relação com a estrutura do terreno, o que justifica sua Fotografias Aéreas - distinção dos trends dúcteis inclusão no fecho deste capítulo. Em adição, deve ser e de estruturas frágeis, em ângulo ou subparalelas; as registrada a importância complementar dos mantos estruturas frágeis (inclusive longitudinais) são inferidas de intemperismo e das coberturas, no processo de pelo acentuado controle da drenagem/topografia e por recarga desse tipo de aqüífero. Dois desses modelos feições de intemperismo. são avaliados como preliminares, sendo reconhecido Imagens de Satélites (incluindo processamento que o contexto sob análise é mais complexo e envolve digital) - caracterização e discriminação (umidade, situações intermediárias ou outras não abordadas razão areia/argila) de fotolineamentos, aluviões e neste texto. Todavia, a proposta esboçada é pertinente coberturas provendo áreas de recarga. para auxiliar na compreensão dos problemas, para esboçar estratégias de prospecção e para direcionar Levantamentos de Campo - caracterização dos novos avanços no tema. padrões de fraturamento e de potenciais zonas de recarga (coberturas, drenagem, topografia). Modelo Riacho-Fenda Geofísica - delineação aproximada, em subsuperfície, A literatura tornou clássico o modelo Riacho-Fenda da geometria da zona fraturada (a exemplo de (Siqueira, 1967), no qual trechos retilíneos de riachos indicação de espessura, largura e mergulho), indicação coincidem com zonas fortemente fraturadas; isto permite comparativa de grau de fraturamento/intemperismo que as fraturas sejam periodicamente recarregadas pela (pela análise comparativa de resistividade e espessura drenagem (figura 3.1.20). “Cotovelos” e trechos retilíneos e/ou condutância longitudinal, p.ex.). 115 Cap_3.1_FFI.indd 19 9/12/2008 21:03:19 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino Geof ís ica - del ineação aprox imada, em subsuperfície, da geometria da calha (incluindo espessura e largura) e indicação comparativa da natureza do material de preenchimento (por exemplo, mais ou menos argiloso, em função da resistividade e/ou condutância longitudinal). Figura 3.1.20 - Modelo Riacho-Fenda. Observar o intenso fraturamento paralelo ao trecho retilíneo da drenagem. A água está armazenada preferencialmente nas fraturas, que são periodicamente recarregadas pela drenagem. Simbologia cf. figura 3.1.19; a profundidade do bloco pode ser estimada em uma ou algumas centenas de metros. Figura 3.1.21 - Modelo Calha Elúvio-Aluvionar. Nesse Modelo Calha Elúvio-Aluvionar modelo, a drenagem não evidencia controle por fraturas paralelas; trechos retilíneos podem estar controlados pela Foi objeto de caracterização por Avelino da Silva foliação do substrato cristalino. A drenagem flui sobre uma (2000) e Nascimento da Silva et al. (2001), ainda que calha de aluviões antigos e regolito, que pode continuar seus aspectos básicos de favorabilidade - recarga a partir abaixo numa zona de rochas intemperizadas. Simbologia de uma calha de sedimentos - já fossem reconhecidos conforme figura 3.1.19; a profundidade do bloco pode ser na literatura (McFarlane, 1992; Olofsson, 1994; Costa estimada em uma ou algumas centenas de metros. & Silva, 1997) e na prática regional (figura 3.1.21). Neste modelo, a drenagem e a calha de sedimentos Modelo Bolsões ou Câmaras de Intemperismo não evidenciam controle por fraturas subjacentes ou Está baseado em processos de intemperismo aflorantes. Desse modo, trechos retilíneos da drenagem diferencial acentuado, em subsuperfície, controlados podem estar controlados pela foliação das rochas. A por fraturas, fabric, litologias e tensões neotectônicas drenagem flui sobre uma calha de aluviões antigos e (figura 3.1.22). O modelo se caracteriza pelo regolito, utilizando-os para recarregar descontinuidades aumento da permo-porosidade das rochas na no substrato capeado. Os aspectos diagnósticos do zona intemperizada, que pode se conectar a outras modelo incluem: seção espessa de aluviões e regolito ao também em subsuperfície, ou mais rasas, através longo de drenagens retilíneas ou curvilíneas, ou mesmo de fraturas ou outros tipos de descontinuidades. em áreas mais amplas, topograficamente rebaixadas; Aspectos diagnósticos do modelo incluem: zonas zona intemperizada (por vezes coincidindo com zonas de de intemperismo avançado no cristalino, originando foliação fortemente penetrativa) no substrato; ausência bolsões ou câmaras em subsuperf ície, com de relação direta com zonas fraturadas paralelas feições de permo-porosidade similares às de à drenagem. Condições favoráveis de topografia, rochas sedimentares granulares; podem controlar drenagem e clima são requeridas para desenvolver poços com vazões anomalamente elevadas; por uma cobertura mais espessa. A água subterrânea observação direta, o processo de intemperismo pode acumulada está distribuída desde a cobertura sedimentar ser cogitado em superfície ou em profundidades (aluviões) até o regolito desenvolvido sobre o cristalino muito rasas, em afloramentos com forte contraste intemperizado (além de eventuais descontinuidades). A entre rochas frescas e zonas intemperizadas, estratégia prospectiva inclui as seguintes ações. todavia, é difícil extrapolar essa situação para a Fotografias Aéreas - drenagem controlada por profundidade. O potencial deste modelo é função foliação ou contatos geológicos; pequenos vales com da forma e volume da zona intemperizada, sendo de aluviões associados. difícil previsão. A água subterrânea está acumulada, Imagens de Satélites (incluindo processamento principalmente, nas zonas intemperizadas ao longo digital) - caracterização de aluviões e coberturas (teor ou lateralmente dispostas a zonas fraturadas ou de umidade, razão areia/argila). fortemente foliadas, bem como em litotipos mais Levantamentos de Campo - estudo estrutural de suscetíveis aos processos intempéricos. Em termos afloramentos; reconhecimento da cobertura sedimentar de estratégias prospectivas, as ações recomendadas e da zona de alteração. estão descritas a seguir. 116 Cap_3.1_FFI.indd 20 9/12/2008 21:03:20 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Fotografias Aéreas e Imagens de Satélite - o se soma às contribuições pré-existentes, muito bem modelo não é diagnosticado em superfície. Pode ser representadas pelos capítulos 3.2 (W. D. Costa) e 3.3 possível desenvolver tratamentos espectrais para (A. B. Silva), a seguir apresentados. Faz-se necessário identificar zonas intemperizadas rasas. testar esses modelos em situações práticas - programas Levantamentos de Campo - o processo de de sondagens piloto - planejadas consoante aos intemperismo diferencial pronunciado pode ser princípios desenvolvidos. Trata-se de um trabalho de reconhecível, mas extrapolado unicamente para longo prazo. Existem dificuldades quanto à qualidade/ profundidades rasas (10 a 20 m?), e deve ser levada utilidade dos atuais arquivos de dados, o que reduz em conta a presença, na região, de poços com vazões drasticamente a dimensão estatística de amostragem anomalamente elevadas. possível. A opção alternativa é um estudo detalhado Geofísica - zonas intemperizadas podem ser de casos bem documentados/documentáveis, cujos localizadas, e ter sua geometria esboçada, em casos resultados começam a aparecer. mais favoráveis; constitui a grande ferramenta de aposta para investigar este tipo de modelo. 3.1.11 Agradecimentos Os autores agradecem ao colega Fernando A. C. Feitosa (Serviço Geológico do Brasil - CPRM) pelo honroso convite para contribuir neste volume e pela atenção despertada para a contribuição da Geologia Estrutural na Hidrogeologia do Cristalino. Agradecem as discussões, ensinamentos, incentivo e dados obtidos junto a colegas hidrogeólogos (Dr. Waldir Duarte Costa, UFPE e visitante na UFRN em 1999; Elmo Marinho de Figueiredo, Secretaria de Recursos Hídricos do Rio Grande do Norte e antiga CDM/RN; Fernando A. C. Feitosa e Clodionor Carvalho de Araújo, da CPRM), outros pesquisadores (Dr. Fernando César Alves da Silva, Dr. Venerando Eustáquio Amaro, Dr. Alex Francisco Antunes) e alunos do PPGG (em especial, Figura 3.1.22 - Modelo Bolsões ou Câmaras de Jesimael Avelino da Silva), nesses últimos anos. As Intemperismo. Caracterizado por intemperismo diferencial pronunciado, controlado por fraturas, fabric e litologias. A observações dos revisores deste capítulo (Fernando permo-porosidade aumenta na zona intemperizada, que A. C. Feitosa, João Manoel Filho, Edilton C. Feitosa e pode se conectar com outras adjacentes, via rede de J. Geilson A. Demetrio) contribuíram significativamente fraturas e outros tipos de descontinuidades. Simbologia cf. para a melhoria do texto. Ao aluno Sávio Samri Luna figura 3.1.19; a profundidade do bloco pode ser estimada em uma ou algumas centenas de metros. Paschoal agradecem o empenho e habilidade na etapa final de editoração das figuras. O programa PADCT3, a FINEP, o CNPq, a CAPES e o Projeto Água Subterrânea 3.1.10 Observações Finais no Nordeste do Brasil (PROASNE), executado no Estudos sofisticados do fraturamento e do fluxo âmbito de um Convênio Brasil/Canadá (este último na de água nessas estruturas, no campo, em laboratório pessoa dos seus coordenadores, Dr. Samir Nahass, Dr. e mediante modelagens matemáticas, encabeçam o Enjolras Medeiros e o Dr. Yvon Maurice), concederam avanço do conhecimento na Hidrogeologia de Meios apoio financeiro e estímulo às pesquisas deste grupo. Fraturados (Black, 1994; Bradbury & Muldoon, 1994; W. E. Medeiros agradece ao CNPq a concessão de Banks et al., 1996; Manoel Filho, 1996; Odling, 1998). bolsa de Pesquisador. Ao mesmo tempo, é necessário discutir abordagens que possam ser incorporadas ao trabalho prático Referências da locação de poços, que exige rapidez e baixo custo, ao mesmo tempo atendendo às limitações ALMEIDA, F. F. M.; HASUI, Y. (Ed.) O Pré-Cambriano das condições de trabalho e os recursos humanos do Brasil. [S.l.]: Edgard Blücher, 1984. 378p. disponíveis. A contínua reavaliação da base teórica ALMÉN, K. E. Exploration drilling and borehole testing de Geologia Estrutural, objeto deste capítulo, constitui for the nuclear waste disposal programme in Sweden. um passo nesse sentido. É importante promover Applied Hydrogeology, n. 3, p. 48-55, 1994. a interação entre hidrogeólogos de cristalino, com prática de campo, e os geólogos estruturalistas, que ANGELIER, J. Fault slip analysis and palaeostress lidam com temas aplicados. Parte do material aqui reconstruction. In: HANCOCK, P. L. (Ed.) Continental exposto constitui um conjunto de prognósticos, ou deformation.[S.l.]: Pergamon Press, 1994. p. 53-100. um modelo conceitual simplificado e preliminar, que ANTONELLINI, M.; MOLLEMA, P. N. A natural analog 117 Cap_3.1_FFI.indd 21 9/12/2008 21:03:20 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino for a fractured and faulted reservoir in dolomite: hydrogéologique en zone de socle cristallin. Bull. Triassic Sella Group, northern Italy. Amer. Assoc. B.R.G.M., III, v. 2, n. 4, p. 273-288, 1980-1981. Petrol. Geol. Bull., v. 84, n. 3, p. 314-344, 2000. BRADBURY, K. R.; MULDOON, M. A. Effects of ANTUNES, A. F. Evolução tectono-estrutural do fracture density and anisotropy on delineation of Campo de Xaréu (sub-bacia de Mundaú, Bacia well-head protection areas in fractured-rock aquifers. do Ceará – NE do Brasil): abordagem multiescala Applied Hydrogeology, n. 3, p. 17-39, 1994. e pluriferramental. 2004. 411 f. Tese (Doutorado em Geodinâmica e Geofísica)- Centro de Geociências. BRITO NEVES, B. B.; ALBUQUERQUE, J. P. T. Tectô- Univ. Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2004. nica e água subterrânea em rochas pré-cambrianas do Nordeste do Brasil: a diversidade do sistema ASSUMPÇÃO, M. The regional intraplate stress field aqüífero. Geol. USP Sér. Cient., São Paulo, v.4, n.2, in South America. Jour. Geophys. Res., v. 97, n. 138, p. 71-90, 2004. p. 11889-11903, 1992. CARLSSON, A.; OLSSON, T. Caractéristiques de AVELINO DA SILVA, J. Estruturas de acumulação fracture et propriétés hydrauliques d’une région au de água em rochas cristalinas: estudo geofísico sous-sol cristallin en Suède (i). Bull. B.R.G.M., III, v.2, e geológico de casos no Estado do Rio Grande do n.3, p.215-233. 1980-1981. Norte. 2000. 92 f. Dissertação (Mestrado em Geo- CARNEIRO, C. D. R.; HAMZA, V. M.; ALMEIDA, F. F. dinâmica e Geofísica)-Centro de Geociências. Univ. M. Ativação tectônica, fluxo geotérmico e sismicida- Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2000. de no Nordeste oriental brasileiro. R. bras. Geoc., AVIAS, J. V. Sur la methodologie d’étude de la de- São Paulo v.19, p.310-322 1989. compression superficielle, morphologique et tectoni- CHOUKROUNE, P. Déformations et déplacements que des milieux fissurés: application à la recherche dans la croûte terrestre. Masson: [S.l.], 1995, 226 p. et à l’exploitation des aquifères de ces milieux. In: COLLOQUE LES MILIEUX DISCONTINUS EN CORDANI, U. G. et al. (Ed.) Tectonic evolution of HYDROGÉOLOGIE, 1982, Orléans. Acta... [S.l.: South America. Rio de Janeiro: 31 st International s.n.], 1982. p. 47-51. (Documents BRGM, 45). Geological Congress, 2000. 854p. AYDIN, A. Fractures, faults, and hydrocarbon CORIOLANO, A. C. F. Reavaliação de critérios es- entrapment, migration and flow. Marine and Petro- truturais na Hidrogeologia de terrenos cristalinos, leum Geol., v. 17, p. 797-814, 2000. com ênfase na neotectônica e sensoriamento re- moto. 2002. 240 f. Tese (Doutorado em Geodinâmica BANKS, D. et al. Permeability and stress in crystalline e Geofísica)- Centro de Geociências.Univ. Federal do rocks. Terra Nova, v. 8, p. 223-235, 1996. Rio Grande do Norte, Natal, 2002. BARTON, C. A.; MOSS, D. E. In-situ stress mea- CORIOLANO, A. C. F et al. Estruturas frágeis no surements can help define local variations in frac- substrato da região de João Câmara (RN): correla- ture hydraulic conductivity at shallow depth. The ção com a Falha Sísmica de Samambaia. In: SIMPÓ- Leading Edge, n. 11, p. 1653-1656, 1997. SIO DE GEOLOGIA DO NORDESTE, 17, Fortaleza, BERTHIER, F. Circulations profondes en milieu fissuré 1997. Resumos expandidos... Fortaleza: SBG. de socle: cas des anomalis minérales du Cézallier Núcleo Nordeste, 1997, p. 325-329. (Massif Central Français) – implications. In: COLLO- CORIOLANO, A. C. F.; JARDIM DE SÁ, E. F.; NASCI- QUE LES MILIEUX DISCONTINUS EN HYDROGÉ- MENTO DA SILVA, C. C. Structural and neotectonic OLOGIE, 1982, Orléans. Acta... [S.l.: s.n.], 1982. p. criteria for location of water wells in semi-arid crystalline 83-95. (Documents BRGM, 45). terrains: a preliminary approach in the eastern domain BEZERRA, F. H. R. et al. Holocene coastal tectonics of Rio Grande do Norte State, Northeast Brazil. R. bras. in NE Brazil. Coastal Tectonics, n. 146, p. 279-293, Geoc., São Paulo, v. 30, n. 2, p. 350-352, 2000. 1998. COSTA, W. D. Análise dos fatores que influenciam na hidrogeologia do cristalino. R. Água Subter., Recife, B EZERRA, F. H. R. et al. Pliocene-quaternary fault v. 1, n. 4, 1965, p. 14-47, control of sedimentation and coastal plain morphol- ogy in NE Brazil. Jour. South American Earth Sci., v. COSTA, W. D.; Silva, A. B. Hidrogeologia dos meios 14, p. 61-75, 2001. anisotrópicos. In: FEITOSA, F. A. C.; MANOEL FILHO, J. (Coord.). Hidrogeologia: conceitos e aplicações. BLACK, J. H. Hydrogeology of fractured rocks: a Fortaleza: CPRM; LABHID-UFPE, 1997, p. 133-174. question of uncertainty about geometry. Applied Hydrogeology, n. 3, p. 56-70, 1994. DAVISON, I. Linked fault systems: extensional, strike- slip and contractional. In: HANCOCK, P. L. (Ed.). BOECKH, E. An exploration strategy for higher-yield bore- Continental deformation. Tarrytown, NY: Pergamon holes in the West African crystalline basement. Geol. Press, 1994. p. 121-142. Soc. London, Spec. Publ., v. 66, p. 87-100, 1992. DUNNE, W. M.; HANCOCK, P. L. Palaeostress analy- BOURGUET, L. et al. Méthodologie de la recherche sis of small-scale brittle structures. In: HANCOCK, 118 Cap_3.1_FFI.indd 22 9/12/2008 21:03:20 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações P. L. (Ed.) Continental deformation. Tarrytown, NY: KATTENHORN, S.A.; POLLARD, D. Integrating 3-D Pergamon Press, 1994. p. 101-124. seismic data, field analogs, and mechanical models in the analysis of segmented normal faults in the FERNANDES, A.; RUDOLPH, D. L. The influence of Wytch Farm oild field, southern England, United King- Cenozoic tectonics on the groudwater-production ca- dom. Amer. Assoc. Petrol. Geol. Bull., v. 85, n.7, p. pacity of fractured zones: a case study in São Paulo, 1183-1210, 2001. Brazil. Hydrogeology Jour., v. 9, p. 151-167, 2001. LAUBACH, S.; MARRETT, R.; OLSON, J. New directions FERREIRA, J. M. et al. Superposition of local and re- in fracture characterization. The Leading Edge, Soc. gional stresses in Northeast Brazil: evidence from fo- Exploration Geophysics, [S.l.] v. 19, p. 704-711, 2000. cal mechanisms around the Potiguar marginal basin. Geophys. Jour. Int., v. 134, p. 341-355, 1998. LIMA, C. C.; NASCIMENTO, E.; ASSUMPÇÃO, M. Stress orientations in Brazilian sedimentary basins FINKBEINER, T.; BARTON, C. A.; ZOBACK, M. D. from breakout analysis: implications for force models Relationships among in-situ stress, fractures and in the South American plate. Geophys. Jour. Intern., faults, and fluid flow: Monterey Formation, Santa [S.l.] v. 130, p. 112-124, 1997. Maria Basin, California. Amer. Assoc. Petrol. Geol. Bull. v. 81, n.12, p. 1975-1999, 1997. LIMA NETO, F. F. Um exemplo da interferência de uma interface fraca na distribuição regional de HANCOCK, P. L. Brittle microtectonics: principles and esforços tectônicos: o campo atual de tensões da practice. Jour. Struct. Geol., v.7, p. 437-457, 1985. Bacia Potiguar, Nordeste brasileiro.1998. 320p. Dis- HANCOCK, P. L. (Ed.) Continental deformation. sertação (Mestrado)-Universidade Federal de Ouro Oxford: Pergamon Press, 1994. 421p. Preto, Ouro Preto, 1998. HANCOCK, P. L.; ENGELDER, T. Neotectonic joints. MAERTEN, L.; GILLESPIE, P.; DANIEL, J. M. Three- Geol. Soc. Amer. Bull., v.101, p. 1197-1208, 1989. dimensional geomechanical modellling for constraint of subseismic fault simulation. Amer. Assoc. Petrol. HATCHER Jr., R. D. Structural geology: principles, con- Geol. Bull., [S.l.] v. 90, n. 9, p. 1337-1358, 2006. cepts and problems. [S.l.]: Prentice-Hall, 1995. 525p. MANOEL FILHO, J. Modelo de dimensão fractal HEFFER, K.; LEAN, J. C. Earth stress orientation: a para avaliação de parâmetros hidráulicos em control on, and a guide to, flooding directionality in a meio fissural. 1996. 197 f. Tese (Doutorado) - Institu- majority of reservoirs. In: RESERVOIRS Characteriza- to de Geociências. USP, São Paulo, 1996. tion III, Pen Well Books. {S.l.: s.n.], 1993. MAPA Geológico e de Recursos Minerais do Estado HODGSON, C. J. Patterns of mineralization. In: do Rio Grande do Norte. Brasília: DNPM/UFRN/ BURSNALL, J.T. (Ed.) Mineralization and shear zones. Petrobras, 1998, 1 mapa, Escala 1:500.000 Geol. Assoc. Canada, Short Course Notes, v. 6, p. MATOS, R. M. D. The Northeast Brazilian rift system. 51-128, 1989. Tectonics, v.11, p. 766-791, 1992. JARDIM DE SÁ, E. F. A Faixa Seridó (Província MATOS, R. M. D. History of the Northeast Brazilian rift Borborema, NE do Brasil) e o seu significado geo- system: implications for the breakup of Brazil and West dinâmico na Cadeia Brasiliana/Pan-Africana. 1994. Africa. In: CAMERON, N.R.; BATE, R.; CLURE, V. (Ed.) 804p. Tese (Doutorado)-Instituto de Geociências. The oil and gas habitats of the South Atlantic, Geol. UNB, Brasília, 1994. Soc. London, Spec. Publ., [S.l.] v. 153, p. 55-73, 1999. JARDIM DE SÁ, E. F. Tectônica cenozóica na Margem MATOS, R. M. D. Tectonic evolution of the Equatorial Equatorial da Província Borborema, Nordeste do Brasil South Atlantic. In: MOHRIAK, W.; TALWANI, M. (Eds.) At- (A contribuição da geologia estrutural no continente). lantic rifts and continental margins. Geophys. Monogr. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE ESTUDOS TECTÔNI- Amer. Geophys. Union, v. 115, p. 331-354, 2000. COS, 8., 2001. Anais... [S.l.: s.n.], 2001. p. 25-28. MCFARLANE, M. J. Groundwater movement and JARDIM DE SÁ, E. F. et al. Epirogenia cenozóica na water chemistry associated with weathering profiles Província Borborema: síntese e discussão sobre os mo- of the African surface in parts of Malawi. In: WRIGHT, delos de deformação associados. SIMPÓSIO NACIO- E. P.; BURGESS, W.G. The hydrogeology of crystal- NAL DE ESTUDOS TECTÔNICOS, 7., Lençóis, 1999. line basement aquifers in Africa. Geol. Soc. London, Resumos Expandidos... [S.l.: s.n.], 1999. p. 58-61. Spec. Publ., v. 66, 1992. p.1-264. JARDIM DE SÁ, E. F. et al. Marcos temporais para a MEDEIROS, W. E. et al. Spatial pressure compart- evolução cenozóica do Planalto da Borborema. In: mentalization in faulted reservoirs as a consequence SIMPÓSIO NACIONAL DE ESTUDOS TECTÔNICOS, of fault connectivity: a fluid flow modelling perspec- 10., 2005 Curitiba, SGB Resumos Expandidos… tive, Xaréu oil field, NE Brazil. Petroleum Geoscien- [S.l.: s.n.], 2005. p. 160-162. ce, [S.l.] v. 13, p. 341-352, 2008. 119 Cap_3.1_FFI.indd 23 9/12/2008 21:03:20 Capítulo 3.1 - Conceitos de Análise Estrutural Aplicados à Hidrogeologia de Terrenos Cristalino MENEZES, M. R. F.; JARDIM DE SÁ, E. F. Caracte- RAMSAY, J. G.; HUBER, M. I. The techniques of rização do fraturamento neotectônico em rochas cris- modern structural geology: folds and fractures. talinas: o exemplo da Grota da Fervedeira, Santana [S.l.]: Academic Press, 1987. 700p. do Matos, RN. SIMPÓSIO NACIONAL DE ESTUDOS TECTÔNICOS, 7., 1999, Lençóis. Resumos Expan- RIBEIRO, J. A. et al. Caracterização do comporta- didos… [S.l.: s.n.], 1999. p. 62-66. mento elétrico em rochas cristalinas na região de Irauçuba, norte do Estado do Ceará. In: ENCON- MOORES, E. M.; TWISS, R. J. Tectonics. [S.l.]: W.H. TRO NACIONAL PERF. POÇOS, 12; SIMPÓSIO Freeman and Company, 1995. 415p. HIDROGEOL. NORDESTE, 4, 2001, Olinda, Anais... MUIR WOOD, R. Earthquakes, strain-cycling and the [S.l.: s.n], 2001. mobilization of fluids. In: PARNELL, J. (Ed.) Geofluids: SAADI, A. Neotectônica da Plataforma Brasileira: origin, migration and evolution of fluids in sedimentary esboço e interpretação preliminar. Geonomos, n.1, basins. Geol. Soc. Spec. Publ., v. 78, p. 85-98, 1994. p. 1-15, 1993. NASCIMENTO da SILVA, C. C. Caracterização SANDER, P. Remote sensing and GIS for ground- geológica-geofísica do meio aqüífero fissural: water assessment in hard rock areas: applications uma contribuição aos modelos de percolação e to water well siting in Ghana and Botswana. 1996. retenção de água subterrânea. 2004. 177 f. Tese Göteborg Dissertation. (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação Geo- dinâmica e Geofísica, Universidade Federal do Rio SIBSON, R. H. Fault rocks and fault mechanisms. J. Grande do Norte, Natal, 2004. Geol. Soc. London, v. 133, p.191-214, 1977. NASCIMENTO DA SILVA, C. C.; JARDIM de SÁ, E. F. SIBSON, R. H. Fluid flow accompanying faulting: field Fracture chronology and neotectonic control in the lo- evidence and models. In: SIMPSON, D.W.; RICH- cation of water wells in crystalline terrains: an example ARDS, P.G. (Ed.) Earthquake prediction: an inter- from the Equador region, northeastern most Brazil. R. national review. Amer. Geophys. Union, Maurice Bras. Geoc., São Paulo, v. 30, n. 2, p. 346-349, 2000. Ewing Series, v. 4, p. 593-603, 1981. NASCIMENTO DA SILVA, C. C. et al. Integração de SIBSON, R. H. Earthquake rupturing as a hydrothermal dados estruturais, de sensores remotos e de geofísi- mineralizing agent. Geology, v.15, p. 701-704, 1987. ca na prospecção hidrogeológica em terrenos crista- linos: estudo de casos no Estado do Rio Grande do SIBSON, R. H. Crustal stress, faulting and fluid flow. Norte, Nordeste do Brasil. In: ENCONTRO NACIO- In: Parnell, J., (Ed.) Geofluids: origin, migration and NAL PERF. POÇOS, 12; SIMPÓSIO HIDROGEOL. evolution of fluids in sedimentary basins. Geol. Soc. NORDESTE, 4, 2001, Olinda, Anais... [S.l.: s.n], Spec. Publ., v. 78, p. 69-84, 1994. 2001. p. 445-454. SIQUEIRA, L. Contribuição da geologia à pesquisa NASCIMENTO DA SILVA, C. C. et al. Resistivity and de água subterrânea no cristalino. R. Água Subter., ground-penetrating radar images of fractures in a Recife, v. 2, n. 9, p. 1-29, 1967. crystalline aquifer: a case study in Caiçara farm – NE SOUSA, D. C. Litoestratigrafia e deformação Brazil. Jour. Applied Geophysics, v. 56, n.4, p. 295- cenozóica na região de Icapuí, Ceará, e implica- 307, 2004. ções para a estruturação de campos de petróleo NICOL, A. et al. The shapes, major axis orientations na borda ocidental da Bacia Potiguar (NE do and displacement patterns of fault surfaces. Jour. Brasil). 2002, 197 f. Tese (Doutorado) - Programa Structural Geol., v.18, p. 235-248, 1996. de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica, UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do NOLEN-HOEKSEMA, R. C.; HOWARD, J. H. Esti- Norte, Natal, 2002. mating drilling direction for optimum production in a fractured reservoir. Amer. Assoc. Petrol. Geol. Bull., TWISS, R. J.; MOORES, E. M. Structural geology. v. 71, n. 8, p. 958-966, 1987. [S.l.]: Unwin Hyman, 1992. 532p. ODLING, N. Fluid flow in fractured rocks at shallow lev- VAN DER PLUIJM, B. A.; MARSHAK, S. Earth struc- els in the Earth’s crust: an overview. In: Deformation ture: an introduction to structural geology and tecton- enhanced melt segregation and metamorphic fluid ics. [S.l.]: McGraw-Hill, 1997. 495p. transport. [S.l.: s.n], 1998. (Miner. Soc. Series Books) WALTZ, J.; DECKER, T. L. Hydro-fracturing offers OLOFSSON, B. Flow of groundwater from soil to many benefits. The Johnson’s Drillers Jour., n. 2/4: crystalline rock. Applied Hydrogeology, v. 3, p. 71- p. 4-9, 1981. 83, 1994. WRIGHT, E. P.; BURGESS, W. G. The hydrogeology PARK, R.G. Geological structures and moving of crystalline basement aquifers in Africa. Geol. Soc. plates. [S.l.]: Blackie, 1988. 337p. London, Spec. Publ., v. 66, 1992. 264 p. 120 Cap_3.1_FFI.indd 24 9/12/2008 21:03:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 3.2 HIdrogEologIA dos MEIos FIssurAdos Waldir Duarte Costa 3.2.1 Introdução é denominada de fissura, fratura, fenda, junta ou diáclase, enquanto que a deformação ruptural que hidrogeologia dos meios fissurados tem a acarreta deslocamento de um ou dos dois blocos Asua principal aplicação no domínio das afetados é designada por falha ou paráclase.rochas ígneas e metamórficas, genericamente No presente estudo, será abordada a fissura designadas como cristalino. Nesse domínio, a matriz como um único indivíduo dentro do maciço rochoso, do maciço rochoso é caracterizada pela inexistência ou ou, como é mais conhecida, a fissura elementar e, presença muito reduzida de espaços intergranulares posteriormente, o meio fissurado, como resultante do na rocha. Nesse meio, a água encontra-se em espaços somatório das fissuras elementares. representados por fissuras ou fraturas, juntas ou, ainda, No estudo de uma fissura elementar devem em falhas e, em casos particulares, em vesículas, ser considerados os seguintes elementos, que aberturas de dissolução, zonas de decomposição, exercem uma grande influência nas características dentre outros. hidrodinâmicas, como será visto mais adiante: As rochas metamórficas de composição calcífera, • abertura (a); tais como o mármore, são dotadas de uma feição • rugosidade das paredes (ℜ); particular, que é o elevado grau de dissolução. Em vista • material de preenchimento. dessa vulnerabilidade ao ataque químico, essas rochas possuem, em geral, extensas e irregulares zonas de A figura 3.2.1 ilustra melhor a apresentação abertura, tais como sumidouros, cavernas, dolinas etc., desses elementos. que, em conjunto, recebem a designação de erosão cárstica. O aqüífero é, portanto, do tipo cárstico-fissural, devendo receber um tratamento particular, conforme será visto adiante, no capítulo 3.3. As rochas cristalinas oriundas de derrames vulcânicos também merecem um tratamento específico, devido às feições particulares que apresentam, tais como: camadas detríticas interestratificadas aos derrames, vesículas oriundas de bolhas de ar durante o resfriamento do magma, traps de gás ou petróleo, zonas de maior alteração etc. O assunto, porém, não Figura 3.2.1 - Bloco rochoso contendo uma fissura elemen-tar. O afastamento entre os blocos constitui a abertura (a) será abordado no presente texto. da fissura. Ao lado, uma ampliação da fissura, mostrando a Tal é a diversificação de características apresentadas rugosidade (ℜ) das suas paredes. por esses dois tipos de rochas, que alguns autores chegam a excluí-las do grupo de “rochas duras Abertura (a) fraturadas”, como Ingemar Larsson (1977), que diz textualmente: “hard rocks are defined as compact non- Abertura de uma fissura é definida como a medida carbonate, non-volcanic rocks. Carbonate and volcanic de separação média entre as paredes rochosas ao rocks constitute quite different types of rock aquifers”. longo do plano de quebramento. Esse parâmetro é de fundamental importância para a problemática de infiltração e armazenamento de água e vai depender 3.2.2 Análise da Fissura Elementar de dois fatores: tensões atuantes e tipo de rocha (em função das características físicas dos minerais e da Uma fissura representa o resultado de uma sua textura). No que se refere às tensões atuantes, deformação ruptural sofrida por uma rocha, quando as deformações sofridas podem variar em função submetida a esforços tensionais de naturezas diversas. do tipo de esforço tensional aplicado (tracional A ruptura sem deslocamento dos blocos afetados ou compressivo), da diferença entre os esforços 121 Cap_3.2_FFI.indd 1 9/12/2008 21:11:36 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados máximo e mínimo, e por fim, das direções em que é da ordem de 30 microns (Quadros, 1977; 1982). A atuam no espaço as três tensões s1, s2 e s3 (Costa, rugosidade relativa é a relação entre a rugosidade 1986). Quanto ao tipo de rocha, em função das absoluta das paredes (ℜ) e o diâmetro hidráulico características físicas e texturais dos seus minerais, (DH), sendo representada pela letra e. O grau de constata-se que os minerais granulares e isentos de rugosidade depende da origem da fratura e, ainda, da clivagem, possuem maior resistência ao cisalhamento granulometria, mineralogia e alteração das paredes (SS) e mais elevado módulo de elasticidade (E) que rochosas nos planos de fratura. Sua influência na os minerais placosos, ficando os minerais granulares condutividade hidráulica é muito grande, pois pode com clivagem em plano intermediário. Nessas acarretar elevadas perdas de carga, quando a circunstâncias, as rochas que possuem predomínio água em circulação tende a acompanhar o relevo desses minerais mais resistentes, ou aqueles de da parede rochosa. Segundo Barton (1975), as maior grau de metamorfismo, resistem mais à fraturas classificam-se quanto à rugosidade em: ruptura por cisalhamento, além de possuírem menor dentada, ondulada e plana, e cada uma dessas freqüência de fraturas, pois a energia de deformação classes subdivide-se nas subclasses rugosa, lisa e acumulada na rocha, que é a responsável pela sua polida (ou espelhada), como apresentado na figura ruptura, é inversamente proporcional ao módulo E. Em 3.2.3. As fraturas mais comumente analisadas na contrapartida, as fraturas originadas por tração nessas hidrogeologia são a plana polida (rugosidade relativa rochas são mais abertas, pois as tensões tracionais e menor que 0,033) e a plana rugosa (com e maior geradas pelo esforço compressivo são diretamente do que 0,033). proporcionais ao módulo E. Isso explica porque Material de Preenchimento rochas como o gnaisse e o migmatito apresentam menor freqüência de fissuras, porém estas são As fraturas podem estar total ou parcialmente mais abertas, ao contrário dos filitos e ardósias que preenchidas por material autóctone ou alóctone (Costa, possuem maior freqüência de fissuramento, sendo, op.cit.). A origem do material pode estar ligada a: contudo, as fissuras mais fechadas. A textura influi de • fragmentos da própria rocha fraturada (material vários modos. As rochas de textura granular grosseira autóctone), em geral nas fraturas de cisalhamento são menos resistentes que as de textura granular ou zonas de falha provocada por compressão fina, em virtude da predominância, nas primeiras, dos (figura 3.2.4a); planos de fraqueza representados pelas superfícies de clivagem dos minerais (como o feldspato). Por essa razão, os pegmatitos e granitos porfiroblásticos (microgranitos) são mais quebradiços do que os granitos de granulação fina. Por outro lado, as rochas de textura granular são mais resistentes do que as rochas de textura lepidoblástica (com abundância de minerais lamelares, como as micas). rugosidade das Paredes (ℜ) Rugosidade é definida como a distância entre duas linhas paralelas, à linha média, que tangenciam a saliência mais pronunciada e a reentrância mais profunda. A figura 3.3.2 mostra uma microrrugosidade, que, medida numa fratura em granito compacto com 500 vezes de aumento, por meio de um rugosímetro, Figura 3.2.2 - Exemplo de microrrugosidade numa fratura polida em granito compacto, com 500 vezes de aumento, medido por meio de um rugosímetro. ℜ é da ordem de 30 Figura 3.2.3 - Perfis típicos de rugosidade (adaptado de microns (Quadros, 1997, 1982). Barton,1975; Quadros, 1977, 1982). 122 Cap_3.2_FFI.indd 2 9/12/2008 21:11:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • detritos de origem superficial, que penetraram em 3.2.3 Características do Meio meio aquoso, de elevada turbidez, decantando no interior das fraturas (figura 3.2.4b); Continuidade, Homogeneidade e Isotropia • recristalização de sais que precipitam em soluções, em função da evaporação do meio Um meio hidraulicamente contínuo configura-se líquido que os transportou. Esse processo pode pela inexistência de interrupções das características produzir uma cimentação da fratura ou mesmo hidrodinâmicas em qualquer direção, ou seja, não uma eflorescência (figura 3.2.4c); possui descontinuidades. As descontinuidades do • ascensão de soluções hidrotermais mineralizantes, maciço rochoso são representadas por aberturas de solidificando em forma de cristais ou amorfa, várias origens: juntas de estratificação, de xistosidade, quando a temperatura cai sensivelmente próximo de clivagem, diáclases, paráclases etc. O problema de à superfície (figura 3.2.4d). continuidade do meio rochoso fissurado é meramente um problema de escala relativa. Louis (1968; 1974), esquematiza na figura 3.2.5, um mesmo problema hidráulico, para quatro meios diferentes e afirma: “será lícito considerar um meio fissurado como contínuo se a dimensão dos blocos elementares for desprezível diante da dimensão do problema considerado” (caso 2, figura 3.2.5), ou seja, se for possível enumerar, a título indicativo, mais de 10.000 fissuras numa seção plana qualquer. Por outro lado, se este número for da ordem de 100 a 1.000, a hipótese da descontinuidade do meio é necessária (caso 3) e, no caso limite, se numa seção plana o número de fissuras for inferior a 10, cada fissura deve ser individualizada no modelo matemático utilizado (caso 4). Os números de fissuras que acabam de ser mencionados são muito subjetivos e, de fato, a hipótese conveniente a ser adotada deverá ser analisada cuidadosamente para cada problema considerado. A homogeneidade e a isotropia são características relacionadas à condutividade hidráulica. Se a condutividade hidráulica não varia de um ponto a outro de um material, ele é dito homogêneo e se ela não varia para cada ponto, qualquer que seja a direção considerada, o material é considerado como isotrópico. Características Hidrodinâmicas O aqüífero f issural, por suas constantes descontinuidades, precária homogeneidade e forte anisotropia, não apresenta parâmetros hidrodinâmicos constantes. No aqüífero poroso ou intersticial, a porosidade é responsável pelo coeficiente de armazenamento, enquanto a condutividade hidráulica corresponde diretamente à transmissividade para uma determinada espessura do aqüífero. A vazão específica guarda, também, uma certa relação com o rebaixamento do poço. No aqüífero fissural, a porosidade é meramente função das fissuras e outras descontinuidades, não se distribuindo homogeneamente em todo o aqüífero, mas variando muito, de um ponto a outro. Assim, em determinada zona do maciço, onde não ocorra nenhuma fratura, a porosidade é praticamente nula, Figura 3.2.4 - Preenchimento de fraturas: (a) o material podendo ser relativamente elevada numa outra zona, de preenchimento provém da própria rocha; (b) o material infiltrou-se em meio aquoso superficial decantando dentro da onde haja uma concentração de fraturas. Igualmente, a fratura; (c) o material entrou em solução a partir da superfície; condutividade hidráulica dependerá, fundamentalmente, (d) em solução hidrotermal. do fraturamento, como será visto adiante, não havendo 123 Cap_3.2_FFI.indd 3 9/12/2008 21:11:37 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados 3.2.4 Fatores que Influem nas Características Hidrodinâmicas do Aqüífero “Fissural” A condutividade hidráulica (ou a permeabilidade) e o armazenamento d’água em meios fissurados ou aqüífero fissural, dependem dos seguintes fatores, ilustrados na figura 3.2.6: • amplitude das fissuras (l); • abertura das fissuras (a); • forma e rugosidade das paredes das fissuras (ℜ); • freqüência ou espalhamento das fissuras (bf); • número de famílias ou sistemas de fissuras (n); • orientação e posição das fissuras (direção e mergulho); • porosidade e permeabilidade da matriz rochosa; • propriedades do material que preenche as fissuras; • distribuição da amplitude da fissura no sistema, que determina a heterogeneidade e anisotropia. Quanto à porosidade e permeabilidade da matriz rochosa, bem como do material que preenche as fraturas, Braester (1977) idealizou uma classificação Figura 3.2.5 - Meio contínuo ou descontínuo (modificado de em: Sistema Único de Permeabilidade-Armazenamento Louis, 1968, 1974). e Sistema Duplo de Permeabilidade-Armazenamento. O primeiro caso corresponde a um maciço rochoso nenhum sentido de se falar em transmissividade do fraturado, sendo a matriz praticamente impermeável aqüífero, uma vez que, se ao longo da fratura existe (figura 3.2.7a). uma determinada condutividade hidráulica, não se pode extrapolar esse valor para uma determinada espessura do aqüífero, onde predominam zonas não fraturadas, onde a intercomunicação das fraturas se faz incipientemente, ou mesmo, deixa de existir. Os valores de porosidade, calculados no laboratório ou no campo, por vários pesquisadores, acusaram para as rochas ígneas maciças tipo granito, uma variação entre o mínimo de 0,05% e o máximo de 4%, com um valor médio de 0,3%, enquanto para as rochas metamórficas, esses valores mínimo e máximo foram, respectivamente, de 0,2 e 0,5, com a média de 0,5%. Comparando-se esses valores com os valores médios obtidos para os calcários metamórficos, que é de 8%, e para os basaltos, que variam de 2 a 12%, constata-se a grande diversificação entre os mesmos. É bem verdade que, para esses grupos de rochas, a porosidade ainda não pode ser considerada boa, pois para as rochas sedimentares coerentes, a porosidade média varia de 10 até 20%, enquanto nas rochas sedimentares incoerentes, esses valores vão de 25 até 50%, a depender do material. Os valores de condutividade hidráulica, encontrados em ensaios de laboratório, acusam resultados ainda mais baixos para as rochas do cristalino em geral, na faixa de 10-10 a 10-12 m/s. Figura 3.2.6 - Elementos do aqüífero fissural. 124 Cap_3.2_FFI.indd 4 9/12/2008 21:11:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O segundo caso, compreende as seguintes Identificação e Participação dos Fatores situações: a matriz é constituída por blocos de material poroso (figura 3.2.7b), a matriz é constituída por blocos Os fatores que atuam no mecanismo de infiltração, contendo um sistema secundário de fissuras (figura percolação e armazenamento da água em rochas 3.2.7c) e as fissuras são preenchidas por material fraturadas e, conseqüentemente, na capacidade permeável (figura 3.2.7d). do aqüífero fissural, exercendo ainda alguns deles, influência na qualidade da água, podem ser agrupados em dois grupos: • fatores exógenos; • fatores endógenos. O primeiro grupo diz respeito aos condicionantes relacionados aos agentes atuantes na superfície externa do globo terrestre, tais como o clima da região, o relevo, a hidrografia, a vegetação, a infiltração de soluções e o intemperismo. O segundo grupo corresponde aos agentes que atuam no interior do globo, representado inclusive pela própria crosta, tais como: estruturas apresentadas pelas rochas em função dos esforços atuantes na crosta, constituição mineralógica das rochas em função da composição magmática ou do tipo de metamorfismo e presença de soluções mineralizantes hidrotermais. Na tabela 3.2.1 são relacionados os fatores exógenos e endógenos e sua influência na qualidade e quantidade de água armazenada. A classificação utilizada de elevada, moderada e baixa, reflete as faixas de variação de influência dos referidos fatores. Efeitos dos Fatores Exógenos Clima - o clima exerce sua principal influência no problema da qualidade da água. Em regiões de elevada pluviosidade, os sais solúveis são lixiviados, resultando em baixos teores de salinidade das águas subterrâneas. É o que ocorre nas regiões litorâneas do Nordeste, com precipitações pluviométricas acima de 2.000 mm/ano e, em geral, na região Sul do Brasil. Enquanto isso, nos climas semi-áridos, em que a pluviosidade é baixa e a evaporação muito elevada, os sais vão se concentrando gradualmente nas fraturas das rochas, acarretando elevados índices de salinidade. No Nordeste do Brasil, na região fisiográfica do Sertão (também designado de trópico semi-árido), as águas apresentam índices de salinização, sobretudo de cloretos, muito elevados, em geral superiores ao limite de potabilidade. Na bacia do Rio Monteiro/PB, a média de resíduo seco em 25 análises de águas de poços em granitos e gnaisses, foi de 2.400 mg/L, enquanto na bacia do Rio Boa Vista/PB, a média em igual número de poços, atingiu o elevado teor de 11.027 mg/L. É nessa região que se localiza o poço de mais elevada salinidade do Nordeste, na localidade de Palestina (Soledade/PB), com um resíduo seco de 42.800 mg/L (mais elevado do que a água do mar). Nas águas dos poços da região de Petrolina, Ouricuri e Santa Maria da Boa Vista, no Oeste de Pernambuco, Figura 3.2.7 - Sistema Permeabilidade-Armazenamento foram encontrados valores médios de resíduo seco (adaptado de Braester, 1977). de 3.760 mg/L. Quanto à influência climática na 125 Cap_3.2_FFI.indd 5 9/12/2008 21:11:37 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados Influência na Fatores Qualidade Quantidade Clima Elevada Moderada Relevo Moderada Elevada Exógenos Hidrografia Moderada Moderada Vegetação Baixa Moderada Infiltração de Soluções Baixa Moderada Coberturas Sedimentares Moderada Elevada Constituição Litológica Moderada Baixa Endógenos Estruturas Moderada Elevada Soluções Mineralizantes Baixa Moderada Tabela 3.2.1 - Fatores que influenciam na água subterrânea em rochas cristalinas. capacidade do aqüífero, ou seja, na quantidade de água de situações morfológicas, enquanto Sever (op.cit.) armazenada, há uma participação bem regular, que trabalhou com poços situados apenas no topo e no é considerada na tabela 3.2.1 como moderada. Essa flanco das elevações (figura 3.2.8). Nos 234 poços influência diz respeito aos processos de decomposição estudados no granito na Carolina do Norte por Legrand química da rocha e conseqüente formação de um manto (op.cit.), as vazões nas vertentes das colinas são muito de intemperismo ou regolito, que será tratado como fator inferiores às dos baixios, sobretudo nas depressões de à parte. Em climas chuvosos e de elevada umidade, o bacias. Em termos percentuais, as vazões obtidas no intemperismo dominante é o químico, porém, em climas topo das colinas representam apenas 42,7% daquelas áridos ou semi-áridos predomina o intemperismo físico, alcançadas nas depressões, enquanto nas vertentes, dando, em conseqüência, solos muito delgados, de essa mesma proporção é de 53,4% e na planície e nos apenas alguns centímetros, eventualmente chegando vales é bem menor essa diferença, com 83,5% e a um ou dois metros. 75%, respectivamente. A situação para os 69 poços do relevo - a configuração do relevo é de grande riolito e 168 poços no micaxisto é aproximadamente a importância para a capacidade ou volumes de água mesma, diferindo apenas para a ardósia, cujo número produzidos no cristalino. Os trabalhos mais interessantes de poços - apenas 19 - é pouco representativo. Nas são o de Legrand (1959), nas áreas de Carolina do regiões de Pittsylvania e Halifax, a diferença é bem mais Norte, Pittsylvania e Halifax, incluindo 490 poços na acentuada entre os poços perfurados no topo das primeira e 282 nas duas últimas, e de Sever (1964), elevações e nas depressões das bacias, representando que realizou um tratamento estatístico em 50 poços a vazão média das primeiras apenas 16,8% das vazões perfurados em Dawson, Georgia, EUA. Os valores médias das segundas. Nessas regiões, as vazões dos apresentados por Legrand (op.cit.) são mais válidos, poços nos topos das elevações são muito baixas, não apenas pelo número de amostras - mais de 700 com média de apenas 1.600 L/h, contra a média de poços - como também pela maior diversificação 9.500 L/h dos poços das depressões, assim mesmo, Figura 3.2.8 - Diferentes situações de relevo na locação de um poço. 126 Cap_3.2_FFI.indd 6 9/12/2008 21:11:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações o percentual de poços perfurados nessas áreas altas é de 60%, contra apenas 7,4% para poços perfurados nas depressões. Quanto à relação entre os poços perfurados no topo e nos flancos das elevações, não há muita desproporção, pois na área de Carolina, é de 83,6% e em Dawson (pesquisa de Sever), variou desde 66,6% até 83,5% de acordo com a zona. Apenas nas regiões de Pittsylvania e Halifax ocorreu uma grande desproporção, atingindo a vazão dos primeiros apenas 35,5% da vazão (média) dos segundos. Dessa análise conclui-se que, independentemente do tipo de rocha, a pior situação morfológica para a locação de um poço é no topo de uma elevação (colina, monte etc.) e, secundariamente, nos flancos ou vertentes da elevação; ao contrário, a melhor situação morfológica, encontra-se nas depressões de bacias, secundada por áreas de planície. Quanto à sua Figura 3.2.9 - Riacho-Fenda: associação da hidrografia com influência para a qualidade da água, não existem dados a geologia. estatísticos completos, relacionando a qualidade da água obtida em poços perfurados em diversas situações de água nas aberturas da rocha proporcionadas topográficas. Entretanto, a prática tem demonstrado, pelos fraturamentos, com possibilidades favoráveis como no Nordeste semi-árido do Brasil, que os poços de armazenamento na subsuperfície. Nos casos dos localizados nos vales dos rios principais tendem a rios perenes, a condição de recarga das fraturas e possuir maior salinidade do que nos rios menores ou do aqüífero fissural acha-se assegurada para permitir riachos tributários. Ao contrário, os poços perfurados uma exploração sistemática por poços ali perfurados. nos flancos das elevações, nas porções topográficas A influência da hidrografia na qualidade da água menos elevadas, apresentam salinidade em geral, mais subterrânea é bastante relativa, pois dependerá reduzida, enquanto que no topo das elevações, aumenta da qualidade da água superficial. Quando a água a salinidade. A razão parece estar ligada aos problemas superficial é de boa qualidade (baixos índices de de dinâmica do fluxo e, conseqüentemente, à renovação salinidade), a sua influência é positiva, ou seja, dessas águas. Quando não existem boas condições benéfica ao aqüífero, pois a sua infiltração promoverá de fluxo, devido a um baixo gradiente (diferença de a circulação e renovação da água subterrânea. Nessas carga hidráulica), as águas não são renovadas e a sua condições, a perfuração de poços nos vales fluviais concentração tende a aumentar a salinização. Esse (não propriamente no talvegue) será favorável, pois fenômeno ocorre geralmente em elevações (distante haverá melhor quantidade (como já analisado) e boa da borda) e nas depressões fechadas. Quanto à maior qualidade da água. Quando, todavia, a água superficial salinização nos poços perfurados nos vales dos rios for salinizada, como já citado antes, deve-se evitar os principais, deve-se ao fato de que, percorrendo maiores vales, notadamente dos rios mais extensos, mesmo áreas, os rios mais extensos tendem, em geral, a captar que se caracterize a situação do riacho-fenda. água salinizada de alguma região possuidora de sais Vegetação - a influência da vegetação é pequena, solúveis. É o que acontece por exemplo, com os rios tanto para a quantidade, como para a qualidade da Jaguaribe no Ceará, Ceará-Mirim e Potengi no Rio água subterrânea. A atuação da vegetação para Grande do Norte, dentre outros. proporcionar maiores volumes armazenados de água Hidrografia - no início da década de 1960, no subsolo é de maneira indireta, pois na medida que quando surgiram no Brasil as primeiras pesquisas dificulta o escoamento superficial, propicia condições hidrogeológicas, nasceu um conceito que ainda hoje de maior infiltração. Além disso, quanto maior é a é utilizado na locação dos poços, que foi o do riacho- cobertura vegetal, maior é a evapotranspiração e, fenda (Siqueira, 1963, 1967), conforme já apresentado conseqüentemente, maiores serão as precipitações no capítulo 3.1. Esse termo representa justamente a que irão proporcionar melhores condições de associação da hidrografia com a geologia, no sentido recarga aos aqüíferos. Ao contrário, em regiões de de proporcionar a melhor condição de infiltração e vegetação escassa, as precipitações também o serão, armazenamento de água, em rochas duras fraturadas. diminuindo as recargas de água para os aqüíferos. O riacho-fenda corresponde à situação em que ocorre É o que acontece nas regiões da mata chuvosa a coincidência da drenagem superficial com zonas e do sertão semi-árido. Entretanto, a vegetação fraturadas do embasamento rochoso (figura 3.2.9). apenas constitui um fator participante das condições Nessa situação, facilmente reconhecida na fotografia climáticas regionais, por isso a sua influência é aérea e mesmo no local, devido à feição retilínea relativa. Na qualidade, a influência da vegetação adquirida por trechos do rio ou riacho, segundo é ainda menor, pois somente em alguns casos, direções preferenciais, existe a condição de infiltração como em regiões encharcadas e ambiente redutor, 127 Cap_3.2_FFI.indd 7 9/12/2008 21:11:38 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados a vegetação pode acarretar má qualidade à água, os silicatos ferromagnesianos, processo esse que pelo excesso de matéria orgânica. Existe, ainda, alcança profundidades de até dezenas de metros, uma pequena parcela de contribuição das raízes das no que resulta a formação de espessas camadas de plantas nos processos de salinização, através de solo, denominadas de regolito ou eluvião, ou ainda, de trocas iônicas com os minerais das rochas, assunto manto de intemperismo. A existência de um regolito de esse que será abordado mais adiante. considerável espessura constitui uma importante fonte Infiltração de soluções e detritos - como de recarga das rochas fraturadas subjacentes, pois soluções, serão aqui consideradas apenas aquelas que atua como uma fonte de captação da água precipitada não possuem efeito salinizante, como as cloretadas, em toda a superfície permeável (ou semipermeável), carbonatadas ou sulfatadas, pois o efeito destas já diminuindo a perda por escoamento e evitando ou foi considerado, quando tratadas as influências da minimizando o processo de evaporação. Infelizmente, hidrografia e do relevo. As soluções com elevada nas regiões semi-áridas faltam as condições para concentração de sílica, associada ou não ao ferro, formação de regolito, sendo os solos, em geral, de podem produzir a cimentação total ou parcial das pequena espessura (no máximo 1 ou 2 metros), o fraturas, dizendo-se, nesse caso, que as fraturas se que torna a situação de armazenamento da água acham regeladas. Nesses casos, os reservatórios subterrânea ainda mais problemática. A importância hídricos ficam definitivamente comprometidos, desse fator pode ser ressaltada pelas diferentes vazões diminuindo ou, até mesmo, impermeabilizando apresentadas pelos poços localizados em áreas com totalmente o meio fissural, que se transforma num coberturas de regolito, como no Sul do Brasil, e as aqüífugo. Se,ao invés de substâncias dissolvidas, áreas praticamente sem coberturas do Nordeste semi- a água infiltrada carrear material detrítico, o efeito árido. Nas primeiras, as vazões médias são em torno resultante poderá ser uma obstrução apenas parcial de 5 vezes (podendo chegar até 10 vezes) as vazões do meio fissural, quando esses detritos são grosseiros médias das segundas. Quanto à influência do manto (fração areia) ou uma impermeabilização quase total de intemperismo na qualidade da água, é apenas se o detrito é fino (fração argila). Quanto à influência moderada e, de certo modo, indireta, pois se a existência na qualidade da água, é muito reduzida, pois apenas do manto decorre de maior umidade, que por sua vez a cimentação carbonática provoca uma elevação da acarreta maior precipitação, conseqüentemente, as dureza da água que, em geral, não a torna imprestável águas serão melhores, conforme já abordado. para os diversos usos a que se destina. Efeitos dos Fatores Endógenos Coberturas Alóctones e Autóctones - como coberturas, são incluídos os capeamentos procedentes Constituição litológica - poucos são os trabalhos de uma sedimentação de material estranho à rocha de pesquisa sobre a influência desse fator. No nível subjacente ou encoberta (cobertura alóctone) como nacional, pode ser citado o trabalho publicado por os depósitos de aluviões e coluviões, bem como os Costa (1965), sob o título “Análise dos fatores que materiais procedentes de processos de intemperismo influenciam na hidrogeologia do cristalino”. Nesse da própria rocha subjacente (cobertura autóctone). trabalho, realizado com base em 50 poços perfurados Estas últimas são as mais importantes, pois ocorrem na região Centro-Sul do estado da Paraíba, Costa (op. em áreas mais extensas. As coberturas alóctones cit ) concluiu que os gnaisses foram as rochas que independem das condições fisiográficas da própria apresentaram melhor vazão, com média de 4.400 L/h, área onde são depositadas, pois procedem de outras contra os 1.000 L/h de vazão média dos cataclasitos áreas, principalmente no caso de aluviões. No caso de e os 900 L/h de vazão média dos granitos. Um dado coluvião, a condição necessária é apenas topográfica, isolado, de apenas um poço, confere ao pegmatito a situando-se a área de recepção dos sedimentos, “boa” vazão de 6.500 L/h. Com relação à influência na base de elevações de onde procede a carga da rocha na qualidade química, o mesmo autor detrítica, movimentada, principalmente, pela ação da encontrou a média de resíduo seco mais baixa para gravidade (encostas instáveis, taludes fortes etc.). As os gnaisses, com 2.680 mg/L, contra 3.430 mg/L para coberturas autóctones estão diretamente relacionadas os cataclasitos e 5.220 mg/L para os granitos. Em às condições climáticas da região. Com efeito, o 1979, no Simpósio Nacional sobre Água Subterrânea intemperismo que representa os efeitos de meteorização em Rochas Fraturadas, realizado na Sudene, Costa atuantes na superfície das rochas, pode ser físico ou apresentou uma análise estatística simplificada sobre os químico, a depender do clima ser seco (quente ou parâmetros físicos e químicos de 274 poços localizados frio) ou úmido (quente ou frio). O intemperismo físico no alto Paraíba. As vazões obtidas por tipo de rocha, acarreta uma desintegração das partículas minerais da na ordem decrescente, é a que aparece na tabela 3.2.2 rocha, atuando somente a pequenas profundidades (no (entre parênteses, o número de amostras). máximo 20 cm), o que resulta na formação de solos Outras rochas foram também estudadas, porém o muito rasos. Ao contrário, o intemperismo químico atua número de amostras muito reduzido, não tornou seus por decomposição dos minerais instáveis, sobretudo valores médios representativos. A média geral de 128 Cap_3.2_FFI.indd 8 9/12/2008 21:11:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações vazão, para todos os tipos de rocha, foi de 2.873 L/h, e da vazão específica, de 460 L/h/m. Quanto à relação rocha Vazão Média (l/h) do tipo de rocha com a qualidade da água, Costa Gnaisses variados 3.820 (172) (1986) chegou aos resultados (valores médios) da tabela 3.2.3. Internacionalmente, podem ser citados os Hornblenda gnaisse 3.200 (8) mesmos trabalhos de Legrand (op.cit.) e Sever (op.cit.), Granito gnáissico 3.200 (26) principalmente o primeiro. Legrand analisou 490 poços Micaxisto c/granito 3.000 (20) de 3” de diâmetro e mais 189 poços com diâmetro igual ou superior a 5”. As vazões médias encontradas Micaxisto 2.500 (34) (com número de amostras entre parênteses) são Xistos verdes 1.800 (14) apresentadas na tabela 3.2.4. Sericita-xisto/ardósia 1.600 (15) O mesmo autor, analisando 282 poços nas regiões Média de todos os poços 3.320 (289) de Pittsylvania e Halifax, encontrou os resultados apresentados na tabela 3.2.5. A pesquisa de Sever Tabela 3.2.5 - Vazões por tipos de rocha (Legrand, 1959). (1964), em 50 poços na localidade de Dawson, não está muito representativa em termos de participação litológica, devido à divisão estabelecida em cinco zonas, todas decrescente. Essa relação entre o tipo de rocha e os com a participação de várias rochas, simultaneamente volumes de água acumulados em suas fraturas, não num mesmo poço. As pesquisas realizadas, tanto no é aleatória ou casual, pois, como será visto adiante, Brasil como no exterior, revelaram que os micaxistos a intensidade de fraturamento é maior nas rochas de são as rochas que proporcionam as melhores vazões, orientação planar (planos de xistosidade, de clivagem seguidos dos gnaisses, migmatitos e granitos em ordem etc.). Além da característica favorável de fraturamento, os micaxistos possuem, ainda, uma certa permeabilidade em função da xistosidade. Em compensação, os Vazão micaxistos foram as rochas que apresentaram o mais rocha Vazão (l/h) Específica elevado grau de salinização, seguidos dos migmatitos, (l/h/m) granitos e gnaisses. Micaxisto 3.240 (28) 738 (20) soluções Mineralizantes - quando as fraturas Gnaisse 3.060 (169) 511 (141) atingem grandes profundidades, sobretudo em regiões de instabilidade tectônica, ficam sujeitas ao Calcário crist. 2.700 (7) 421 (6) preenchimento de solutos mineralizantes a elevadas Migmatito 2.556 (17) 245 (15) temperaturas. Ao se resfriarem essas soluções, ocorre Granito 1.825 (39) 176 (29) a cristalização dos íons que se achavam dissolvidos, formando depósitos minerais que provocam o Tabela 3.2.2 - Vazões por tipos de rocha nos poços do alto Paraíba (Costa, 1979). regelamento das fraturas. A ocorrência desse fenômeno é pouco freqüente, não devendo ser levado em conta no embasamento cristalino brasileiro. rocha resíduo seco (mg/l) Estruturas geológicas - a análise estrutural que Gnaisse 4.182 (131) interessa à hidrogeologia, diz respeito, sobretudo, Granito 4.979 (26) ao fraturamento das rochas, e, secundariamente, ao Migmatito 6.079 (6) dobramento (fraturamento associado ao dobramento). Micaxisto 7.649 (15) Por outro lado, a análise estrutural pode ser abordada em várias escalas, conforme se acha apresentado Todas as rochas 4.677 (183) na tabela 3.2.6. Todos os resultados apresentados Tabela 3.2.3 - Qualidade da água por tipos de rocha (Costa, com os diferentes padrões adotados numa mesma 1979). área de estudo, deverão coincidir na interpretação de um determinado fenômeno, tanto na causa como Vazão (l/h) nos efeitos dela decorrente. A análise da mecânica rocha ∅ = 3" ∅ = 5” de deformação que ocorre, por exemplo, ao longo de uma grande falha, deverá revelar a mesma Micaxisto 4.980 (168) 7.080 (87) causa e os mesmos efeitos (direção e sentido de Granito 3.300 (234) 5.820 (88) maior deformação, direções de fendilhamentos Diorito 3.120 (69) 7.080 (11) associados etc.) quer o estudo seja procedido em Ardósia 2.400 (19) 9.480 (3) escala microscópica, quer em escala macroscópica (meso, macro ou megascópica). De um modo geral, Média 3.780 (490) 6.600 (189) a geologia estrutural pode ser divididada em três Tabela 3.2.4 - Vazões por tipos de rocha de acordo com os campos, considerando-se os quatro níveis de escalas diâmetros dos poços (Legrand, 1959). mencionados: 129 Cap_3.2_FFI.indd 9 9/12/2008 21:11:38 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados • petrofábrica - estuda as microestruturas dos 3.2.5 origem e Mecânica da defor- minerais e das rochas; mação ruptural • geoestrutural - estuda as estruturas macroscópicas em escala de afloramento (inclui a meso e a Condicionantes Intervenientes na deformação macroestrutural). dos Maciços rochosos • geotectônica - estuda as megaestruturas. Um meio rochoso, como qualquer meio sólido Neste texto, serão abordados apenas os aspectos descontínuo, está sujeito a diferentes tipos de deformações, ligados à geoestrutural, baseados na mecânica das rochas (item 3.2.5). Apesar da elevada influência que representa em função de suas características elásticas e mecânicas para a potencialidade hídrica subterrânea das rochas e do estado de tensões a que está submetido. cristalinas, a estrutura não tem sido muito relacionada Na evolução geológica por que passa um determinado às vazões dos poços nas pesquisas realizadas, inclusive maciço rochoso, esses fatores são extremamente no nível internacional. Um dos poucos trabalhos que condicionados pela variação de profundidade. Assim se conhece, com análise de resultados, é o de Costa é que, a grandes profundidades, predominam os (1965), em que é apresentado, na tabela 3.2.7, uma elevados estados de tensões compressivas e as altas relação entre a vazão, o resíduo seco e o tipo de fratura deformações por dobramentos e recristalizações de (classificação geométrica). Os valores apresentados minerais, sem, contudo, desenvolver a deformação para as fraturas dos tipos ortogonal e longitudinal não ruptural. Já em pequenas profundidades, é menor são representativos, devido ao reduzido número de o efeito da temperatura sobre as características amostras utilizado. Constata-se que a fratura do tipo mecânicas da rocha e o estado de tensões é dos transversal é a que proporciona melhores condições de mais variados, permitindo a deformação ruptural dos armazenamento e, em função de uma melhor condição maciços rochosos em diferentes estilos e direções. de percolação, também uma melhor qualidade da água. A deformação que envolve a plastificação dos As razões desse melhor condicionamento estrutural serão maciços rochosos sem chegar a romper, somente piora analisadas com maior detalhe no tópico que se segue, as condições de permeabilidade desses maciços, já onde será estabelecida uma relação entre o mecanismo que a recristalização reduz sua porosidade intersticial. de deformação e o esforço atuante. Por esse motivo, não será abordado aqui esse tipo de deformação. Escala de Características do Estudo Estudo Mecanismo da deformação ruptural Análise das estruturas em escala microscópica, A análise da deformação ruptural, que possa ser Micro-Estrutural estudadas em lâminas de rocha, ao microscópico petrográfico. adaptada às condições geológicas, deve considerar, em Análise das estruturas em escala macroscópica, princípio, que o meio a se deformar é quase homogêneo, estudadas em amostras de mão, com ou contínuo e isotrópico. Nessas condições, serão analisados Meso-Estrutural sem auxílio de lupa de bolso, podendo ser os diferentes tipos de rupturas ocorrentes, em função correlacionadas entre si, dentro de um mesmo afloramento. dos vários estados de tensões que podem solicitar um Análise das estruturas em escala macroscópica, corpo. Em princípio, podem ocorrer tensões normais estudadas ao longo de um afloramento (s) às faces do corpo, puramente compressivas (figura Macro-Estrutural rochoso, sem auxílio da lupa, podendo ser 3.210a) ou puramente tracionais (figura 3.2.10b). Em correlacionadas entre um afloramento e ambos os casos, desenvolvem-se tensões tangenciais outro. ou de cisalhamento (t), conforme indicadas na figura Análise das estruturas em escala macroscópica, Mega-Estrutural estudadas num contexto regional, como um 3.2.10. Pode, ainda, estar o corpo submetido a tensões geossinclinal, um cráton, uma bacia etc. normais compressivas em determinada direção e tracionais em outra, o que não altera a distribuição demonstrada nas Tabela 3.2.6 - Escalas de estudo das estruturas rochosas. figuras 3.2.10 (a e b) para as tensões tangenciais. Na análise de ruptura, apenas interessa conhecer a diferença entre No Prof. Vazão rs as tensões normais máxima (s1) e mínima (s3), pois a Tipo de Fratura Poços (M) (l/H) (Mg/l) tensão normal intermediária (s2) jamais interferirá na Transversal 23 44 5.140 2.090 ruptura, conforme mostra o gráfico de Mohr da figura Angular 24 52 2.580 3.970 3.2.11, segundo Zienkiewicz & Stagg (1968). Nessas circunstâncias, toda a análise de ruptura Ortogonal 2 55 220 9.470 será desenvolvida, ao longo do plano que contém Longitudinal 1 30 4.400 1.210 as tensões normais s1 e s3 (esquema bidimensional) Média geral 50 48 3.700 3.160 e que corresponde ao plano mostrado em tracejado Tabela 3.2.7 - Relação dos tipos de estrutura com a poten- nas figuras 3.2.10a e 3.2.10b, considerando que essas cialidade e qualidade da água no poço (Costa, 1965). tensões estejam ocorrendo nas direções x e z. 130 Cap_3.2_FFI.indd 10 9/12/2008 21:11:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Voltando ao estado uniaxial compressivo, se a tensão st for inferior à resistência mt, não ocorrerá ruptura por tração, podendo, então, ocorrer ruptura por cisalhamento ou, simplesmente, não haver qualquer tipo de ruptura. Para que haja a ruptura por cisalhamento, é necessário que a tensão de cisalhamento (t), gerada pela compressão, seja superior à resistência ao cisalhamento do corpo (mS) e nesse caso, a ruptura ocorrerá segundo um dos dois (ou ambos) planos inclinados representados na figura 3.2.13, e de acordo com o esquema mostrado pelo gráfico de Mohr dessa mesma figura. No estado de tensões triaxial compressivo, as tensões s2 e s3 vão reforçar a resistência à tração do corpo e, por isso, é difícil ocorrer a ruptura por tração, a não ser em casos onde a tensão mínima é muito pequena e a resistência à tração muito baixa. Em geral, ocorre para esse estado de tensões, a ruptura por cisalhamento, conforme os esquemas da figura 3.2.14. Figura 3.2.10 - Esquema de tensões aplicadas a um corpo: (a) as tensões normais (s) são compressivas; (b) as tensões são tracionais. Desenvolvem-se ainda, em ambos os casos, as tensões tangenciais (t) ou de cisalhamento. Figura 3.2.12 - Tensões de tração (st) desenvolvidas num Figura 3.2.11 - Gráfico de Mohr, mostrando que a envoltória corpo submetido à compressão: (a) estado de tensões uni- de ruptura apenas tangencia o círculo de raio (s - s )/2 axial; (b) estado de tensões misto, com s1 de compressão 1 3 (Zienkiewicz & Stagg, 1968). e s3 de tração (Jaeger & Cook, 1968). No estado de tensões uniaxial (s2 = s3 = 0) de compressão, desenvolvem-se, no corpo comprimido, tensões de tração (st) no sentido transversal à tensão de compressão, conforme mostra a figura 3.2.12a. Se essas tensões tracionais geradas ultrapassarem a resistência à tração do corpo (St), ocorrerá a ruptura por tração, ao longo do plano perpendicular às tensões de tração geradas, de acordo com o esquema de ruptura representado pelo gráfico de Mohr da figura 3.2.12a. A figura 3.2.12b mostra o mesmo tipo de ruptura, para o estado de tensões mista, em que s1 é de compressão e s3 é de tração, sendo que, nesse caso, é iminente a ruptura de tração, pois a tensão st, acrescida Figura 3.2.13 - Desenvolvimento de rupturas por cisal- de s3 é sempre superior à resistência à tração do corpo, hamento quando a tensão de cisalhamento ultrapassa a st (Jaeger & Cook, 1968). resistência de cisalhamento. 131 Cap_3.2_FFI.indd 11 9/12/2008 21:11:38 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados A inclinação do plano de ruptura por cisalhamento, ser analisados são as descontinuidades intrínsecas do com relação ao maior esforço, depende do ângulo maciço rochoso, além dos processos dinâmicos externos de atrito do corpo - q (teoria de Coulomb & Navier, e internos que ocorrem na crosta terrestre. Essa análise, citada por Obert & Duval, 1967). Esquematizando a apresentada com detalhe no capítulo anterior, será aqui distribuição de tensões geradas por s1 em relação a reforçada, em função de sua grande importância para um dos planos de cisalhamento mostrados na figura a compreensão do problema de armazenamento de 3.2.14, pode-se observar, através do gráfico de Mohr água que será abordado no item 3.2.5. (figura 3.2.15), que o ângulo a em questão, é expresso Estado de Tensões Tectônicas - as tensões pela seguinte equação: tectônicas atuam no sentido tangencial à crosta a = 45o - q/2 (3.2.1) terrestre, em suas camadas ou geosferas mais profundas. Assim, quando um maciço rochoso está Análise da deformação ruptural na geologia sujeito a essa condição, o seu estado de tensões pode ser definido por um dos dois elipsóides de As deformações rupturais que ocorrem no campo tensões mostrados na figura 3.2.16. Os fatores que geológico têm mecanismos similares aos expostos no irão condicionar um desses dois tipos de estado item anterior (ver também o capítulo 3.1). Importa, todavia, de tensões são: peso do recobrimento rochoso, em analisar, a influência exercida pelos diferentes estados de função da profundidade em que ocorre o fenômeno tensões atuantes, onde assumem particular importância e estado de confinamento lateral a que está sujeito o as de origem tectônica, além das características elásticas maciço ao se deformar. Predominando o estado de e de resistência das rochas. Outros fatores que merecem tensões mostrado na figura 3.2.16a, as deformações rupturais ocorrem segundo os planos indicados na figura 3.2.17. Nesses casos, a ruptura ocorre por cisalhamento e seus planos correspondem ao tipo k01 de Sander (1948) descritos por Larsson (1967, 1968, 1977), porém, limitados àqueles de fraca inclinação, pois o ângulo de mergulho desses planos rupturais (interseção com o plano horizontal) corresponde ao ângulo a definido na figura 3.2.15. Pela equação (3.2.1), esse ângulo é função do ângulo de atrito f do maciço rochoso. Considerando que f varia entre 30o e 60o para os diferentes tipos de rocha (Rzhewsky & Novik, 1971), conclui-se que o ângulo a deve variar entre 15o e 30o. Quando o estado de tensões existente corresponder ao Figura 3.2.14 - Planos de ruptura por cisalhamento, desen- volvidos no estado de tensões triaxial compressivo. Variação mostrado na figura 3.2.16b, as deformações rupturais apenas no Gráfico de Mohr. serão do tipo indicado na figura 3.2.18. Nesse caso, os planos de ruptura são sempre verticais, podendo Figura 3.2.16 - Elipsóides de tensões tectônicas: (a) a menor tensão (s3) está na vertical; (b) s3 está na horizontal. A maior Figura 3.2.15 - Relação entre o ângulo de inclinação do plano tensão (s1) é sempre na horizontal. Em ambos os casos irá de ruptura por cisalhamento (a) e o ângulo de atrito (q). s é ocorrer fraturamento por cisalhamento, segundo direções q a tensão normal que atua sobre o plano de ruptura. diferentes. 132 Cap_3.2_FFI.indd 12 9/12/2008 21:11:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ocorrer dois tipos de ruptura: por cisalhamento e por deformação por dobramento. Considerando uma tração. Se a tensão t3, acrescida da resistência à tração camada de competência média a alta, sendo da rocha, for superior a st gerada por s1 (caso mais comprimida horizontalmente, em condições que freqüente, predominará a ruptura por cisalhamento, propiciem um dobramento acompanhado de rupturas, com planos verticais formando um ângulo máximo de deve ser levado em conta que o dobramento gera 60o entre si (2a), com s1 em sua bissetriz. Esses planos tensões secundárias importantes, que diferem ao correspondem aos hk0 de Sander, conforme mostrado longo da espessura da camada dobrada. Como na figura 3.2.18. Desde que st suplante a resistência é mostrado na figura 3.2.19, desenvolvem-se à tração acrescida de s3, ocorrerá a ruptura por tensões de tração (st) na parte externa da dobra e tração, segundo planos verticais paralelos a s1, e que de compressão (sc) na parte interna. As primeiras, correspondem ao plano ac de Sander (figura 3.2.18). criam rupturas por tração, cujos planos são paralelos É importante observar que, por sua própria gênese, ao eixo do dobramento, enquanto a compressão os planos de ruptura por tração tendem a ser abertos, geralmente deforma a parte interna de dobras por enquanto os de cisalhamento são fechados. enrugamento ou por esmagamento. Esse novo tipo Finalmente, deve ser analisada a situação geológica de ruptura de tração ocorre perpendicularmente à em que a deformação ruptural está associada à superfície da camada dobrada. Assim, nas dobras simétricas, como a mostrada na figura 3.2.19, a ruptura mais central corresponde ao plano axial e contém a crista da dobra, sendo, portanto, um plano vertical, correspondente ao plano bc de Sander. Os demais planos desse tipo de ruptura, apresentam ligeira inclinação em direção ao centro de curvatura da dobra, sendo tal inclinação indicada no estereograma da figura 3.2.19, onde tais planos aparecem como meridianos próximos ao centro. Características Físicas das rochas - embora a ruptura dos maciços rochosos seja fundamentalmente dependente do estado de tensões atuante sobre as mesmas, há de considerar-se a importância das características físicas da rocha no comportamento ruptural desses maciços. A primeira influência já foi citada e refere-se ao ângulo de atrito (q), responsável pelas Figura 3.2.17 - (a) Planos h0l em que ocorrem as fraturas relações geométricas entre os planos de cisalhamento de cisalhamento em função de tensões atuantes conforme e as tensões atuantes. Esse parâmetro é uma parcela a figura 3.2.16 a. (b) Representação dos planos em da resistência ao cisalhamento (m ) que depende da estereograma (Sander, 1948). Sseguinte equação: Figura 3.2.19 - Fraturamento em dobras de grande raio de curvatura. A fratura mais central coincide com o plano axial e Figura 3.2.18 - (a) Quando o estado de tensões atuante contém a crista da dobra (fratura bc de Sander). As demais corresponde ao da figura 3.216b, podem desenvolver-se desse tipo (paralelas a bc) apresentam ligeiro mergulho para fraturas de cisalhamento (hk0 de Sander) ou de tração (ac). o centro da dobra. Os demais tipos (ac e hk0) já foram vistos (b) Representação em estereograma. anteriormente. 133 Cap_3.2_FFI.indd 13 9/12/2008 21:11:38 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados g = (I.DH / (v2/2g)t = c + s tg q (3.2.2) • as rochas pouco ou não orientadas, com predomínio de minerais resistentes, apresentam O segundo membro da equação (3.2.2) corresponde geralmente uma baixa freqüência de rupturas, a mS, que deverá ser igual ou maior que t, para que todavia, são mais abertos os planos de fraturas não haja ruptura. Dessa equação do equilíbrio de originados por tração; cisalhamento, os elementos t e s, dependem do estado de • nas rochas metamórficas orientadas, quanto mais tensões atuantes, conforme foi mostrado na figura 3.2.15. baixo o grau de metamorfismo, menor é a resistência Todavia, os parâmetros c (coesão) e q (ângulo de atrito) ao cisalhamento e mais elevada é a energia de são intrínsecos da rocha e definem a sua resistência deformação acumulada, aumentando a intensidade à ruptura por cisalhamento. Assim, quanto maior for o de ruptura por cisalhamento. Todavia, as rupturas valor desses parâmetros, mais intensivo necessitará por tração apresentam planos quase tão fechados ser o estado de tensões, para provocar a ruptura por quanto os de cisalhamento. cisalhamento, e menor será o ângulo a1 entre s1 e o plano de ruptura. Outra característica física da rocha, descontinuidades Intrínsecas do Maciço que influi na ruptura, é o seu módulo de elasticidade rochoso - quando um maciço rochoso orientado (E), como se pode deduzir da expressão: (ex. estratificado) é tensionado, nem sempre as rupturas obedecem aos modelos ilustrados na s = E e (3.2.3) figura 3.2.16, porém, tal fato em nada invalida os princípios demonstrados no item 3.2.4 (Mecanismo de sendo, s a tensão aplicada, E o módulo de elasticidade Deformação Ruptural), para explicar o mecanismo dos e e a deformação sofrida. diferentes tipos de ruptura. Acontece que os parâmetros Pela equação (3.2.3) constata-se (Price, 1959) físicos que comandam a amplitude da ruptura e o que quanto maior for o módulo E de uma rocha, mais posicionamento dos planos de quebramento, dentre os intensas serão as tensões necessárias para produzir quais se destaca o ângulo de atrito, não são uniformes uma mesma deformação. Disso resulta que as tensões ao longo de toda a rocha, sendo mais influentes para de tração (st) geradas pelo esforço compressivo a ruptura, aqueles correspondentes aos minerais mais (figuras 3.2.12, 3.2.18 e 3.2.19) serão bem maiores fracos ou aos planos de descontinuidade já existentes. nas rochas de maior módulo de elasticidade, ou seja, Assim, a menos que tenha havido uma cimentação nas rochas mais resistentes, propiciando uma maior secundária, ao longo de um plano preexistente de abertura entre os planos de ruptura por tração. descontinuidade, como de xistosidade, estratificação, O módulo de elasticidade (E) influi, ainda, na ou qualquer outra orientação de minerais (principalmente deformação. Segundo Price (op.cit.), a intensidade placosos), esses planos possuirão parâmetros físicos de fraturamento de um maciço rochoso depende da de resistência e elasticidade bastante inferiores energia de deformação w, acumulada nesse maciço aos do restante da rocha. Nessas condições, será e que é definida pela equação: preponderante a influência desses planos de fraqueza na ruptura da rocha e, conseqüentemente, será de s2 grande relevância a relação existente entre a orientação w = (3.2.4) 2Ε do plano de descontinuidade e os esforços aplicados. Segundo a equação (3.2.1), o ângulo a, entre o plano Nessas condições, é maior a freqüência de planos de ruptura por cisalhamento e a tensão compressiva de ruptura, nas rochas de mais baixo módulo E. atuante, é no máximo igual a 30o, supondo ângulos Analisando-se todas as influências das características de atrito das rochas no intervalo 30o =< q <= 60o. A físicas das rochas em sua deformação ruptural e experiência todavia, tem demonstrado (Ragan, 1968) levando-se em consideração as propriedades litológicas, que esse ângulo pode chegar a 60o, dependendo da conseqüentes da composição mineralógica e do tipo de influência das descontinuidades do maciço. textura, pode-se chegar às seguintes constatações: Processos dinâmicos da Crosta Terrestre - a • o comportamento estrutural de uma rocha ao ser evolução tectônica por que tem passado a crosta terrestre tensionada, depende das proporções existentes envolveu uma contínua transformação de materiais, que entre os minerais de resistências diferentes; assumiram aspectos líticos e estruturais variados, por • os minerais granulares e isentos de planos de conta dos diferentes processos a que foram submetidos, clivagem, como o quartzo, são os mais resistentes na complexa dinâmica em que ocorreu a formação ao cisalhamento e possuem maior módulo E. Os dessa crosta. Assim é que muitos sedimentos foram minerais placosos são menos resistentes e de mais afundados, através das grandes bacias geossinclinais, baixo módulo E; passando seus materiais, das condições reinantes na • quanto mais fina a textura da rocha, maior será a sua superfície, para as elevadas pressões e temperaturas resistência, pois será menor a influência dos planos reinantes nos processos orogenéticos desenvolvidos de clivagem dos cristais mais desenvolvidos (ex. em profundidade. Por outro lado, os movimentos feldspatos); epirogenéticos causaram o levantamento de extensos 134 Cap_3.2_FFI.indd 14 9/12/2008 21:11:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações blocos e o afundamento de outros, numa constante op.cit., para explicar a origem dos falhamentos da troca de ambientes para esses materiais. De todas serra do Mar). O esquema dessa deformação ruptural essas relações entre processos dinâmicos de origem corresponde ao apresentado na figura 3.3.22. Nesses tectônica e isostática, ressalta-se uma situação que casos, embora a ruptura tenha sido originada por tração, muito tem influído na caracterização da deformação os planos encontram-se pouco abertos a fechados, pois o ruptural dos maciços rochosos. Refere-se ao processo comportamento de deslocamento dos blocos fraturados de epirogênese positiva em uma região da crosta é análogo ao de ruptura por cisalhamento, podendo anteriormente afetada por processos orogenéticos. inclusive, dar origem a slickensides. Durante a orogênese, elevadas tensões tectônicas ficaram confinadas no maciço formado, no plano tangencial à crosta, porém, em profundidade. Evidentemente, as maiores tensões acumularam-se perpendicularmente à xistosidade imposta à rocha formada (Costa, 1972). Quando esse maciço for soerguido até a superfície da crosta pela epirogênese, passará a ocupar um maior espaço lateral, pois a circunferência da Terra vai aumentando o seu raio de curvatura de dentro para fora, conforme mostra a figura 3.2.20. Quando o bloco ABCD subiu da posição 1 para 2, houve um acréscimo lateral de espaço correspondente a DL e, nessas condições, as tensões de compressão que estavam confinadas nesse bloco, na posição 1, foram liberadas, quando o bloco atingiu a posição 2, passando a funcionar nessa posição na forma de tração. Como resultado, surgem fissuras de tração, perpendiculares a essa nova tensão e, portanto, paralelas aos planos de xistosidade dessa rocha, Figura 3.2.21 - Fraturas longitudinais desenvolvidas ao longo conforme ilustra a figura 3.2.21. Essas fissuras são dos planos de xistosidade. chamadas de longitudinais (classificação geométrica), por serem dispostas paralelamente à xistosidade, porém, possuem seus planos geralmente abertos, por resultarem de tensões tracionais. Costa (op.cit.) mostrou que, freqüentemente, esses blocos do maciço rochoso ao sofrerem ruptura por tração na parte mais superficial da crosta, são deslocados pelo efeito do seu próprio peso e, nesses casos, tudo se passa como se a maior tensão compressiva estivesse na vertical, produzindo falhas de gravidade (teoria de Costa, Figura 3.2.22 - Esquema ilustrativo de um falhamento de gravidade produzido por um esforço tracional próximo Figura 3.2.20 - Subida de bloco continental por epirogênese à superfície. Tudo se passa como se a maior tensão positiva. compressiva estivesse na vertical (Costa, 1972). 135 Cap_3.2_FFI.indd 15 9/12/2008 21:11:39 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados Processos Físicos Externos à Crosta - um outro Esse modelo é reproduzido na figura 3.2.24, porém tipo de ruptura de meios rochosos, conseqüente complementado pelos gráficos explicativos para de alívio de tensões, ocorre relacionado com os analisar os diferentes estados de tensões, que processos externos de modelagem da crosta terrestre, deram origem a tais rupturas. A numeração das através da erosão (processo atectônico). Quando fraturas apresentadas não consta do modelo original, o maciço rochoso se encontra na proximidade da tendo sido usada para possibilitar a análise de tensões superfície terrestre, a tensão s3 é muito baixa e presentemente procedida. corresponde ao peso do recobrimento existente sobre o maciço considerado. Se esse recobrimento for retirado, pelo efeito da erosão, a tensão s3 que anteriormente era compressiva, torna-se aliviada pela falta do material retirado, transformando-se numa tensão de tração, de forma análoga ao explicado na figura 3.2.20. Em conseqüência, aparecem planos de ruptura perpendiculares à tensão de tração surgida e como a mesma é perpendicular à superfície de erosão, aquelas rupturas ocorrem sempre paralelamente à superfície topográfica. São as denominadas sheet joints ou juntas de descompressão. Sua abertura depende da espessura de material rochoso que ainda se mantém acima do plano de ruptura, mas, em geral, são bem abertas, pois uma vez quebradas pela tensão tracional supra descrita, não voltam mais a se unir (os blocos afastados ou abertos) devido às irregularidades do plano de ruptura. A figura 3.2.23 mostra como aparecem essas juntas e como se justificam pelo gráfico de Mohr. Modelo de deformação Integrada - os vários tipos de deformação ruptural, analisados nos itens precedentes, podem apresentar-se em todo ou parcialmente agrupados, em uma mesma região, dependendo da variação no estado de tensões sofrida pelo maciço rochoso local, durante a sua evolução geológica. O modelo de deformação integrada de Larsson (1977) visa analisar um conjunto de diferentes rupturas presentes em uma mesma região, como base para aplicação desses conceitos à hidrogeologia do cristalino. Figura.3.2.24 - Modelo de deformação integrada. Num mesmo bloco rochoso, acham-se representados vários tipos de fraturas originadas de diferentes estados de tensão. Figura 3.2.23 - Esquema da formação das juntas de As fraturas F1, F1’, F6 e F7 são de tração enquanto que F2, descompressão ou sheets joints. Pela erosão a tensão F3, F4 e F5 são de cisalhamento. A fratura F1 é preenchida s passa de compressiva para tracional, acarretando o por material permeável, enquanto que F1’ é preenchida por 3 fendilhamento paralelo à superfície topográfica. material impermeável (modificado de Larsson, 1977). 136 Cap_3.2_FFI.indd 16 9/12/2008 21:11:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 3.2.6 Fluxo em Meio Fissurado domínio 1 - Regime laminar em sistema hidraulicamente liso (l = f(Re)): leis de Escoamento e regimes de Escoamento numa Fratura v = Kf if (3.2.5) O fluxo através de uma fratura obedece a leis de onde, v é a velocidade de escoamento (laminar), Kf é escoamento que, por sua vez, são função do regime a condutividade hidráulica da fratura e if é o gradiente de escoamento a que está submetida a fratura. A hidráulico atuando no plano da fratura. rugosidade das paredes da fratura constitui um Segundo Louis (1974): dos principais fatores, pois irá exercer uma grande influência sobre o coeficiente de atrito (l). Assim é que Kf = C a 2 (3.2.6) serão considerados na análise do fluxo apresentada a seguir, três casos distintos, que são definidos pela C = g / 12 u (3.2.7) rugosidade relativa: • Fratura plana polida - rugosidade relativa A equação (3.2.5) pode então ser escrita como: (e=ℜ/DH < 0,033); v = (g / 12 u) a2 if (3.2.8) • Fratura plana rugosa - rugosidade relativa (e=ℜ/DH > 0,033); e O diâmetro hidráulico é igual ao dobro da abertura de uma fratura, a partir do conhecimento da relação • Fratura ondulada rugosa - escoamento influenciado entre o raio hidráulico e o diâmetro hidráulico: pela micro e macrorrugosidade. 2 O valor da rugosidade relativa (e) foi definido RH = S/P = (pDH /4)/pDH = DH/4 (3.2.9) pela primeira vez para fluxo em fraturas por Lomize e corresponde ao valor limite para o qual o fluxo deixa de ser DH = 4RH = 4(aL / 2L) = 2a (3.2.10) paralelo e começam a vigorar novas leis de escoamento. Será vista, a seguir, uma análise matemática elementar onde, rH é o raio hidráulico, dH é o diâmetro hidráulico, para cada caso supradescrito, tomando por base, s é a área da seção perpendicular ao escoamento, P principalmente, o coeficiente de atrito. é o perímetro molhado, a é a abertura da fissura e l é a largura de escoamento. Escoamento Paralelo: Fratura Plana Polida Na expressão que representaria o perímetro molhado, (P = 2L + a), foi desprezado o valor de a, por ser O coeficiente de atrito (l), depende do número muitas vezes inferior ao valor de l (ou seja L >> a). de Reynolds (Re) e da rugosidade relativa (e), de Substituindo o valor de a pelo equivalente dH/2, na acordo com as experiências de Nikuradse (Costa, equação (3.2.8): 1986). Igualmente em função das experiências de Nikuradse, podem ser distinguidas as leis a seguir v = (g / 12 u)(DH2 / 4)i 2 descritas (figura 3.2.25). f = (2g DH if) / (96 u) (3.2.11) Figura 3.2.25 - Leis e regimes de escoamento numa fratura (Louis, 1974). 137 Cap_3.2_FFI.indd 17 9/12/2008 21:11:39 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados De onde se tira o valor de if: Condutividade Abertura - a Permeabilidade - k if = (96 u v) / (2g DH 2) (3.2.12) Hidráulica - K (mm) (darcy) (m/s) Considerando o valor de RE = (v DH)/ u , vem: 0,001 ≈ 10-1 ≈ 10-6 if = (96 v 2) / (Re 2g DH) (3.2.13) 0,1 ≈ 103 ≈ 10-2 A expressão 3.2.13 corresponde à lei de escoamento 1 ≈ 105 ≈ 1 em regime laminar de um fluido viscoso incompressível, entre dois planos paralelos, segundo experiência de Tabela 3.2.8 - Relação Abertura/Permeabilidade de uma Hele-Shaw (Louis, 1974). Esta relação é semelhante fratura (Braester, 1977). à relação entre as mesmas propriedades hidráulicas “Não existe um tratamento analítico satisfatório para de fluxo através de tubos, em regime laminar: o problema, devido à grande quantidade de fatores if = (64 v 2) / (Re 2g DH) (3.2.14) aleatórios que intervêm no fluxo. O problema é bastante complexo e as fórmulas empregadas são quase todas A relação 96/Re da equação (3.2.13), ou 64/Re da empíricas. Em vista do caráter universal das leis de equação (3.2.14), corresponde ao coeficiente de atrito l escoamento, confirmado por inúmeras experiências ( ), como será demonstrado a seguir. De (3.2.14) o l utilizando modelos, desde que se tome por comprimento valor de em função de i, será dado por: característico o diâmetro hidráulico do conduto, l = (i DH) / (v2/2g) (3.2.15) podemos considerar que numa fratura, os resultados estabelecidos para condutos circulares são aplicáveis, Da equação (3.2.13), vem: considerando a seção transversal da fratura por meio do diâmetro hidráulico”, definido segundo a relação (3.2.10) (if DH) / (v 2/2g) = 96/Re (3.2.16) (Quadros, 1977). Em regime turbulento (domínios 2, 3 e 4) os valores do coeficiente de atrito (i), são Comparando (3.2.15) e (3.2.16) resulta em: determinados experimentalmente. Na figura 3.2.26, é l = 96/Re (3.2.17) apresentado um gráfico, transposto de Braester (op. cit.) no qual são representados os experimentos de Considerando as equações (3.2.16) e (3.2.17), o Louis, Blasius e Nikuradse. Observa-se que o limite valor de K da equação (3.2.6) passará a ser: entre os regimes laminar e turbulento, expresso f através do número de Reynolds, foi determinado Kf = (g a 2) /(12 m) (3.2.18) para Re = 2.300. Duas expressões analíticas são 3 apresentadas para configurar o coeficiente de atrito Como na água, g = 1 g/cm , e m = 1 cp, a equação no domínio 2: anterior fica reduzida à seguinte expressão: 2 i = 0,316 Re -1/4 (Blasius) (3.2.20) Kf = a /12 (3.2.19) Essa expressão que relaciona a condutividade 1 2,51 hidráulica de uma fratura com o quadrado da sua = −2log (Karman) (3.2.21)l Re l abertura, foi encontrada por Braester (1977), através da comparação entre a equação de Hele-Shaw e a equação de Darcy, levando em conta, ainda, a equação domínio 3 - Regime turbulento em sistema da conservação da massa. Nos exemplos citados por intermediário (l = f(Re, e)): corresponde a um sistema Braester (op.cit.), transcritos resumidamente na tabela de transição entre o sistema hidraulicamente liso e 3.2.8, pode-se visualizar melhor a grande influência o sistema completamente rugoso (figura 3.2.27). De que exerce na condutividade hidráulica, a abertura de acordo com as experiências de Nikuradse, o coeficiente uma fratura. de atrito l é influenciado simultaneamente pelo número de Reynolds e pela rugosidade relativa e. Para este domínio 2 - Regime turbulento em sistema domínio, é aplicável a equação de Colebrook e White: moderadamente liso (l = f(Re)): sendo a rugosidade muito pequena, considera-se que haja a formação de 1  2,51 k DH  uma camada de líquido junto às paredes da fratura, de = −2log  +  (3.2.22)l Re l 3,7 espessura suficiente para encobrir todas as asperezas   (da ordem de microns). Assim, a rugosidade não influi em i e, portanto, o sistema é hidraulicamente liso, domínio 4 - Regime turbulento em sistema dependendo, apenas, das propriedades físicas do completamente rugoso (l = f(e)): para valores muito fluido, de acordo com as experiências de Nikuradse. elevados de re e muito altos também de rugosidade 138 Cap_3.2_FFI.indd 18 9/12/2008 21:11:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 3.2.26 - O coeficiente de atrito (l) como uma função de re para fluxo através de fraturas (Louis, 1968). equação identifica-se com a de Nikuradse (3.2.23). Assim sendo, a equação (3.2.22) reflete claramente o caráter intermediário ou transitório, do domínio que ela representa. Louis (1968) apresenta um gráfico que simplifica bastante o problema de escoamento paralelo numa fratura, nos sistemas hidraulicamente liso, laminar e turbulento (domínios 1 e 2). A partir das equações (3.2.13) e (3.2.20), Louis elaborou um gráfico relacionando log if versus log re, tendo como parâmetro a determinar, a abertura (a) da fratura (figura 3.2.27). O limite entre os regimes laminar e turbulento é dado para Re = 2.300. De acordo com esse gráfico, pode-se saber imediatamente, para Figura 3.2.27 - Escoamento paralelo numa fratura. Escoamento laminar e turbulento em função de I e de Re (Louis, 1968). um dado gradiente i e um re, se o escoamento para f uma certa abertura a de uma fratura, é laminar ou turbulento. relativa (e), o coeficiente de atrito (l) depende Para o fluxo em regime turbulento (domínios 2, 3 e 4), a unicamente da rugosidade relativa e independe de velocidade representada pela equação (3.2.5), passa a ser: re. Nesse caso, o sistema é definido como sendo completamente rugoso, uma vez que o coeficiente de v = K’ af if (3.2.24)atrito depende inteiramente da altura das asperezas e independe das propriedades físicas do fluido. Neste onde, Kf’ é a condutividade hidráulica para turbulência, domínio, é aplicável a equação de Nikuradse: if é o gradiente de carga hidráulica na fratura, a é o grau de não linearidade (segundo Louis, a = 0,5 para fluxo 1 = − k DH2log turbulento em regime completamente rugoso e a = 1 (3.2.23) l 3,7 para fluxo laminar). Observa-se que para fraturas, quando r tende Escoamento não Paralelo: Fratura Plana para zero e o valor de r/dH é muito pequeno (fratura rugosa lisa), o segundo termo da equação (3.2.22) pode ser desprezado e a Lei de Colebrook identifica-se Igualmente ao tratamento propiciado para com a Lei de Karman (3.2.21). Igualmente, para re escoamento paralelo, serão aqui analisados os vários muito grande, o primeiro termo (entre parênteses) da domínios em que ocorre o escoamento não paralelo (o equação (3.2.22) pode ser desprezado e, então, esta esquema é o mesmo apresentado na figura 3.2.25). 139 Cap_3.2_FFI.indd 19 9/12/2008 21:11:39 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados domínio 1 - Regime laminar em sistema Escoamento não Paralelo: Fratura ondulada moderadamente liso (l = f(Re)): para o caso presente, o rugosa valor de C da equação de Louis tem o seguinte valor: Para este caso, a perda de carga é influenciada g C = tanto pela microrrugosidade (como nos dois casos u  + ( )1,512 1 8,8 R DH  (3.2.25) analisados), como pela macrorrugosidade (da ordem   de milímetros) representada pelas ondulações das paredes das fraturas. Lomize, apresenta praticamente o mesmo valor de C de Louis, divergindo apenas na constante 8,8, para A microrrugosidade (r) é intrínseca à natureza da a qual ele adota o valor de 17. A vazão Q, por unidade rocha, tendo sido já definida e analisada para o uso de largura da fratura é dada por: da fratura plana rugosa. A macrorrugosidade (ℜ) é definida pelo ângulo q e o comprimento li, conforme Q = Kf If a (3.2.26) pode ser visto nas figuras 3.2.28 e 3.2.29. A perda de carga total DH é composta pelas perdas Substituindo o valor de Kf, segundo a equação de carga HK, provocada pela mudança de direção no (3.2.6) de Louis, vem: escoamento (macrorrugosidade) e pelas perdas de Q = C a3 I (3.2.27) carga DHA, devidas ao atrito viscoso ao longo dos f trechos Ai-Aj. Esta equação é chamada de “Lei Cúbica” para fluxo numa fratura. Witherspoon (apud Quadros, 1977) DH = DHK + DHA (3.2.31) introduziu ainda um fator f, considerando os desvios das condições ideais assumidas na equação (3.2.6) Por sua vez, o gradiente hidráulico também será Assim, o valor de Q, passa a: função dessas mesmas componentes, ou seja: Q = (C/f) a3 If (3.2.28) if = iK + iA (3.2.32) Segundo Kozeny, as perdas de carga em cada Após citar os resultados obtidos por Room (1966), ponto de mudança de direção em um conduto, são que comprovou a validade da Lei Cúbica para fluxo expressas pela relação: laminar em fraturas de abertura até o limite de 0,2 m, por Sharp (1970) e Sharp & Maini (1972), também DH = z v2/2g (3.2.33) comprovando a validade desta lei, Witherspoon K (op. cit.) expôs os resultados das suas próprias onde, z é um coeficiente de perda de carga (coeficiente experiências. Nas suas investigações de laboratório, de atrito ou de resistência ao fluxo), que depende de re em fraturas de tensão induzidas artificialmente em e dos parâmetros geométricos do conduto (segundo amostras de granito, basalto e mármore, Witherspoon Louis, em geral z < 1,2). (op. cit.) usou fluxo radial e retilíneo e utilizou aberturas de fraturas variando de 250 até 4 mm, com esforço normal de 20 Mpa. O fator f adotado em função da redução aparente de fluxo, variou de 1,04 a 1,65. Com base nas investigações realizadas, concluiu esse autor, que “a Lei Cúbica é plenamente válida, independendo Figura 3.2.28 - Ilustração do conceito de macrorrugosi- do tipo de rocha”. dade (R) e microrugosidade (r) em fratura ondulada rugosa (Quadros, 1977). domínios 2, 3 e 4 - Regime turbulento em sistemas moderadamente liso, intermediário e rugoso: igualmente ao caso anterior (escoamento paralelo) o problema é bastante complexo, inexistindo um tratamento analítico satisfatório para o problema. A fórmula (3.2.23) de Nikuradse, é utilizada com variação na constante empírica 3,7, que passa a ser 1,9 ou 1,24, segundo Louis e Lomize, respectivamente: 1 = − R DH2log 1,9 (Louis) (3.2.29) l 1 R DH Figura 3.2.29 - Ilustração dos parâmetros de maior influência = −2,55log (Lomize) (3.2.30) l 1,24 para estudo da condutividade hidráulica de fraturas ondula- das rugosas (Quadros, 1977). 140 Cap_3.2_FFI.indd 20 9/12/2008 21:11:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Chamando de li o comprimento médio da projeção A condição de continuidade de pressão nos nós, sobre o eixo médio de escoamento X-X’, dos trechos isto é, sobre um circuito fechado, indica que a perda retilíneos Ai-Aj, obtém-se: de carga total será zero:  l DH  1 V2 L1i1 - L2i2 + L3i3 - L4i4 = 0 (3.2.38) I =  + z  (3.2.34)  cosq  DH 2g Equações similares serão escritas para um sistema  i completo de fraturas, obtendo-se um par de equações sendo: lineares, na forma de: l + z DH = l' n(3.2.35) cosq i ∑Qi = 0 para cada nó (3.2.39) i=1 onde, l’ é o coeficiente de perda de carga que atua no gradiente global. Assim, o gradiente hidráulico em n um conduto é expresso por: ∑ iIi = 0 para cada circuito fechado (3.2.40) i=1 = l ' V 2 I Uma abordagem mais detalhada sobre o fluxo em (3.2.36) DH 2g meios fissurados é apresentada no capítulo 6.5 desta publicação. Apesar da semelhança dessa equação com a equação do gradiente para uma fratura plana, aqui o coeficiente l’ 3.2.7 locação de Poços refere-se a duas parcelas de perda de carga, uma devida à mudança de direção do escoamento (correspondente, Elementos a Considerar na locação na teoria hidráulica, a joelhos ou cotovelos) e a outra é correspondente ao atrito viscoso que se desenvolve ao Apesar de serem muitos os fatores que influem longo dos trechos retilíneos Ai-Aj da fratura. na potencialidade hídrica de rochas fraturadas, bem como também na qualidade da água, conforme já Escoamento Através de um sistema de discutido anteriormente, nem todos devem ser levados Fissuras em consideração no ato da pesquisa para locação de poços. Assim, por exemplo, quando se necessita locar Se a geometria e as propriedades das fraturas um poço em determinada região, não adianta procurar relacionadas ao fluxo do sistema, isto é, os fatores uma melhor situação em função do clima, pois este é de fricção (ou coeficientes de atrito) de cada fratura de caráter regional e não pode ser evitado nem mudado individual são conhecidos, o problema do fluxo pode para efeito de uma melhor locação. O mesmo poder-se-ia dizer da vegetação em linhas gerais, pois a tendência ser resolvido pela prescrição das condições iniciais e maior ou menor de desenvolvimento da vegetação é de limites, de maneira similar àquela utilizada para uma igualmente de caráter fisiográfico. Apenas pode-se rede de tubos. Como resultado, uma computação dará a fazer uso de algumas espécies, conhecidas como distribuição e a descarga através das fraturas individuais. freatófitas, tais como o juazeiro, a aroeira, o angico, o Esses parâmetros desconhecidos serão obtidos de umbuzeiro, a quixabeira, dentre outras, para encontrar, equações expressando a conservação da massa nos com mais facilidade, as zonas possuidoras de águas a nós da rede (figura 3.2.30), como representado na pequenas profundidades. A presença de substâncias equação (3.2.37): preenchendo as fraturas, quer por infiltração superficial, Q1 + Q2 - Q3 - Q4 = 0 (3.2.37) quer por ascensão de soluções mineralizantes, também é muito difícil, em geral impossível, de ser detectada antes da perfuração do poço. Restam, então, o relevo e a hidrografia, como fatores exógenos, e a constituição litológica e a estrutura geológica, dentre os fatores endógenos. relevo - admite-se que o relevo desempenha um papel muito importante na potencialidade dos recursos hídricos subterrâneos das rochas fraturadas. Assim, devem ser evitados os topos das elevações colinosas e de divisores hidrográficos (interflúvios), que proporcionam as mais baixas vazões. Também os flancos das colinas ou vertentes dos vales, sobretudo nas porções mais superiores, devem ser evitadas. Finalmente, a situação mais adequada corresponde Figura 3.2.30 - Uma rede ideal de fraturas. às depressões abertas e vales fluviais. 141 Cap_3.2_FFI.indd 21 9/12/2008 21:11:39 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados Hidrografia - conquanto não existam dados Se a presença de cobertura apresenta uma estatísticos da influência da hidrografia, é notória a vantagem, por aumentar a área de recarga das sua participação tanto na potencialidade como na fraturas, possui o seu lado negativo, pois impede a qualidade da água. O binômio estrutura-hidrografia identificação das zonas mais fraturadas, o sentido desempenha o mais importante papel na problemática e intensidade do ângulo das fraturas, e sua relação de águas do cristalino, pois a associação das zonas com a lineação da rocha, a sua abertura e outras de fraturamento com a drenagem superficial, propicia características que ajudam na locação do poço. A as condições necessárias à infiltração e acumulação escolha de áreas com coberturas, em detrimento de da água nas fissuras do maciço rochoso. A locação outras sem cobertura, deve ser associada a outras do poço não pode ignorar essa associação sob pena características como: a constituição granulométrica da de atravessar fendas secas ou, simplesmente, não cobertura, evitando-se as coberturas síltico-argilosas; encontrar fendas, mesmo em presença de uma boa e o relevo, devendo-se evitar as coberturas situadas drenagem superficial. A partir desse contexto é que em formas topográficas colinosas ou alongadas foi adotado o termo de riacho-fenda, que consiste em (espigões, divisores de bacias hidrográficas etc.) ou, pesquisar as zonas retilíneas dos riachos, associando ainda, em bordas de elevações. No que se refere à essa feição linear à presença de fendas ou mesmo qualidade da água, a presença dessas coberturas falhas, afetando o maciço cristalino. Assim, a locação em áreas de climas áridos ou semi-áridos constitui, de um poço deve ser iniciada com a fotointerpretação em geral, um fator negativo, pois as elevadas taxas dos riachos-fenda de uma região, procurando-se, de evaporação acarretam a precipitação de sais nos evidentemente, identificar as direções estruturais de interstícios porosos dessas coberturas (constituindo quebramento do maciço rochoso. A seguir, procura- se, através de uma visita aos locais selecionados, até eflorescências), acarretando a salinização das caracterizar as feições importantes necessárias a futuras águas nelas infiltradas. Em regiões de clima uma boa locação do poço. Somente a visita ao local úmido com elevadas precipitações, ocorre uma permitirá uma correta locação do poço, pois nem lixiviação natural dos sais, não havendo problema de sempre é possível detectar na aerofoto a direção real e salinização para as águas que percolam na cobertura o sentido de mergulho das fraturas. Além de necessitar- com destino às fraturas do maciço rochoso. se conhecer o sentido de mergulho, a fim de definir Constituição litológica - conforme já analisado em qual lado do rio (ou riacho) deverá o poço ser no item 3.2.4, quanto mais competente a rocha, locado, deverá também ser conhecida a intensidade menor a intensidade de fraturamento, mas, em do mergulho, para determinar-se a distância que deve compensação, mais abertas são as fraturas nela ser tomada a partir do curso d’água. Quanto mais existentes. Também a orientação da rocha influi na forte for o mergulho da(s) fratura(s), mais próximo do sua potencialidade hídrica, pois nas rochas orientadas curso d’água deverá ficar o poço e, quanto mais fraco (ex. micaxistos) desenvolvem-se mais planos de esse mergulho, maior a distância a ser observada. fraturamento do que nas não orientadas (p. ex., Para mergulhos sub-verticais, o poço deverá ser granitos) e nas primeiras são melhores as condições perfurado junto à calha do rio. Há de considerar-se, quando a orientação é planar (paragnaisses, por ainda, o problema da qualidade. Quando a drenagem exemplo) do que linear (ortognaisse, por exemplo). superficial do rio principal for salinizada, como ocorre Por outro lado, a granulação dos cristais também com muitos rios do Nordeste do Brasil, deve-se evitar exerce influência, pois quanto maiores e mais locar o poço nas suas proximidades, pois as águas desenvolvidos (como no pegmatito), mais quebradiça infiltradas a partir da drenagem superficial já salinizada é a rocha, enquanto nas rochas de granulação fina tendem a aumentar os teores de sais. Nesses casos, (granito, por exemplo) a resistência ao quebramento deve-se procurar os rios ou riachos tributários e que é maior. Uma outra situação litológica favorável é a do não sejam salinizados. contato entre duas unidades petrográficas distintas, Coberturas diversas - as coberturas mais comuns são como seja, entre um granito e um gnaisse, ou entre as eluviões (ou regolito ou, ainda, manto de intemperismo) um migmatito e um micaxisto, dentre outros tipos. provenientes da desintegração ou decomposição da Considerando os principais tipos de rochas cristalinas rocha sem processo de transporte; as aluviões, que (ígneas), cristalofilianas (metamórficas orientadas) são depósitos oriundos da erosão fluvial; e as coluviões, e cornubianíticas (metamórficas não orientadas), a que são depósitos caídos pela ação da gravidade. relação decrescente de potencialidade (condições Todas as três são caracterizadas por possuírem, em de armazenamento em suas fraturas) é a que se geral, reduzida espessura, podendo as primeiras, em segue: região de clima úmido e com elevadas precipitações, alcançarem dezenas de metros de espessura. A • pegmatito; existência dessas coberturas, sobretudo quando • gnaisses, migmatitos (epibolíticos) quartzitos e predominantemente arenosas, constituem excelentes cataclasitos; veículos de realimentação indireta das fraturas. • micaxistos e calcário cristalino (mármores); 142 Cap_3.2_FFI.indd 22 9/12/2008 21:11:40 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • granitos, dioritos, sienitos, gabros, migmatitos A importância da intensidade do ângulo de mergulho homogêneos; dos flancos da dobra é também extensiva a toda e • ardósias, filito, sericita-xisto. qualquer superfície de descontinuidade, principalmente as fraturas e falhas. É claro que, quanto mais suave for Na figura 3.2.31, a situação mostrada em A a inclinação desses planos, maiores as possibilidades apresenta uma boa possibilidade de acumulação de obter-se água nos seus interstícios, pelo aumento do de água nas diáclases longitudinais e planos de número de fraturas interceptadas pelo poço. Admitindo estratificação ou de clivagem; em B, a situação é um mergulho constante de um conjunto de fraturas apenas regular e em C, a situação hidrogeológica é segundo uma só direção, vamos supor, para efeito de desfavorável. comparação, três situações distintas, com mergulhos Uma outra aplicação da associação dobramento- de 20o, 45o e 70o, supondo, ainda, que a intensidade diaclasamento é quando os eixos de dobras estão de fraturas seja a mesma nos três casos, ou seja, dispostos em leque. Nas proximidades do vértice do com afastamento de 1 m entre cada fratura. Observa- leque, as fraturas longitudinais são fechadas. Assim, se na figura 3.2.33 que na situação A, com fraturas na figura 3.2.32, a área (3) apresenta muito melhores mergulhando de 20 o, um poço interceptaria 6 (seis) condições de locação de poços do que a área (2), fraturas até a profundidade de 70 m. Na situação B, enquanto esta é melhor do que a área (1). com fraturamento mergulhando de 45 o, somente duas fraturas foram interceptadas (podendo chegar até 3, a depender do local do poço). Na situação C, com fraturamentos de 70o de mergulho, apenas uma fratura foi interceptada, podendo, inclusive, não interceptar nenhuma, a depender do local do poço. Quanto à influência do tipo de rocha na qualidade da água, embora ainda não comprovada, existem trabalhos que relacionam a salinização com a rocha. Segundo seus autores, os micaxistos, por exemplo, são os maiores responsáveis pela salinização, seguidos, em ordem decrescente, pelos migmatitos, granitos e gnaisses. Figura 3.2.31 - Diferentes situações de mergulho de planos de xistosidade. Figura 3.2.33 - Relação do ângulo de mergulho de fraturas Figura 3.2.32 - Disposição em leque dos eixos de dobras. com a interseção de fraturas pelo poço. 143 Cap_3.2_FFI.indd 23 9/12/2008 21:11:40 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados Estruturas geológicas - conforme já visto, é o fator A associação do diaclasamento com o dobramento mais importante no problema de potencialidade da e as descontinuidades desempenha importante papel na água subterrânea em rochas fraturadas. As principais locação do poço. Assim, as estruturas dobradas decorrentes estruturas favoráveis à infiltração e acumulação são de esforços compressivos de elevada intensidade, as falhas, fraturas, juntas de origens diversas e planos acarretando mergulhos dos flancos das rochas, com de xistosidade e de clivagem. Dentre as falhas ou ângulos superiores a 60o são, em geral, desfavoráveis, paráclases, a mais favorável é a normal ou falha de pois em tais situações as rochas adquirem maior gravidade, pois, sendo originada por esforços tracionais, plasticidade e menor desenvolvimento, além de tende, na maioria dos casos, a propiciar maiores possuirem planos mais fechados de descontinuidades aberturas. Algumas vezes, entretanto, essas falhas originais. Ao contrário, os dobramentos cujos flancos apresentam planos muito fechados, conforme já descrito anteriormente. As falhas provenientes de esforços apresentem ângulos de mergulhos inferiores a 30 o, compressivos (falhas inversas e transcorrentes) acarretam propiciam maiores aberturas em fraturas longitudinais planos muito fechados, sobretudo as transcorrentes, que (tipo bc de Sander) e maiores possibilidades ao longo são associadas a processos de milonitização e cataclase dos planos de descontinuidade originais. dos minerais. Em diaclasamento, destacam-se os Finalmente, um outro tipo de associação estrutural seguintes tipos de fraturas: importante é a hidrografia-estrutural, simplesmente designada de riacho-fenda. Essa associação estabelece • fratura transversal (tipo ac de Sander) de esforço a relação que deve existir entre a presença da fratura tracional (figura 3.2.18), que em geral é a que possui e a drenagem superficial para alimentá-la, como já melhor abertura; mencionado anteriormente. • fratura paralela ao eixo da dobra (tipo bc de A locação do poço deve levar em consideração a Sander), também decorrente de esforço tracional, distância da fonte de alimentação (rio ou riacho), em na parte externa da dobra (figura 3.2.19); função da inclinação ou ângulo de mergulho do plano • fratura longitudinal por alívio de pressão (também de fratura. Essa relação é uma função inversa, isto é, correspondendo ao bc de Sander) e decorrente quanto maior o ângulo de mergulho, menor a distância ainda de esforço tracional, quando dos movimentos do poço. A figura 3.2.34 mostra uma seção vertical com epirogenéticos positivos (figuras 3.2.20 e 3.2.21); 50 m de distância horizontal (na superfície) por 100 m • juntas de descompressão (sheets joints) que de profundidade (na subsuperfície). No vértice superior se devem a processos exógenos, de alívio de esquerdo encontra-se um riacho que alimenta fraturas pressão pela erosão superficial, acarretando, assim, de diferentes intensidades de mergulho (de 10o a 80o). esforços tracionais (figura 3.2.23). Verifica-se que até a profundidade de 100 m, a fratura Quanto às rupturas por cisalhamento, que tanto podem de 80o somente é interceptada a 10 m de distância da acarretar falhas do tipo transcorrente, como simples zona de alimentação e a de 70o é interceptada até aos fraturas longitudinais ou angulares (tipo hko ou hol de 30 m de distância. Sander) são sempre desfavoráveis para a locação do poço, Para uma idéia mais completa, convém analisar pois as suas aberturas são muito reduzidas, chegando o ábaco da figura 3.2.35, em que são mostradas as mesmo a serem regeladas, nos casos de milonitização. profundidades em que as fraturas são intersectadas Dentre as juntas de origens diversas, além das de em função do ângulo de mergulho e da distância. descompressão (sheet joints) já mencionadas, podem Assim, por exemplo, uma fratura que possui ângulo ainda ser mencionadas as juntas de resfriamento, de mergulho de 50o será interceptada por um poço originadas na consolidação de rochas vulcânicas de situado a 30 m de distância a uma profundidade grã fina como os basaltos. Essas juntas são, em geral, quase “soldadas”, desempenhando um reduzido papel de 35,7 m. Para profundidades maiores de 40 m, como conduto e armazenamento da água. ou distâncias diferentes daquelas representadas Os planos de descontinuidade original das rochas nas curvas, pode-se calcular as profundidades de metamórficas, como a xistosidade dos micaxistos ou interseção, pela expressão: a clivagem das ardósias, também desempenham uma p = d tg a (3.2.41) certa importância, principalmente quando associados às estruturas naturais, aumentando-lhes a intercomunicação onde, p é a profundidade de interseção da fratura e, conseqüentemente, a permeabilidade do maciço no poço, d é a distância do poço ao riacho (área de rochoso. A percolação da água ao longo desses planos alimentação na superfície) e a é o ângulo de mergulho de descontinuidade original faz-se muito lentamente, da fratura muitas vezes por forças capilares, mas desempenham importante papel nos processos de decomposição Constata-se que as fraturas de ângulo de mergulho química, sendo muito comum encontrar-se as superfícies igual ou superior a 70o, somente podem ser interceptadas desses planos completamente oxidadas ao serem por poços situados no máximo a 10 m de distância (a quebrados e destacados. 20 m a profundidade já seria de 55 m). 144 Cap_3.2_FFI.indd 24 9/12/2008 21:11:40 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Quantidade versus Qualidade da Água Em regiões em que existem problemas de salinização de água, como no Nordeste do Brasil, o processo é bastante complexo e possui causas diversas. É comum o fato de apresentarem-se os maiores rios do Nordeste com elevados teores de sais, acima do limite de potabilidade para uso humano e da tolerabilidade do solo para irrigação. Como exemplo, podem ser citados os rios Potengi e Ceará Mirim, no Rio Grande do Norte, e o rio Jaguaribe, no Ceará. Apesar de serem os cursos principais desses rios portadores de teores salinos mais elevados, encontram-se nos seus tributários alguns cursos de baixíssimas salinidades. Assim, numa locação de poço no cristalino, tem- se que considerar dois aspectos como finalidade: a quantidade e a qualidade. Apesar das maiores drenagens superficiais favorecerem a realimentação das fraturas, muitas vezes tem-se que optar por cursos d’água de menor porte (pequenos riachos tributários), que oferecem menores perspectivas de volumes d’água. Esse confronto, quantidade x qualidade, não é feito apenas em termos de escolha de um vale Figura 3.2.34 - Relação ângulo de mergulho de fratura versus por outro, mas, muitas vezes, quando não se tem distância versus profundidade. condições de mudança de vales, a opção do riacho- fenda deixa de ser prioritária, procurando-se, então, locar o poço na encosta do vale, onde, conforme já foi amplamente analisado, as perspectivas de boas vazões são sempre reduzidas. Se, entretanto, a finalidade do poço for unicamente para consumo bovino, que aceita teores relativamente elevados de sais, é preferível optar-se por maior quantidade em detrimento de uma melhor qualidade da água. Técnicas de locação de Poços - Metodologia e sistemática A locação de um poço constitui uma tarefa de extrema responsabilidade, pois dela dependerá, em grande parte, o sucesso ou insucesso da perfuração. É preciso deixar bem claro que, por melhores que sejam as evidências superficiais, ninguém pode garantir que irá obter uma boa vazão, podendo, até mesmo, ser surpreendido com um poço completamente seco. Entretanto, é importante a aplicação de conhecimentos técnicos para situar o poço no local que reúna o maior número de características favoráveis, dentre as já analisadas anteriormente. Desde os tempos mais remotos até os dias atuais, existem pessoas, sem qualquer conhecimento técnico, que se dizem possuidoras de dons extranormais que lhes permitem encontrar água na subsuperfície da Terra. Além desses “advinhos”, que não utilizam qualquer instrumento, existem, ainda, aqueles que usando Figura 3.2.35 - Ábaco para determinação da interseção de varinhas ou pêndulos, dizem-se capazes de captar fraturas, em relação ao mergulho das fraturas e distância do ondas eletromagnéticas e encontrar as “veias d’água”. poço à área de recarga. São os chamados radiestesistas ou rabdomantes. 145 Cap_3.2_FFI.indd 25 9/12/2008 21:11:40 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados A locação de um poço no cristalino pode ser para captação (caso não haja água no rio, procurar feita utilizando-se, basicamente, uma metodologia informar-se com os habitantes da localidade). Em convencional, a qual pode ser apoiada ou não função da qualidade, poderá evitar as proximidades por métodos geofísicos (eletromagnético - VLF e dos talvegues, optando por uma encosta (conforme eletrorresistividade). já visto nas considerações sobre o relevo); o Método Convencional - apesar de convencional • somente após uma análise criteriosa de todos os pela sua constante utilização, o método nem sempre é elementos que influem na locação, efetuada para corretamente executado, quer por não serem utilizados cada poço pré-indicado na fotointerpretação, é todos os “instrumentos” necessários, quer por mau que se poderá optar pelo local ou locais mais procedimento na sua sistemática ou, ainda, por serem favorável(eis) ao(s) poço(s). desprezados alguns elementos de campo indicativos de Métodos geofísicos - no capítulo 4.2 é apresentada uma correta locação. Como “instrumentos” necessários uma abordagem detalhada da utilização dos métodos a uma boa locação podem ser mencionados: aerofotos, geofíscos na pesquisa de água subterrânea. Aqui, o mapas planialtimétricos e bússola. O método consiste, autor faz menção ao método eletromagnético - VLF, em então, em detectar-se, através de uma análise função de sua experiência pioneira na sua utilização fotogeológica e cartográfica, os melhores locais dessa metodologia no Brasil. associados com as orientações estruturais, relevo O método VLF foi usado inicialmente para a e área de recarga, utilizando-se, posteriormente, as locação de poços em rochas cristalinas na Suécia observações anotadas no campo para escolha do local por Larson (op. cit.), um dos maiores especialistas em mais adequado. A sistemática de locação de poço, hidrogeologia de rochas fraturadas. O método VLF é mesmo pelo método convencional, deve ser sempre utilizado diretamente no campo, sendo aqui tratados seguida em todas as suas etapas, pois, muitas vezes, alguns aspectos de sua operacionalidade. O primeiro a supressão de uma ou mais etapas, quer para diminuir passo a ser dado é a escolha da estação emissora (em o tempo, quer para economizar gastos, pode redundar número de 11 em todo o mundo). Quando da execução numa má locação, com prejuízos muito maiores. A locação do poço da forma como vem sendo feita nas de uma pesquisa eletromagnética em uma região áreas de rochas cristalinas do Nordeste, obedece às qualquer, a escolha da estação emissora considerada seguintes etapas: como a mais apropriada depende da orientação geral do corpo a pesquisar (no caso em questão, as fraturas, falhas • análise de um mapa planialtimétrico, a fim de verificar etc.). O condutor recebe o máximo de fluxo magnético, a situação do relevo, diferença de cotas, alinhamentos quando apontado na direção do emissor. O aparelho regionais e a associação com a rede de drenagem; portátil GEONICS-EM permite procurar a posição do • análise de um mapa geológico, a fim de verificar os emissor. Para tanto, ele deve ser usado na horizontal tipos líticos que ocorrem na área, os lineamentos e ser girado na suposta direção onde está localizado estruturais, tanto primários (xistosidade, clivagem, o emissor, conforme ilustra a figura 3.2.36. Portanto, a estratificação etc.), como secundários (fraturas, falhas escolha da estação deve ser subordinada à direção, etc.). Associando os dados do mapa planialtimétrico, ou direções predominantes, que se deseja medir no procura-se estabelecer as relações entre a litologia, campo. Para pesquisar com VLF na região Nordeste do as estruturas, o relevo e a hidrografia; Brasil, somente duas estações podem ser utilizadas, • fotointerpretação geológica, para melhor visualizar a NAA localizada em Cutler, Maine (EUA), e a NRA em a interação dos aspectos morfo-hidrológicos com Balboa, Panamá. Uma vez detectada a direção do litoestruturais, conforme já analisado nas duas emissor, procura-se estabelecer os perfis que deverão etapas anteriores. Nessa etapa serão indicados ter a direção perpendicular àquela da emissão da onda. vários locais para estudos de campo; O afastamento entre um perfil e outro, assim como a • visita de campo, para análise de cada um dos distância entre uma estação e outra em cada perfil, será função do tempo disponível e precisão requerida. pontos selecionados na aerofoto, a fim de escolher aquele ou aqueles, no caso de ser possível locar mais de um poço, que possuam melhores condições para fornecer uma boa vazão e com águas de qualidade aceitável. Para essa escolha, deverá o geólogo fazer uso da bússola, a fim de medir os mergulhos dos planos da fratura, bem como a relação entre a direção da fratura e a direção do lineamento estrutural. Em função do ângulo de mergulho, deverá medir a distância a que deve ser perfurado o poço. Deverá, também, verificar ao paladar, a qualidade da água da drenagem Figura 3.2.36 - Como procurar a direção da estação de superficial, associada à estrutura quebrada usada transmissão. 146 Cap_3.2_FFI.indd 26 9/12/2008 21:11:40 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações De um modo geral, o afastamento entre os perfis poço poderá dar uma vazão aceitável apenas se houver deve variar entre 25 e 50 m e os intervalos, entre 10 e uma intensidade elevada de fraturamento e um sistema 20 m. Em cada estação o operador fará girar o aparelho com ângulos de mergulhos em sentidos opostos. no plano vertical até captar sinais de descontinuidade. distância do poço à fonte de recarga incompatível Nesse ponto, anota-se o valor (positivo ou negativo) com o ângulo de mergulho da fratura - a distância registrado no visor do aparelho ou armazena-se do poço para a fonte de recarga superficial (rio, riacho, os dados diretamente em computadores portáteis. lagoa etc.) deve ser compatível com o ângulo de De posse de todos os valores anotados nos perfis, mergulho da fratura. Se o ângulo for forte (maior de 70o) transfere-se esses dados para o mapa e traçam-se e o poço for perfurado a uma distância superior a 10 os perfis transversais, assinalando-se nos mesmos as m da fonte de recarga, poderá nem chegar a alcançar direções de fraturamentos da região estudada. a fratura, como mostra a figura 3.2.34. Esse método é muito válido para regiões em que locação exclusiva no campo, sem conhecimento as rochas não estejam aflorando na superfície, devido das estruturas regionais - muitas vezes a rocha não a capeamento de solo ou vegetação. aflora na área em que se necessita de um poço e a locação é feita de maneira totalmente aleatória. Caso Falhas Freqüentes na locação de Poços houvesse sido executada uma fotointerpretação, ter-se- Constantemente são cometidas inúmeras falhas ia detectado as direções preferenciais de fraturamento, na locação de poços em rochas cristalinas, quer por correlacionando-as com as direções de drenagem desconhecimento dos princípios técnicos, quer por superficial, o que permitiria efetuar uma locação negligência no cumprimento de todas as etapas já melhor, mesmo na ausência de afloramentos na área descritas, quer por pressa para a imediata perfuração, interessada. ou ainda, nos casos mais freqüentes, por mera Poço captando fratura alimentada por água economia, desde que a maioria das firmas particulares superficial salinizada - essa constitui uma das falhas de perfuração de poço não dispõe de técnicos mais freqüentes, pela inobservância da qualidade das especializados em seus quadros. águas superficiais que alimentam as fraturas que se Dentre as falhas cometidas, principalmente quando pretende captar. Se o rio ou riacho principal daquela o poço é perfurado sem uma locação por técnicos área possui teores de sais além do desejável, deve-se especializados, podem ser citadas as seguintes: logo partir para outra área, onde os riachos não sejam Poço locado em rochas cristalinas sem fraturas, salinizados, pois, em geral, as águas acumuladas nas ou com fraturas fechadas - a maioria dos insucessos fraturas são mais salinizadas, pela concentração, do de poços em rochas cristalinas refere-se à falta de que as águas de realimentação superficial. pesquisa de zonas fraturadas, com fraturas abertas e Além dessas, outras falhas de menor gravidade não regeladas. Nesses casos, os poços comumente são ainda cometidas, contribuindo para uma reduzida são secos ou com pouquíssima água. vazão ou má qualidade da água. Poço junto à caixa d’água ou ponto de distribuição (em geral um chafariz público) - é freqüente a utilização relação rebaixamento versus Tempo do poço para o atendimento pontual através de um versus Vazão chafariz, que comumente é localizado numa praça urbana. Então perfura-se o poço junto ao chafariz, onde O problema de quantidade de água a ser obtida igualmente se localiza a caixa d’água. As chances de num poço está relacionado com o rebaixamento conseguir-se boa vazão nesses poços são reduzidas, de disponível e tempo em que esse rebaixamento seja vez que, em geral, esses pontos escolhidos situam-se atingido e mantido. Essas variáveis estão intimamente em locais topograficamente mais elevados. ligadas ao aspecto estrutural, além da contribuição Poço locado junto à sede da fazenda - normalmente direta ou indireta de outros fatores, como o tipo de o fazendeiro constrói a sua casa no ponto mais elevado rocha, o relevo, a profundidade de captação etc. da propriedade, para ter uma visão ampla da sua terra; De um modo geral, seis condições são consideradas por medida de economia, tende a procurar fazer seu indispensáveis para conseguir-se êxito na perfuração poço junto à casa, para poupar os canos de adução, do poço em rochas cristalinas: no caso de a perfuração ser efetuada na depressão. • existência de fraturamento na rocha; Este fato (poços afastados das drenagens) reduz em • grau de abertura (intemperismo) das fraturas; muito as chances de obter uma boa vazão. • extensão e profundidade das fraturas; Poço locado no lado oposto ao mergulho das fraturas nas proximidades de uma zona de recarga • freqüência do fraturamento; - quando o poço é locado unicamente na aero-foto, é • interconexão das fraturas; comum cometer-se o engano de locar o poço no lado • conexão do sistema de fraturas com zonas de do rio ou riacho, oposto ao mergulho dos planos de recarga na superfície (rios, lagoas, capeamento fratura, detectados na fotografia aérea. Nesses casos, o permeável etc.). 147 Cap_3.2_FFI.indd 27 9/12/2008 21:11:40 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados Os poços perfurados em aqüíferos fissurais podem freqüência), na parte superior da rocha fraturada. enquadrar-se em um dos 10 (dez) casos a seguir Para uma vazão estabilizada, a bomba pode ficar descritos, considerando o aspecto estrutural e as entre 10 a 20 m abaixo do topo da rocha inalterada condições supracitadas (figura 3.2.37, de A a J). (bedrock). Caso A - o poço não penetra fraturas abaixo do Caso g - o poço penetra duas ou três fraturas revestimento (de apenas 15 m). Nesse caso, o poço de boa abertura e pequena extensão, saturadas e não fornecerá água (poço seco). alimentadas por fraturas pequenas a médias (em Caso B - o poço penetra numa zona fraturada em que abertura), que se comunicam com o manto de duas ou mais fraturas ocorrem a poucos metros abaixo cobertura. Nesse caso, o poço apresenta o fenômeno do revestimento. É um tipo muito comum de poço. que ocorre no caso D, porém com sucessivas quedas Ele pode produzir vazões de 2 a 4 m3/h durante vários de rebaixamento, à medida que cada uma das fraturas minutos, até as fraturas serem drenadas. Sua vazão abertas vai se esgotando com o bombeamento. Os declinará subitamente para uma fração do seu valor poços tendem a fornecer, no início da explotação, total, dependendo a estabilização, da permeabilidade boas vazões, caindo com o tempo, que pode ser do manto de cobertura (saprolito e regolito). maior ou menor em função da amplitude das fraturas, Caso C - o poço penetra apenas uma fratura, bastante distância para a zona de realimentação e dificuldades extensa e bem abaixo, a uma profundidade de 65 m de realimentação das fraturas secundárias. O nível (aproximadamente). Como no caso B, a perenização ideal de bombeamento é logo acima da fratura da vazão dependerá da permeabilidade do manto de (dentre as abertas) mais superior, pois a partir daí, cobertura e da capacidade de transmissão da fratura, uma vez estabilizada a vazão, não haverá aumento desde que exista, é claro, uma fonte de recarga. Se a água de vazão com o aumento do rebaixamento. é retransmitida do manto para a fratura tão rapidamente Caso H - o poço penetra em várias fraturas de boa quanto é transmitida através da fratura para o poço, a abertura, ligadas ao manto, porém preenchidas por vazão aumentará com o aumento do rebaixamento, até material detrítico. A característica principal do poço é o o nível d’água alcançar a fratura contribuinte. Não haverá contínuo desenvolvimento, à medida que se prolonga aumento da vazão abaixo desse nível de bombeamento o bombeamento, devido à desobstrução gradativa (nível da fratura). Porém, se a água é fornecida do manto das fraturas. O processo de desenvolvimento natural para a fratura com velocidade menor do que aquela que pode ser ativado com um “plungeamento” logo após é transmitida através da fratura, o nível de bombeamento a perfuração do poço. Em geral, são poços de boa mais eficiente será numa posição intermediária, entre a produção. A vazão aumenta quando aumenta o fratura e a base do manto (no saprolito). Caso d - o poço penetra apenas uma fratura a grande profundidade (≈ 65 m), de boa abertura, porém com extensão limitada, com precária ou difusa comunicação com o manto. Assemelha-se ao caso C, porém apresenta em geral uma pseudoestabilização do rebaixamento durante o bombeamento, devido à presença de um “elevado” volume de água na fratura. À medida que a água vai sendo esgotada e a realimentação faz-se com dificuldade, recai-se no caso anterior, pela segunda alternativa, necessitando, portanto, situar-se o nível de bombeamento numa posição intermediária, entre a fratura e a base do saprolito. Esse caso induz, muitas vezes, a erros no dimensionamento da bomba a utilizar, quando o teste é feito em curto período de tempo. Caso E - o poço penetra vár ias fraturas, contribuindo com pequenas quantidades de água, e uma grande fratura a maior profundidade (50 m). A vazão irá aumentar com o aumento do rebaixamento, até atingir a zona de maior contribuição (no caso, aos 50 m). O mais eficiente nível de bombeamento Figura 3.2.37 - Diferentes situações encontradas na será, provavelmente, logo acima da posição em que perfuração de um poço em rocha cristalina fraturada. A o poço penetrou a maior fratura. profundidade total é de 80 m (aproximadamente), com 15 m de revestimento (no manto de decomposição, pontilhado nas Caso F - o poço penetra várias fraturas de figuras). Os casos A e J representam as condições extremas tamanho pequeno a médio. Estas fraturas são mais de explotação; no primeiro o poço será seco e no segundo, amplas e mais próximas uma das outras (maior as condições de explotação são as melhores (modificado de Legrand e Campbell, 1959). 148 Cap_3.2_FFI.indd 28 9/12/2008 21:11:40 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações rebaixamento e o nível de bombeamento pode ficar numa posição intermediária entre as primeiras e últimas fraturas penetradas. Caso I - o poço atravessa várias fraturas e é influenciado por uma falha nas proximidades, que atua como uma fronteira impermeável, pois quebra abruptamente a continuidade das fraturas que alimentam o poço, provocando um efeito de depleção durante o bombeamento. No mais, apresenta um comportamento semelhante ao caso G, quanto ao posicionamento do nível de bombeamento. Caso J - o poço é influenciado por uma fonte perene de recarga superficial, representada por um curso d’água. Esse é o caso mais favorável para obtenção de uma boa vazão em rocha fraturada. O nível dinâmico é estabilizado com rapidez e, devido à interconexão do sistema de fraturas, o nível de bombeamento pode descer até a proximidade da fratura principal, que recebe a contribuição da água Figura 3.2.38 - Relação do rebaixamento com a vazão do superficial. poço. A Profundidade Ideal o volume de água para o poço, a vazão específica A determinação da profundidade ideal está tenderá, naturalmente, a diminuir. Um sondador relacionada, principalmente, aos condicionantes experiente detecta facilmente a profundidade a partir da estruturais e fatores de ordem econômica. qual deixa de haver contribuição de fraturas, isto é, de Os condicionantes de ordem estrutural dizem novas “entradas d’água”. Tendo perfurado uma certa respeito à natureza do fraturamento, intensidade, metragem abaixo da última zona de contribuição, no aprofundamento (limite de extensão de fraturas máximo 20 m a partir dos 50 m de profundidade, sem abertas) etc., enquanto os fatores de ordem econômica alcançar novas fraturas, deve o poço ser encerrado, se relacionam à demanda da água, ao custo do poço sob pena de tornar a obra antieconômica. e ao metro cúbico de água bombeada. A profundidade ideal é, pois, variável de uma região O primeiro tipo de condicionante pode ser para outra e não existem valores concretos e definitivos definido ou, pelo menos, obtido um certo grau de para delimitar essa profundidade. Apesar disso, alguns informações sobre ele, a partir do conhecimento do estudos e observações oferecem indicativos que comportamento de outros poços existentes na região parecem importantes, no sentido de fornecer uma idéia em questão e, ainda, das observações que requerem aproximada da questão. uma locação tecnicamente bem procedida. Na tabela 3.2.9 é apresentado um resumo, de Quanto ao condicionante econômico, uma análise autoria de Landers & Turk (1973), sobre os vários de custos deverá ser procedida, a fim de equacionar trabalhos executados nos Estados Unidos, em que são a melhor alternativa operacional. apresentadas recomendações para a profundidade É sabido que mesmo em aqüífero intersticial, máxima de perfuração de poços no cristalino. c o m o u m a r e n i t o , e m c o n d i ç õ e s d e n ã o Custodio & Llamas (1976), embora admitam uma faixa confinamento, a vazão específica (m3/h por m de variação de profundidade bastante elástica, entre 100 e de rebaixamento) diminui consideravelmente com 200 m, fazem a ressalva de que muitas vezes se alcança o aumento de rebaixamento. Conforme pode ser o limite econômico com a profundidade de 50 m. visto na figura 3.2.38, um percentual de apenas 50% As observações iniciais, executadas na região do rebaixamento máximo admitido para um poço, Nordeste do Brasil, admitiam o limite de 80 m como já proporciona 82% da vazão máxima que se pode economicamente desejável para os poços do cristalino, obter. Isso implica que a partir desse percentual porém, em estudos mais recentes, Albuquerque (50%), a vazão específica tende a cair muito mais (1971) e Costa (1980, 1985), admitem situar-se esse rapidamente. limite entre 40 e 60 m, a depender do comportamento Em aqüíferos fissurais, essa desproporção é estrutural da região. justificável pelo fato de que as fraturas, a partir Deve ser ressaltado que, para rochas ígneas de uma certa profundidade, vão se tornando mais vulcânicas (basalto, por exemplo) e metamórficas fechadas. Considerando que a vazão específica é de composição calcárea (mármore, por exemplo), a razão entre a vazão total e a espessura da zona essas profundidades podem ser muito superiores, aqüífera, se aumentar a profundidade sem aumentar ultrapassando, às vezes, até mesmo os 200 m. 149 Cap_3.2_FFI.indd 29 9/12/2008 21:11:40 Capítulo 3.2 - Hidrogeologia dos Meios Fissurados Profundade referência Fatores Máxima Estado dos EuA Tipos de rocha (autor/ano) Considerados recomendada (m) Ellis (1906, 1909) Connecticut Granito, xisto e gnaisse Fraturas 82 Meinzer (1923) General Granito Fraturas e regolito 100 Cady (1938) Virginia Metassedimento e granito 132 Dingman et al (1954) Maryland Granito, xisto e gnaisse Juntas 115 Legrand (1954) Carolina do Norte Granito Topografia 82/100 Fish et al (1954) Carolina do Norte Granito Topografia 50 Davis & Turk (1964) Califórnia Granodiorito e granito Regolito e juntas 50/82 Cushman et al (1964) Connecticut Metassed. e granito 66 Landers &Turk (1973) Texas Granito, xisto e gnaisse Regolito e fraturas 50/66 Tabela 3.2.9 - Resumo dos trabalhos executados nos EUA sobre a profundidade máxima de perfuração de poço no cristalino (Lorders & Turk, 1973). referências COSTA, W. D. Análise dos fatores que influenciam na hidrogeologia do cristalino. r. Água subter. Recife, ALBUQUERQUE, J. do P. T. Inventário hidrogeológi- v. 1, n. 4, p. 14-47, 1965. co básico do Nordeste: folha 15, Jaguaribe-SE. Rec- ife: SUDENE, 1971. 187 p. (Série Hidrogeologia, 32). COSTA, W. D. Contribuição da mecânica das rochas à evolução estrutural da Serra do Mar. In: CONGRES- ASTIER, J. K. geofísica aplicada a hidrogeologia. SO BRASILEIRO DE GEOLOGIA, 26., set. 1972, Madrid: Paraninfo, 1975. 198 p. Belém. Anais... Belém: SBG. Núcleo Norte, 1972. 3 v. BARTON, N. description of rock masses, joints CRUZ, W. B. da. Estudo geoquímico preliminar and discontinuities. Oslo: ISRM - Norwegian Geo- das águas subterrâneas do nordeste do Brasil. technical Institute, 1975. Recife: SUDENE, 1974. (Série Hidrogeologia, 8). BENEDINI, M.; GIULIANO, G.; TROISI, S. Alcune CUSTODIO, E.; LLAMANS, M. R.. Hidrología subter- considerazioni sulla trattazione matematica del ránea. Barcelona: Ed. Omega, 1976. problema del moto in acquiferi fessurati: geologia applicata e idrogeologia. Itália: Università di Bari , FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A.. groundwater. New 1972. v. 7. Jersey: Prentice Hall, 1979. 604 p. BRAESTER, C. Theory of flow through fractures HONYK, W. J. Proposta de uma nova unidade de rocks: International Seminar Stockholm, Sweden: produção de poço nas rochas cristalinas. Recife : [s.n.], 1977. UFPE, 1979. COSTA, W. D. Aspectos macro-estruturais que influ- JAEGER, J. C.; COOK, N. G. W. Fundamentals of em na hidrogeologia de rochas cristalinas fraturadas. rock mechanics. London: Chapmann & Hall, 1968. In: SEMINÁRIO DE QUALIFICAÇÃO NO CURSO DE LARSSON, I. Anisotropy in Pre-Cambrian rocks and DOUTORADO, 1980 [Trabalhos apresentados...] Post-Crystalline deformations models: Lund studies. São Paulo: USP, 1980. Inédito. geografiska Annaler, series A: Physical geogra- COSTA, W. D. Avaliação dos critérios de locação de phy, Sweden, n. 38, 1967. poços em rochas cristalinas. In: SIMPÓSIO NACIO- LARSSON, I. ground water in Pre-Cambrian rocks NAL DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS EM ROCHAS in southern sweden. New York: Pergamon Press, FRATURADAS, 1., 1985, Belo Horizonte. Anais... 1968. Belo Horizonte: [s.n.], 1985. p. 133-143. LARSSON, I. Ground water in hard rocks. In: INTER- COSTA, W. D. Análise dos fatores que atuam NATIONAL SEMINAR GROUNDWATER IN HARD no aqüífero fissural: Área piloto dos Estados da ROCKS, 1977, Stockolm, Sweden. Paraíba e Rio Grande do Norte. 1986. 225 f. Tese (Doutorado) - Instituto de Geociências, Universidade LEGRAND, H. Yeld of wells: USA: Div.Mineral Re- de São Paulo, São Paulo, 1986. sources, 1959. 150 Cap_3.2_FFI.indd 30 9/12/2008 21:11:41 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações LOUIS, C. Étude des ecoulements d’eau des les roches fissurés et de leurs influences sur la stabilité des massifs rocheux. Bulletin de la direction des Études et recherches - EdF, Série A, n. 3, 1968. LOUIS, C. Fluxo de água a três dimensões em rochas fissuradas. São Paulo:[s.n.], 1974 . Tradução n. 5 da ABGE OBERT, L.; DUVAL, W. I. rock mechanics and the designs of structure in rock. New York: Wiley & Sons, 1967. PRICE, N. J. Mechanics of jointing in rocks. geologi- cal Magazine, London, v. 96, p.149-167, 1959. QUADROS, E. da F. de. Fundamentos da hidráulica dos meios fissurados.[São Paulo: Escola Politéc- nica da Universidade de São Paulo], 1977. QUADROS, E. da F. de. determinação das car- acterísticas do fluxo de água em fraturas de rochas. 1982. Dissertação (Mestrado em Engenha- ria Civil) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1982. RAGAN, D. M. structural geology and introduction to geometrical tecniques. New York: Wiley & Sons, 1968. REBOUÇAS, Aldo da Cunha. le problème de l’eau dans la zone semi-árida du Brésil. 1973. Tese (Douto- rado) - Universidade de Strasbourg, França, 1973. RZHEWSKY, Y.; NOVICK, G. The physics of rocks. Moscou: Mir Publishers URRS, 1971. SEVER, C. W. Geology and ground-water resources of crystalline rocks. u. s. geological survey. Infor- mation Circular, n. 30, 1964. SIQUEIRA, L. Contribuição da geologia à pesquisa da água subterrânea. Recife: SUDENE, 1963 ZIENKIEWICZ, C.; STAGG, K. G. rock mechanics in engineering practice. division of Civil Engineer- ing school of Engineering. Swansea: University of Wales, 1968. 151 Cap_3.2_FFI.indd 31 9/12/2008 21:11:41 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capitulo 3.3 HIdrogeologIA de MeIos CárstICos Adelbani Braz da Silva 3.3.1 Introdução • pequeno valor de escoamento superficial; • complexa circulação de águas subterrâneas tanto Oconhecimento das pecu l ia r idades nas zonas saturadas como acima da superfície hidrológicas dos carstes vem tendo uma potenciométrica do aqüífero;crescente importância, não só pelo interesse • existência, normalmente, de zonas desnudas, sem como reservatório de água subterrânea, mas, também, vegetação; pela sua influência em uma série de problemas • grande rapidez da infiltração das chuvas e outras geotécnicos e ambientais. Em muitas circunstâncias, águas superficiais; o entendimento do sistema hidráulico desse tipo • anomalias na direção do fluxo de água com relação de aqüífero torna-se muito difícil, em vista de suas ao gradiente potenciométríco regional; características genéticas. O principal resultado dessas características é o de que o armazenamento e a • grande diferença entre a média e a mediana circulação das águas subterrâneas são condicionados da distribuição estatística dos valores de à dissolução aleatória e ao fraturamento ou outras permeabilidade; descontinuidades das rochas carbonáticas que, muitas • muita variação, de um lugar para outro, dos vezes, são de difícil identificação. Embora existam muitas valores do coeficiente de armazenamento e da pesquisas e trabalhos em diversas regiões cársticas do transmissividade. mundo, os seus resultados não podem ser extrapolados Estas características são o resultado de um ou aplicados para todos os carstes conhecidos, uma processo, chamado de carstificação, no qual intervêm vez que as suas características geomorfológicas e diversos fatores geológicos. Nesse processo existe hidrogelógicas variam de um lugar a outro. Assim, um mecanismo básico, que é a dissolução pela em cada caso estudado, devem ser adaptadas todas água de uma rocha carbonática (solúvel) fissurada. as técnicas de prospecção às condições locais de São peculiares aos carstes as entradas de águas de geologia, hidrogeologia e hidrologia. As regiões superfície em condutos localizados (sumidouros). cársticas são áreas de grande interesse econômico e Este modo localizado das infiltrações deve-se à hidrogeológico, porque, na maioria das vezes, possuem grande variabilidade espacial da permeabilidade e da bons solos agricultáveis, não apresentam drenagem capacidade de infiltração, que é muito maior nos meios superficial, possuem valiosas reservas de água no cársticos que em outros meios permeáveis. Ao contrário subsolo e têm grande importância ambiental. de uma primeira impressão, as superfícies cársticas não apresentam relevos caóticos e desorganizados de dolinas, depressões fechadas e sumidouros. Um 3.3.2 Caracterização do Aqüífero padrão organizado e estruturalmente condicionado Cárstico sempre existe em todas as superfícies cársticas, embora seja difícil a sua identificação. Estes padrões, no entanto, A palavra carste é utilizada para designar aquelas variam muito dentro de uma bacia hidrográfica com regiões da superfície terrestre que apresentam grande extensão, ocasionando diversos compartimentos características especiais do ponto de vista geomorfológico locais. Desta maneira, tem-se diferente organização de e hidrogeológico, nas quais destacam-se: relevo, em função dos fatores que influenciaram ou • a presença de extensas zonas sem correntes de intervieram na “modelagem” da superfície topográfica águas superficiais, inclusive em climas úmidos; atual. As unidades morfológicas permitem estabelecer diferentes estágios evolutivos do relevo cárstico partindo • a ocorrência de depressões, mais ou menos de uma paisagem fluvial, estruturalmente condicionada, grandes, cuja drenagem é subterrânea; a qual é gradativamente segmentada pela implantação • a existência de cavidades no subsolo (simas ou de bacias de drenagem fechada, originando uma feição cavernas) pelas quais circulam correntes de água fluviocárstica, até a formação de um carste evoluído sem subterrâneas; drenagem superficial e fechado. 153 Cap_3.3_FFI.indd 1 9/12/2008 21:15:17 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos A paisagem sobre as rochas carbonáticas é natural do equilíbrio químico entre a água e as rochas modelada, principalmente, pela água de escoamento carbonáticas. Neste processo de transformação, a água superficial e processos fluviais normais que se adaptam é o elemento ativo transitório e a rocha carbonática, aos diversos litotipos e são condicionadas à rede de o passivo permanente. Quando cessa a atividade da fraturamento e deformações tectônicas pretéritas. água, os fenômenos cársticos deixam de ocorrer e a Em decorrência do contínuo aumento de drenagem rocha carbonática permanece passiva e sujeita a novas subterrânea e ampliação das rotas preferenciais de ações do elemento água. A ocorrência do fenômeno percolação verticais, durante o modelamento de um cárstico está condicionada à circulação e à atividade da carste, ampliam-se as dolinas de dissolução e ocorre água que, por sua vez, é sujeita a fatores geológicos, o início da fragmentação das linhas de escoamento geográficos e climáticos. Esses fatores são variáveis ou superficial de uma bacia, através da instalação cíclicos, o que provoca uma intermitência na circulação de divisores topográficos entre as sub-bacias hídrica através das rochas e, conseqüentemente, uma (Monroe,1974). A paisagem fluvial, gradativamente, ação descontínua nas transformações do meio cárstico. dá lugar a depressões compostas. Com a evolução Em regiões de elevada pluviosidade (maior do que destas depressões, cresce o grau de segmentação da 2.000 mm/ano), onde a circulação hídrica é maior, rede fluvial, através da instalação de novos pontos de os fenômenos cársticos são mais intensos, enquanto absorção vertical, rebaixando os fundos das dolinas que em regiões de baixas precipitações pluviais, os preexistentes e desenvolvendo divisores topográficos fenômenos cársticos são menores. A distribuição anual entre estas. Este é, sumariamente, um dos processos das chuvas, climas extremados e grandes oscilações de esculturação de uma bacia hidrológica cárstica, nas intensidades de chuvas também são fatores que a partir de uma bacia fluvial que drena rochas influenciam nos fenômenos cársticos. Em regiões carbonáticas. A paisagem cárstica é tipicamente muito secas, com chuvas anuais inferiores a 200 mm, movimentada em função, principalmente, de vários a circulação hídrica praticamente não existe e, também, fatores geológicos, destacando-se os estratigráficos, quase não ocorrem fenômenos cársticos. Isto pode estruturais e petrológicos. Os principais fatores que explicar, por exemplo, as diferenças dos fenômenos determinam esta grande variabilidade no carste são no carste da região de Irecê, na Bahia, com o da região os seguintes: de Sete Lagoas, em Minas Gerais. Como se sabe, apesar desses dois sistemas cársticos serem formados • a heterogeneidade da textura normalmente por rochas do Grupo Bambui, com mesma idade e encontrada nas diversas camadas de rochas composição químicas, neste último a carstificação é carbonáticas; muito mais intensa. O estudo dos fenômenos cársticos • as alternâncias destas camadas com outras não não deve ser restrito ao estudo de cavernas locais e cársticas, permeáveis ou não; isoladas. Deve-se entender, inicialmente, os modelos • a anisotropia da fissuração das rochas, com a hidrogeológico local e regional atual e os pretéritos, presença de fraturas, falhas e outras estruturas de para se reconstituir todos os fenômenos cársticos que quebramento; ocorrem em determinada região. O estudo de cavernas e outras formas cársticas locais e isoladas devem apenas • as fases de carstificação pretéritas à etapa recente contribuir para a concepção do modelo hidrogeológico do atual desenvolvimento geomorfológico. e, a partir daí, se entender os fenômenos cársticos Como resultado de todos estes fatores, há existentes ou os que ocorreram. uma grande heterogeneidade e anisotropia da permeabilidade, que pode alcançar, assim, um grande geologia de rochas Carbonáticas valor em pontos ou zonas muito localizados, o que favorece a possibilidade de infiltração pontual de As rochas carbonáticas são relativamente recentes correntes de águas superficiais. Esta possibilidade se comparadas com as rochas silicosas que aparecem converte-se em realidade se a disposição do relevo, na Terra desde a sua origem. São rochas essencialmente a rede de drenagem fluvial e o clima, tomados em organogênicas, principalmente os calcários, e que são conjunto, também forem favoráveis. O vocábulo carste quase concomitantes ao desenvolvimento biológico é a tradução derivada da palavra da língua iugoslava desde o aparecimento da vida sobre a terra. As karst, que significa campo de pedras de calcário. rochas carbonáticas apareceram inicialmente no pré- cambriano, há aproximadamente 2.000 milhões de Fenômenos Cársticos anos. Se desenvolveram amplamente no siluriano, com a formação dos primeiros recifes de corais, e se O fenômeno cárstico é o conjunto de transformações depositam até os tempos atuais. O desenvolvimento que ocorrem em uma região de rochas carbonáticas das rochas carbonáticas ocorreu, quantitativamente, como conseqüência da circulação da água. Estas de forma geométrica e hoje constitui um dos principais transformações são o que distingue o meio cárstico componentes da crosta terrestre, com cerca de 25% a dos demais meios aqüíferos e é o resultado da procura 35% dos sedimentos depositados. 154 Cap_3.3_FFI.indd 2 9/12/2008 21:15:17 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Composição Química relação entre Fraturas e Carstificação O componente principal dos calcários é o carbonato A maioria dos carstes, em todo globo terrestre, de cálcio, cujo mineral é a calcita. Em calcários foi desenvolvida no quaternário, durante as intensas mais puros, o conteúdo de calcita pode superar os mudanças climáticas ocorridas nesse período e 90%. Subsidiariamente, ocorrem os carbonatos de aliadas aos fenômenos neotectônicos, embora magnésio, sílica, óxido de ferro e manganês, álcalis e existam alguns carstes mais antigos. Assim, toda a outros elementos menores. Assim, além da calcita, os assinatura de deformações tectônicas e das disposições principais componentes das rochas carbonáticas são: estratigráficas pré-existentes nas rochas carbonáticas, dolomita, siderita, magnesita, ankerita e argila. A origem fatalmente influenciou nos arcabouços dos carstes. dos calcários primários (denominados de autóctones) Como se sabe, a evolução das formas cársticas requer é a precipitação bioquímica ou química de carbonato uma água ligeiramente ácida (com pH baixo), com de cálcio existente na hidrosfera. A diagênese destes circulação e renovação desta água. Para haver esta calcários autóctones formará os calcários metasomáticos. circulação ou percolação através da rocha, tem que A fragmentação mecânica e posterior deposição das existir a descontinuidade geológica de quebramento que rochas carbonáticas formará os calcários alóctones permita a infiltração da água para o subsolo (figura 3.3.1). (calcarenitos e outros). Os calcários alóctones também A conjugação desses fatores é que gera a paisagem podem sofrer diagênese e se transformar em calcários cárstica superficial e os condutos de dissolução metasomáticos. Quando a proporção de carbonato de subterrâneos. Dessa maneira, existe uma íntima relação magnésio supera os 40%, tem-se os dolomitos. Entre entre as fraturas (e outras descontinuidades geológicas estes dois termos tem-se uma gama de rochas, em rúpteis) e os processos de carstificação. Convém função das proporções de cálcio e magnésio, tais como ressaltar, como ponto importante para a interpretação calcário magnesiano ou dolomito calcífero. Quando o hidrogeológica dos carstes, que em primeiro lugar conteúdo de argila é elevado nos calcários, formam- ocorrem as fraturas e posteriormente, a carstificação. se as margas. As proporções de argilas nos calcários Com isto, o entendimento ou a reconstituição dos também formam diversas rochas carbonáticas como, eventos tectônicos precedentes à carstificação é a por exemplo, o calcário margoso ou a marga calcífera. chave fundamental para o conhecimento do modelo Os calcários podem, também, ocorrer como o cimento hidrogeológico de um carste e para a proposição ou ou componente de outras rochas sedimentares detríticas. identificação da malha de ocorrência e circulação das São os arenitos calcíferos ou arenitos com cimento águas subterrâneas. Secundariamente, outros fatores calcífero. Os arenitos cujos grãos são de calcários, com ou características das rochas carbonáticas também cimento calcífero ou não, são denominados de calcarenito influenciam nos processos de carstificação. Pode-se e aqueles arenitos cujos grãos são de dolomitos, são os destacar, entre vários fatores, o grau de diagênese, doliarenitos. Quanto à origem e à maturidade textural, os metamorfismo, estratificação, composição química da calcários podem ser classificados em micrito, biomicrito, rocha (o calcário mais puro é mais solúvel), densidade biosparito, intramicrito, intrasparito e oosparito. Quanto à de fraturamento, topografia, acamamento, teor de argila, composição e origem dos seus aloquímicos, os calcários variação faciológica, dentre outros. podem ser classificados, de um modo geral, de forma descritiva, como calcários intraclásticos, bioclásticos, oólitos e pellets. Processos de sedimentação Existem vários ambientes de sedimentação modernos que podem reconstituir os antigos ambientes formadores das rochas carbonáticas. Os principais são: depósitos marinhos de águas rasas (por exemplo, a região da Flórida/Bahamas), marinhos de águas profundas (turbiditos e depósitos pelágicos-vasas de globigerina), bacias evaporíticas (rochas caliches e calcretes), carbonatos de água doce de lagos e fontes (rochas travertinos e tufos calcários) e carbonatos eólicos (comuns na ilha de Fernando de Noronha/PE). A maior parte dos carbonatos antigos foi depositada em ambiente marinho de águas rasas, enquanto que os maiores volumes de calcários atuais são depositados em ambientes marinhos de águas profundas. Os depósitos evaporíticos, os calcários lacustres e de fontes termais, além das dunas Figura 3.3.1 - Sistemas de fraturas que refletem os esforços carbonáticas, são menos importantes em volume. de deformação e carstificação. 155 Cap_3.3_FFI.indd 3 9/12/2008 21:15:18 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos Formas Cársticas Poljes - são formas alargadas (vales profundos) ao longo de elementos tectônicos, com fundo plano Uma região cárstica normalmente é formada de um preenchido de sedimentos e paredes normalmente conjunto de fenômenos cársticos, agrupados em sistemas elevadas e bem carstificadas. Os poljes podem cársticos, que se formaram em conseqüência da existência ser secos, intermitentes ou permanentemente de estruturas menores dominadas por fatores tectônicos, inundados. estratigráficos, faciológicos e litológicos. O conhecimento Vales Cegos, Zonas de Perdas e Vales Mortos dos sistemas cársticos requer o estudo detalhado de - são vales epigenéticos que deixaram de funcionar cada um dos elementos dos fenômenos cársticos. Estes devido a uma carstificação mais profunda. Em alguns elementos são as formas cársticas. Existem, basicamente, casos, eles podem ser intermitentes nas épocas de três grupos de formas cársticas. As primeiras são as formas chuvas intensas. de absorção epigênicas, por onde ocorre a infiltração das águas no carste que irão esculpir a morfologia cárstica. simas - são formas cársticas abertas de absorção, As segundas são as formas de condução que são originadas de desabamentos de rochas em profundidade. hipogênicas e por onde irão circular as águas no subsolo São normalmente circulares e com paredes verticais através das cavernas e outros condutos subterrâneos. a subverticais. Podem ser originados da evolução da As terceiras, são as formas de emissão por onde a carstificação de uma dolina. circulação hipogênica retorna à forma epigênica normal sumidouros - são locais de infiltração preferencial através de surgências. Todo sistema cárstico, em escala de águas superficiais nos carstes. Eles podem ser local ou regional, necessariamente, terá estes três tipos permanentes, quando absorvem as vazões de riachos, de formas cársticas que formam o modelo hidrogeológico córregos e, até mesmo, de rios; acidentais, quando com a área de recarga, circulação e de descarga. As atuam unicamente nas enchentes das drenagens principais formas cársticas de absorção, encontradas superficiais; ou intermitentes quando, “funcionam” na maioria dos carstes, podem ser classificadas em somente nas épocas chuvosas (figura 3.3.3) formas fechadas, abertas e alóctones (alógenas). As Cavernas - são condutos desenvolvidos horizontalmente fechadas são: dolinas, uvalas, poljes, vales cegos, zonas e conectados a outras formas cársticas, principalmente as de de perdas e vales mortos. As formas cársticas abertas absorção. As cavernas podem ser ativas, quando conduzem são: simas, sumidouros e cavernas. A formas alógenas água, e mortas, quando suas condições topográficas não são os vales que cruzam os carstes e cuja esculturação permitem a circulação de água. independe da evolução cársticas. As formas de condução das águas subterrâneas dolinas - são formas circulares, muito comuns em nos carstes são as mais importantes do ponto de vista áreas cársticas originadas da dissolução de rochas hidrogeológico, tendo em vista a sua abrangência carbonáticas através da infiltração de água superficial local e regional e sua capacidade de transmissão e nas intersecções de diáclases (figura 3.3.2). de armazenamento de água no subsolo. Estas formas Uvalas - são coalescências de dolinas, próximas normalmente são associadas a descontinuidades umas das outras, resultantes da evolução superficial litológicas ou às interferências tectônicas nos maciços mais rápida do que em profundidade. As uvalas tendem rochosos. São cavernas, condutos, diáclases que a formar elipsóides quando derivam da conjugação de aparecem isoladas ou formam uma rede interligada duas dolinas. Vale ressaltar que a linha de conjugação de condução de água subterrânea no subsolo. As de uvalas, normalmente, está associada à direção de formas de condução são sempre associadas às fraturamento da rocha e indica a direção de circulação formas de absorção. preferencial das águas subterrâneas. Figura 3.3.3 - Vista parcial do sumidouro do rio Peruaçu, em Figura 3.3.2 - Dolina preenchida com água pluvial. Itacarambi / MG. 156 Cap_3.3_FFI.indd 4 9/12/2008 21:15:19 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A paisagem cárstica sempre é formada pela vem desde os trabalhos de Penck (1900), Lehmann combinação dessas diversas formas cársticas, que são (1936) e Roglic (1960). Recentemente, segundo Ford dispostas de maneira aleatória ou seguindo elementos & Williams (1989), os pesquisadores Monroe (1974), tectônicos, estruturais, litológicos e topográficos pré- Gunn (1981) e Miller (1982) evidenciaram o processo existentes (figura 3.3.4). de transformação da paisagem fluvial para a de bacias fechadas, através da reconstrução da paleodrenagem evolução da Carstificação superficial sobre o carste de Porto Rico, Nova Zelândia e Belize. Ficou comprovado que essa transformação é A evolução da paisagem cárstica sobre rochas conseqüência do aumento gradativo da capacidade de carbonáticas sem porosidade primária (lapiaz), como já foi drenagem subterrânea em rochas carbonáticas, com mencionado anteriormente, é o resultado da disponibilidade o desenvolvimento de permeabilidade secundária e a de água em movimento e do desenvolvimento progressivo evolução de dolinas de dissolução, com respectivas de uma permeabilidade secundária. Por seu lado, bacias, sobre canais e vales fluviais. o desenvolvimento de permeabilidade secundária Em uma primeira fase, em função do soerguimento concentra-se sobre descontinuidades geológicas regional e erosão das coberturas pelíticas (se existirem, presentes nas rochas carbonáticas, através da dissolução provenientes da deposição detrítica tardia sobre os e lixiviação de minerais carbonáticos pela água evaporitos) dos calcários, cresce a interação entre água de percolação ao longo destas descontinuidades meteórica e o calcário o qual, neste período inicial, (figuras 3.3.5 e 3.3.6). Assim, para definir os fatores possui reduzida permeabilidade secundária. Nessas condicionantes da permeabilidade secundária e conhecer condições, pouca água é absorvida pela superfície o desenvolvimento da paisagem cárstica, é fundamental carbonática ocasionando um lençol freático raso e o saber os tipos de descontinuidades de quebramento desenvolvimento de uma rede fluvial importante sobre presentes, o quadro geométrico destas feições e a sua os calcários. distribuição espacial nas áreas de ocorrência de rochas carbonáticas solúveis. Estas descontinuidades foram dominadas preferencialmente pela evolução tectônica da região, estratigrafia, litologias e topografia original dos terrenos. As unidades morfológicas permitem estabelecer diferentes estágios evolutivos do relevo cárstico, partindo de uma paisagem fluvial, estruturalmente condicionada, a qual é gradativamente segmentada pela implantação de bacias de drenagem fechada, originando uma feição fluviocárstica, até a formação de um carste evoluído sem drenagem superficial e fechado. A discussão sobre a ocorrência de uma fase fluvial, anterior ao desenvolvimento de um relevo cárstico, Figura 3.3.5 - Sumidouro em fraturas na rocha carbonática. Figura 3.3.4 - Formas cársticas superficiais vistas em foto Figura 3.3.6 - Formação de dolina ao longo de fratura na aérea. rocha. 157 Cap_3.3_FFI.indd 5 9/12/2008 21:15:20 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos Posteriormente, com o aumento gradativo da geomórficas e hidrogelógicas do relevo, Gunn (1981), permeabilidade secundária no pacote calcário confere às depressões fechadas a mesma posição na e exposição total da sua superfície, surgem os hidrologia de sistemas cársticos autogenéticos. Assim, canais de drenagem subterrânea e o maciço para caracterizar o escoamento superficial de terrenos carbonático aumenta sua capacidade de absorção e cársticos e os mecanismos de recarga dos aqüíferos transmissão de água superficial. Nesta fase também se associados, são fundamentais a demarcação e desenvolvem os pontos de concentração de infiltração caracterização morfológica destas bacias fechadas. vertical, preferencialmente ao longo dos talvegues As depressões circulares (dolinas e uvalas), fluviais, onde se concentram os escoamentos ilustradas nas figuras 3.3.7, 3.3.8, 3.3.9 e 3.3.10, superficiais. Começa, assim, a implantação da são formas cársticas muito comuns. Elas podem paisagem fluviocárstica. Em seguida, em decorrência ser classificadas como depressões simples, quando do contínuo aumento de drenagem subterrânea e a drenagem interna é pouco desenvolvida e com ampliação das rotas preferenciais de percolação somente um sumidouro principal, e como depressões vertical, ampliam-se as dolinas de dissolução e ocorre compostas, quando a área de drenagem é maior, com o início da segmentação das linhas de escoamento uma rede de drenagem interna complexa, múltiplos superficial, através da instalação de divisores sumidouros e com a superfície interna ondulada, topográficos entre as sub-bacias possuindo pontos baixos, os quais podem estar A paisagem fluvial, gradativamente, dá lugar a ou não associados a sumidouros. O padrão geral depressões compostas. Com a evolução destas destas paisagens é de uma superfície ondulada, depressões, cresce o grau de segmentação da com inclinação geral centrípeta, bem demarcada em rede fluvial, através da instalação de novos pontos fotos aéreas e no campo. A forma planimétrica mais de absorção vertical, rebaixamento dos fundos das freqüente destas depressões é a circular ou elíptica dolinas pré-existentes e desenvolvimento de divisores com bordas de inclinação forte a suave. Localmente, topográficos entre estas, atingindo a morfologia estas formas de relevo recebem a denominação de atualmente observada nas áreas de predominância “furados”. Quando estas depressões circulares são de rochas carbonáticas, com depressões simples e preenchidas por solos residuais dos calcários, não compostas. A tendência evolutiva desta paisagem é a se pode observar os sumidouros, mas, sim, uma ou total obliteração de sua história passada, pois com a mais áreas que absorvem águas superficiais. Esses dissecação dos antigos inferflúvios, pela implantação fundos, durante os períodos de chuva intensa, formam de dolinas sobre estes, além do processo de inversão alagamentos, que na época seca transformam-se em do relevo, através da competição entre depressões, são zonas de solo argiloso escuro e úmido. Quando o solo apagadas as antigas rotas de escoamento superficial. residual do calcário é muito argiloso, os sumidouros Os cones cársticos representam testemunhos dos e canais de percolação podem ser totalmente interflúvios hoje dissecados, e os fundos das dolinas colmatados por estas argilas, não permitindo, desta correspondem, aproximadamente, à superfície maneira, a percolação da água para o subsolo. Nestes rebaixada dos paleo talvegues dos sistemas fluviais. casos, as depressões podem transformar-se em Os rios alógenos desenvolvem importantes sistemas lagoas nas épocas de chuvas e de estiagens, sendo, de drenagem subterrânea, com sumidouros, cavernas muitas vezes, até perenes. Esta morfologia é típica de e condutos, em conseqüência da agressividade de dolinas de dissolução, associadas à infiltração vertical suas águas, cujo índice de saturação em carbonato difusa da água meteórica ao longo de fraturas e juntas de cálcio é muito baixo. É comum a existência de vales alargadas. Convém salientar que o material coletado secos que normalmente são associados a captações pelas depressões é enviado para o subsolo, onde são alógenas e aos mais desenvolvidos sistemas de depositados nos condutos e cavernas. Este material cavernas. Os vales secos podem ser traçados facilmente residual poderá diminuir com o tempo, se houver sobre fotos aéreas. A presença de sedimentos fluviais mudanças nas condições de recarga das depressões alóctones, transportados por longas distâncias, dentro ou variação na energia de transporte das águas dos calcários, indica que um importante sistema fluvial pluviais. É comum encontrar esse tipo de material precedeu os vales atualmente quase secos. nas zonas de dissolução durante as perfurações dos A diminuição da vazão a jusante, não somente poços tubulares em carstes. Esses sedimentos podem concentrada em sumidouros pontuais, indica uma ser removidos através de desenvolvimento dos poços, infiltração dispersa, que, por sua vez, sugere condutos mas, em alguns casos, a quantidade de material é muito cársticos pouco desenvolvidos, na maioria dos casos. grande e tal procedimento torna-se muito oneroso. Outra paisagem comum é formada pelas depressões Assim, é preferível “isolar” essas zonas cársticas fechadas de grandes dimensões (algumas dezenas com a colocação de revestimentos nos poços. Outro a centenas de metros). Estas depressões são fenômeno que pode ocorrer é a “chegada” intermitente consideradas como sendo uma unidade essencial de de material detrítico para dentro dos poços no subsolo, relevo cárstico (Gunn, 1981) e exibem características oriunda de erosão sub-superficial natural ou estimulada muito semelhantes às de pequenas bacias de pelos bombeamentos dos poços. A colocação de drenagem superficial. Considerando que a bacia filtros nos poços tubulares deve ser um procedimento hidrográfica é a unidade básica para investigações previsto para evitar o desgaste dos equipamentos 158 Cap_3.3_FFI.indd 6 9/12/2008 21:15:20 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações de bombeamento decorrente deste material detrítico Circulação de água em Meio Cárstico encontrado no subsolo do carste. Algumas dolinas ou uvalas são perenes e permanecem com água durante O reconhecimento atual da herança fluvial ou a todo o ciclo hidrológico, normalmente, com pouca reconstituição da paisagem pretérita, parcialmente variação do nível da água entre as épocas de estiagens preservada, permite, algumas vezes, obter o traçado e de chuva. Estas formas cársticas são associadas a aproximado da antiga rede de drenagem superficial afloramentos do lençol freático. sobre os calcários, que é uma importante informação para o entendimento do escoamento subterrâneo de hoje. Os rios alógenos (que nascem fora do carste, por exemplo, o rio Peruaçu-MG), conforme mencionado anteriormente, desenvolvem importantes sistemas de drenagem subterrânea nos carstes, com sumidouros, cavernas e condutos, em conseqüência da agressividade de suas águas, onde o índice de saturação em CaCO3 é muito baixo (Silva, 1973). É comum a existência de vales secos que, normalmente, são associados a captações alógenas e aos mais desenvolvidos sistemas de cavernas. Na zona de aeração do aqüífero é comum a existência de Figura 3.3.7 - Esquema de evolução de uma dolina aqüíferos suspensos em meios cársticos (Miller, 1982). (modificado de Lladó, 1970). A causa principal da existência desses aqüíferos suspensos é a não uniformidade da permeabilidade e a presença de aquicludes locais intercalados. As águas infiltradas descem através da zona de aeração, com predomínio da componente vertical do movimento, até encontrar um aquiclude local e formam correntes horizontais de água em cavernas suspensas. Estes “rios subterrâneos” suspensos descarregam as suas águas, de modo intermitente, através de surgências ou vão “alimentar” as zonas de saturação dos aqüíferos sotopostos. Estes aqüíferos suspensos podem ser somente pequenos “bolsões” de água ou formar correntes de água perenes ou Figura 3.3.8 - Esquema da evolução de diversas formas sazonais. As características hidrodinâmicas dessas cársticas (modificado de Lladó, 1970). correntes são análogas às dos rios superficiais, salvo na presença de condutos totalmente inundados. As velocidades de circulação da água nestas cavernas são muito variáveis e dependem, fundamentalmente, da estação do ano, do traçado, tipo e gradiente dos condutos e da procedência da água. Figura 3.3.9 - Vista em planta e em perfil de um vale cego (modificado de Lladó, 1970). Figura 3.3.10 - Relação entre o lapiaz e outras formas Figura 3.3.11 - Entrada do sumidouro do rio do Cedro, cársticas (modificado de Lladó, 1970). Montes Claros / MG. 159 Cap_3.3_FFI.indd 7 9/12/2008 21:15:20 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos Na zona de saturação, a água circula através de todos os vazios das rochas (poros, fissuras, condutos, cavernas e outros) durante todo o ano. O limite inferior da zona de saturação, na maioria das vezes, não é congruente com o nível de água de um rio, lago etc, conectado ao aqüífero, mas pode se estender a um substrato impermeável mais profundo (figuras 3.3.12 e 3.3.13). Sabe-se que os condutos resultam de um processo seletivo e que pode ser ampliado por dissolução de alguma fissura (figuras 3.3.14 e 3.3.15). O resultado desse processo é que torna a permeabilidade do carste variável de um ponto a outro e em diversas direções no interior do maciço cárstico (Williams,1985). O processo de desenvolvimento Figura 3.3.14 - Surgência do rio do Cedro, Montes Claros / MG. de um carste normalmente vai acentuando o papel de drenos coletores de zonas localizadas (falhas ou áreas de fissuração intensa) e podem chegar a formar circulações concentradas em condutos quase independentes, cujo sentido do fluxo de água pode não ser congruente com o sentido geral do fluxo na zona de saturação, pois está determinado localmente pela distribuição da carga hidráulica dos ditos condutos. A direção do movimento da água subterrânea nos carstes é determinada pela estrutura tectônica, pelos processos de esculturação do aqüífero e a situação das zonas de recarga e descargas mais recentes (figuras 3.3.16 e 3.3.17). A velocidade da água no subsolo é muito pequena Figura 3.3.15 - Preenchimento de dolinas por argila alógena, e as reservas renovam-se lentamente. A água neste tipo Januária /MG. de aqüífero sofre uma transformação considerável em sua composição química, alterando-se muito em função dos processos de dissolução (Pulido, 1978). Figura 3.3.16 - Imagem de satélite do vale cárstico do rio Peruaçu, Itacarambí / MG. Figura 3.3.12 - Modelo de circulação de um carste (modificado de Castany, 1971). Figura 3.3.13 - Tipos de fontes naturais em aqüíferos Figura 3.3.17- Evolução de uma bacia flúvio cárstica tropical cársticos, (modificado de Castany, 1971). (modificado de Lladó, 1979). 160 Cap_3.3_FFI.indd 8 9/12/2008 21:15:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 3.3.3 estudo Hidrogeológico em mas, também, para conhecer a paleogeografia ou a Aqüífero Cárstico história dos eventos geológicos que agiram sobre as camadas e que podem ter influenciado notavelmente Apesar das peculiaridades geomorfológicas e no aumento ou na diminuição de porosidade e hidrogelógicas, o estudo dos aqüíferos cársticos é permeabilidade primária das rochas carbonáticas. fundamentalmente realizado como em qualquer outro A geofísica é uma ferramenta que em alguns casos reservatório de água subterrânea. O importante é também pode ser aplicada no estudo dos carstes imaginar um modelo conceitual de funcionamento do (Astier1975; Escodino & Silva, 1980). Esta ferramenta aqüífero, tendo em conta estas peculiaridades que auxiliar de pesquisa não deve ser considerada como podem introduzir os fenômenos cársticos. Convém uma panacéia (ver detalhes no capítulo 4.2). salientar, no entanto, que cada sistema aqüífero estudos geomorfológicos - o processo de cárstico possui características próprias e que modelos carstificação tem uma grande influência na evolução hidrogeológicos pré-concebidos e inspirados em geomorfológica. A forma do carste atual é o resultado outros carstes, normalmente, não são adaptáveis a do desenvolvimento das formas cársticas, através todos os sistemas. de vários processos, em etapas anteriores. Assim, o estudo geomorfológico deve ser orientado no sentido de levantamentos Básicos reconstituir-se a evolução cárstica da área. A elaboração Os levantamentos básicos são os mesmos utilizados de um mapa geomorfológico é fundamental. Este mapa para pesquisa em qualquer tipo de aqüífero. No entanto, deve conter, essencialmente, a drenagem superficial, as pode-se destacar alguns enfoques específicos para unidades geomorfológicas, o cadastramento das formas serem aplicados nos estudos dos carstes. cársticas e os declives topográficos. Na interpretação dos mapas geomorfológicos, devem ser ressaltados os estudos geológicos - os estudos geológicos seguintes aspectos: clássicos (estratigrafia, litologia, estrutural, tectônica e outros) permitem, em geral, definir o comportamento • variação de características do solo quanto à per mais preciso das camadas de calcário. Como se sabe, meabilidade, através de um estudo da densidade nos calcários e dolomitas compactos, a situação dos de drenagem; condutos ou fissuras formadas pela dissolução é • zonas de recarga e descarga do aqüífero; determinada por um conjunto de variáveis, tais como • circulação preferencial da água subterrânea; diáclases, mudanças laterais e verticais de fácies, • análise morfométrica das bacias hidrográficas. permeabilidade inicial, evolução paleogeomorfológica etc. O estudo geológico pode proporcionar elementos Fotogeologia - a utilização de fotos aéreas e e orientações interessantes sobre essas variáveis, imagens de satélites tem por objetivos principais mas, mesmo assim, estas orientações devem ser definir: a natureza Iitológica da área, as formas utilizadas com prudência (Braun, 1968; Dardenne, estruturais existentes, a natureza da vegetação, a 1978; Dominguez & Missi, 1993; Moutinho da Costa & densidade de drenagem e estudar as formas de Angeiras, 1970). Para uma boa análise hidrogeológica relevo. Devem ser utilizadas fotografias aéreas de uma zona cárstica, o conhecimento geológico deve convencionais, em escala adequada, fotografias ser orientado para os seguintes aspectos: aéreas infravermelhas, imagens de radar e imagens • elucidar as grandes estruturas geológicas regionais de satélite, figuras 3.3.18 e 3.3.19. É importante um preferentemente com uso de blocos diagramas em reconhecimento de campo dos fotolineamentos três dimensões, (Silva e Escodino1980); interpretados. Se possível, as fraturas principais devem ser separadas das secundárias, como também • determinar o conteúdo não solúvel ou solúvel dos aquelas com deslocamentos e sem deslocamentos principais tipos de rochas; ou as fraturas abertas das preenchidas. Além do • realizar uma cartografia de detalhe, com ênfase estudo das fraturas, uma ênfase especial deve nos afloramentos de rochas carbonáticas e ser dada ao estudo das dolinas e outras formas presença de materiais grosseiros; cársticas. Neste estudo deve-se identificar as • analisar a presença de variações faciológicas, formas geométricas das dolinas e o seu tipo de variação da granulometria, presença de argila preenchimento, como também deve ser verificada e outras, a partir de observações de campo a presença de afloramentos de calcários nas áreas e de dados de poços que ocorram em zonas próximas. Além disso, devem ser observadas as calcárias. relações entre as dolinas e as lineações. O conhecimento da disposição das camadas Hidroclimatologia - considerando que a infiltração, calcárias, nos afloramentos e em profundidade, é muito circulação de água, presença ou ausência de solos e importante, não só para determinar as dimensões vegetação nos carstes está intimamente relacionada geométricas e a posição do reservatório subterrâneo, com o clima, é muito importante o manejo dos dados 161 Cap_3.3_FFI.indd 9 9/12/2008 21:15:27 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos • comprovação dos divisores da bacia hidrográfica; • verificação da congruência entre os divisores da bacia hidrográfica com os da bacia de água subterrânea; • instalação de uma estação meteorológica temporal composta de aparelhos simples (pluviômetros, pluviógrafos, termógrafos, psicrômetro e, se possível, tanque de evaporação) em lugar representativo; • inventário de detalhe das ocorrências de derivações dos cursos de água, irrigação e retornos, além de poços e zonas encharcadas; Figura 3.3.18 - Alinhamento de dolinas visto em imagens do satélite Landsat, carste do Jaiba / MG. • cartografia da vegetação; • controle de variações de nível de água em poços existentes. Inventário de Pontos de água - o inventário de pontos de água deve ser o mais completo possível, incluindo veredas, lagoas, fontes, zonas pantanosas, poços tubulares, poços manuais e poços abandonados ou fora de uso. Estes poços fora de uso podem ter um grande interesse para a rede de observação da superfície do lençol de água subterrânea. Após o processamento e análise dos dados do inventário, deve-se fazer uma seleção de poços, distribuídos estrategicamente, para que possam ser efetuadas as medidas periódicas de níveis piezométricos e para a colocação de linígrafos Figura 3.3.19 - Área com dolinas visto na imagem do satélite de medidas contínuas de nível de água. Landsat, Monte Azul / MG. hidroclimatológicos, principalmente quando estes estudo com técnicas Convencionais dados são utilizados para o balanço hídrico com Após os levantamentos dos dados, procede- fins de planejamento de explotação do aqüífero. se à sua seleção e interpretação com as técnicas Deve-se realizar o balanço climatológico com as hidrogelógicas usuais, visando adquirir informações médias mensais e também mês por mês, durante sobre as características do aqüífero. Alguns pontos o período mais longo possível, de preferência com relevantes destas técnicas nos estudos dos carstes 10 a 20 anos, para ver as variações de um ano para são destacados a seguir. o outro. Determinar os excedentes de cada mês, de cada ano e os valores médios. Comparar se os geohidroquímica - a interpretação das análises valores médios, deduzidos dos valores mensais, são químicas das águas deve ser feita tendo em vista os razoavelmente semelhantes àqueles deduzidos a seguintes objetivos principais: partir de dados médios. • definir as características e evolução das águas Hidrologia de superfície - as relações entre os rios dos rios; de superfície e os aportes de águas subterrâneas que • determinar a origem da mineralização e do eles recebem dos aqüíferos cársticos dependem das movimento das águas subterrâneas; condições climatológicas, geográficas e geológicas. • definir as possíveis relações rio-aqüifero; Por outro lado, nos carstes, as águas infiltradas no subsolo pela absorção do escoamento superficial • avaliar a recarga dos aqüíferos por infiltração podem voltar à mesma bacia hidrográfica, mais a profunda das águas de chuva; jusante, ou desviar-se para outra bacia hidrográfica ou • fazer o balanço hidroquímico através do ion cloreto outros aqüíferos. No estudo hidrológico de bacias em da chuva e da água subterrânea. áreas cársticas devem ser realizados, basicamente, os seguintes trabalhos: Estas técnicas qualitativas, que em determinadas c i r cuns tânc ias podem t rans fo rmar-se em • reconhecimento geológico de detalhe; semiquantitativas, têm um caráter convencional e • instalação de estações fluviométricas provisórias não devem ser utilizadas isoladamente para elaborar com leitura freqüente ou com linígrafo; modelos de funcionamento de aqüíferos. 162 Cap_3.3_FFI.indd 10 9/12/2008 21:15:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações estudos Potenciométricos - os estudos Isótopos Ambientais - os isótopos ambientais potenciométricos são essenciais para a compreensão que estão envolvidos no ciclo hidrológico vêm sendo do funcionamento dos sistemas aqüíferos e para poder utilizados, nos últimos anos, como traçadores naturais efetuar qualquer comparação posterior entre métodos nos estudos dos recursos hídricos subterrâneos de ou técnicas de prospecção empregados nas pesquisas carstes (Plata,1972). Os principais isótopos utilizados hidrogeológicas. A superfície potenciométrica deve são o deutério, oxigênio-18 e o trício (Plata & Silva, ser construída a partir dos dados do inventário. É 1980). Os dois primeiros são estáveis e encontrados importante observar, durante as interpretações, os em todas as águas, em proporções que variam de seguintes fatos: acordo com suas origens. O trício é radioativo e • nos locais próximos às descargas naturais de produzido na atmosfera por radiações cósmicas ou, água, os níveis piezométricos podem crescer mais recentemente, pelas explosões termo-nucleares com a profundidade; (bomba de hidrogênio). A sua concentração nas águas subterrâneas varia com a idade das mesmas • é possível que em algumas zonas os níveis ou por contaminação das explosões termo-nucleares. apresentem anomalias, se o fraturamento das Como a distribuição dos isótopos estáveis de rochas tiver um desenvolvimento pequeno. Por deutério e oxigênio-18 depende das circunstâncias outro lado, é possível que existam pequenas hidroclimatológicas na atmosfera e não de reações variações de nível de uma zona permeável para no terreno, o seu estudo oferece um caminho mais outra, dependendo das condições particulares de fácil para a interpretação, que os íons de elementos recarga, descarga e intercomunicação de camadas químicos dissolvidos na água, ainda que perdendo parte portadoras de água; da informação sobre o movimento no terreno. Assim, • em áreas em explotação de água subterrânea, estes traçadores são complementares aos estudos podem aparecer depressões que devem ser hidroquímicos, além do que podem ser comparados, interpretadas com cuidado; também, a outros parâmetros, tais como tipo de fluxo • os mapas das superfícies potenciométricas, nos poços, profundidade das fendas, salinidade das construídos com dados de períodos secos, podem águas e outros (Bedmar & Silva, 1980). O trício, como ser muito diferentes daqueles de período úmidos; é radioativo, permite determinar o tempo médio de • a análise das oscilações dos níveis da superfície residência da água no aqüífero. Para a interpretação do “lençol” de água subterrânea pode ser útil para das análises isotópicas das águas subterrâneas, é determinar os efeitos de recarga e descarga do necessário o conhecimento da composição isotópica aqüífero e a variação do armazenamento de água; das precipitações locais, cujos dados existem na rede pode-se, também, calcular a relação T/S, a partir mundial de observação isotópica. É possível calcular da curva de recessão dos níveis piezométricos o valor médio provável de deutério e oxigênio-18 nas medidos, como também da curva de recessão águas subterrâneas provenientes das infiltrações de vazões de fontes naturais ou da relação rio- de precipitações, levando-se em conta os valores aqüífero. ponderados médios anuais da área em estudo. Maiores detalhes sobre a aplicação de isótopos em estudos determinação de Parâmetros Hidrogeológicos - hidrogeológicos são apresentados no capítulo 4.3. apesar dos sistemas cársticos não satisfazerem totalmente às condições de aplicação das equações de Theis ou traçadores Artificiais - o estudo dos fluxos existentes de Jacob (capítulo 6.4), é possível, em alguns casos, no interior dos poços permite obter informações sobre determinar os valores de transmissividade e do coeficiente a velocidade da água no aqüífero não perturbado por de armazenamento, a partir de testes de bombeamento, bombeamento e, portanto, sobre o esquema geral de utilizando-se estas equações. Deve-se ressaltar que estes fluxo do mesmo. Por outro lado, permite determinar a parâmetros do aqüífero não devem ser extrapolados para locação dos níveis permeáveis nas diferentes áreas qualquer ponto, principalmente em grandes áreas. Os do aqüífero e identificar zonas de recarga e descarga. valores encontrados são representativos apenas para as A perfilagem de poços com traçadores é um ensaio condições ao redor do poço testado. As curvas obtidas de tipo local e os seus resultados não podem ser em testes de bombeamento refletem normalmente os extrapolados para todo o aqüífero, a menos que se fenômenos de barreiras geológicas ou de recarga do disponha de ampla informação da homogeneidade aqüífero. Este fato é atribuído como sendo decorrente do sistema ou que se realizem ensaios em um elevado do próprio sistema cárstico que é descontínuo, com número de poços, para que os resultados possam ser intercomunicações dos diversos subsistemas fissurais considerados como representativos. O traçador usado que, por sua vez, são caracterizados por uma forte para estes ensaios pode ser radioativo (bromo 82, iodo permeabilidade vertical. Numa amostra estatística destes 131 e outros), com medidas através de detectores Geiger- parâmetros, deve-se sempre considerar o valor modal Müller ou cintilômetros, ou traçador químico (NaCI), com como sendo o mais representativo do aqüífero cárstico. medição da condutividade elétrica da água (Silva e A média pode estar assimétrica e não ser representativa Escodino.1980). O trício artificial também é usado para do parâmetro mais comum do aqüífero. medir o coeficiente de infiltração de água no solo. 163 Cap_3.3_FFI.indd 11 9/12/2008 21:15:28 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos Processamento de dados • congruência de dolina-fratura (número de dolinas controladas por fraturas ou a elas relacionadas Com base nos dados obtidos e interpretações dentro de cada malha); realizadas nas etapas anteriores, é possível elaborar • dados de poços (vazão específica, vazão específica hipóteses e testar modelos de funcionamento do por metro de penetração no aqüífero, transmissividade, aqüífero, a fim de estabelecer-se as suas condições coeficiente de armazenamento e outros); de explotação e planejar a utilização dos seus recursos hídricos (Cruz & Silva, 1980). Na definição do modelo de • parâmetros químicos da água (dureza, condutividade funcionamento do aqüífero, procura-se delimitar zonas elétrica, cloreto, resíduo seco, em alguns casos, o homogêneas (sub-bacias hidrogelógicas) e analisar sulfato e outros); e definir as suas condições de recarga, circulação, • dados topográficos (altitudes de pontos, níveis armazenamento e descarga. O planejamento de potenciométricos e outros); utilização dos recursos hídricos tem o objetivo de • densidade de drenagens superficiais (relação definir linhas de explotação racional do aqüífero para a entre comprimento de drenagem e a área da demanda requerida. malha preestabelecida). estudos especiais Todas estas superfícies deverão ser comparadas para investigar-se as possíveis correlações entre as Em muitas circunstâncias, a aplicação de técnicas diversas variáveis. convencionais no estudo de um carste não é suficiente para caracterizar o sistema hidráulico desse tipo de estudos de Casos aqüífero. Assim, pode-se utilizar algumas técnicas O estudo do carste do norte mineiro (região de Montes especiais que auxiliam ou complementam os estudos Claros/Janaúba/Jaíba/Januária), durante vários anos, ou hipóteses de trabalho. A utilização de imagens permitiu o conhecimento do funcionamento regional e de satélite é uma dessas técnicas especiais. A local do aqüífero e propiciou a explotação das águas interpretação automática de imagens de satélite em subterrâneas de maneira mais racional e com menor microcomputadores, através de sistemas interativos, custo. Conforme mostra a figura 3.3.20, as rochas permite a execução de uma série de operações. pelíticas e carbonáticas do Grupo Bambuí são recobertas Esses sistemas possibilitam a realização de realces por rochas sedimentares detríticas do cretáceo e do de imagens que melhoram a visualização da área quaternário e são bordejadas por rochas que constituem estudada. Dentre estes realces podem-se destacar: as faixas de dobramentos geológicos desenvolvidos ampliações (zoom), composições de cores, realce durante o ciclo geotectônico Brasiliano, em decorrência de bordas, multiplicações ou divisões por fatores de processos pós geossinclinais no Ordoviciano. preestabelecidos, operações de canais do satélite, A seqüência de rochas do Grupo Bambuí, por rotação espectral, filtragens digitais, classificação de outro lado, foram depositadas sobre rochas graníticas alvos e outros (maiores detalhes no capítulo 4.4). gnáissicas do cráton do São Francisco, que é Outra técnica especial é a análise estatística de uma plataforma rígida, cujo embasamento teria se parâmetros através de superfícies de tendência. A análise de consolidado em tempos pré-brasilianos. Segundo superfícies de tendência estatística consiste em comparar Almeida (1977), as deformações geoestruturais que modelos matematicamente definidos (polinômios ou se observam na cobertura brasiliana sobre o cráton séries duplas de Fourier) com o comportamento regional são reflexos da tectogênese das faixas marginais de (tendências) das variáveis de interesse para o estudo dobramento. As rochas do Grupo Bambuí, na região do aqüífero. Os produtos desse processamento são os em questão, foram submetidas a esforços tectônicos mapas de isovalor e os mapas de resíduo (diferença entre oriundos das faixas de dobramentos Araçuaí, a leste, e os valores observados e os do modelo). Estes mapas Brasília, a oeste, conforme mostra a figura 3.3.21. Estas podem ser usados para identificar ou analisar as áreas faixas apresentam dobramentos lineares holomórficos anômalas do aqüífero. O objetivo principal dessa análise e grandes falhamentos inversos, num conjunto de superfícies de tendência é de se procurar relacionar estrutural que manifesta acentuadas vergências em (correlacionar) as variáveis de interesse, dentre as quais direção ao cráton. Tais vergências resultaram num destacam-se: transporte tectônico em direção à região em apreço, • linhas de fraturas (fotolineamentos); através de esforços de compressão sobre as rochas da cobertura do cráton (Grupo Bambuí). A faixa Araçuaí • densidade de dolinas (relação entre a área das provocou esforços que agiram segundo uma direção dolinas que correm em uma malha preestabelecida geral, variando de aproximadamente N50 a 60W, e e a área desta malha); a faixa Brasília, segundo N30 a 40E. Estes esforços • densidade de fraturas (relação entre o comprimento provocaram deformações e rupturas na cobertura, das linhas de fraturas que ocorrem dentro de uma originando dobramentos, principalmente nos pelitos, malha preestabelecida e a área desta malha); nas partes próximas às bordas do cráton. Em direção 164 Cap_3.3_FFI.indd 12 9/12/2008 21:15:28 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 3.3.20 - Geologia do carste da região do norte de Minas Gerais (modificado de Silva,1984). Nas porções mais orientais da região predominam as direções N6OW da faixa de dobramentos Araçuaí e nas ocidentais, as N3OE da faixa Brasília. O relevo atual e o carste são recentes e foram instalados sobre esta configuração geoestrutural pré-existente, que condiciona a drenagem e a circulação de água Figura 3.3.21 - Esquema de deformação do Grupo Bambuí, subterrânea, tendo como nível de base regional o norte de Minas Gerais (modificado de Silva,1984). rio São Francisco. Não há indícios de reativação tectônica recente na região. Tudo isto indica que ao interior da bacia Bambuí, todavia, as camadas o reconhecimento do funcionamento hidráulico do tornam-se pouco perturbadas, dispondo-se, de forma carste passa primeiro pelo estabelecimento do modelo subhorizontal, em vastas extensões. Assim, o cráton geoestrutural da região, isto é, existiam as fraturas e comportou-se como “substrato indeformável” a estes somente depois a dissolução das rochas carbonáticas esforços marginais, evitando grandes movimentações se processou. Em vista do modelo geoestrutural e da tectônicas do Grupo Bambuí. Conseqüentemente, tem- evolução cárstica do aqüífero, descritos anteriormente, se um modelo de deformação simples onde não devem pode-se concluir que as direções dos fluxos das ser esperados grandes falhamentos transcorrentes. Do drenagens subterrâneas do aqüífero são congruentes exposto e com as observações de campo, verifica-se a com as das drenagens superficiais intermitentes ou existência de duas direções principais de esforços de mesmo as perenes, salvo raras exceções locais. deformação na região: N6OW e N3OE. No modelo de Um outro caso é o da mineração Pedra do Sino, deformação teórico, o maior esforço seria oriundo da no município de Cirandai/MG, que está estudando vergência da tectogênese e o menor seria o esforço sua mina de calcário com vistas ao conhecimento horizontal. Não existiram condições de cisalhamentos hidrogeológico local e regional. O primeiro passo foi a marcantes, conforme explicado anteriormente. elaboração do modelo hidrogeológico da área. O mapa Como o calcário é uma rocha rúptil, os esforços de geológico elaborado no âmbito deste estudo e o estudo compressão das vergências provocaram as rupturas de hidrogeológico realizado mostram que o calcário da distensão, mais abertas, e, secundariamente, fraturas formação Prados (material lavrado) está delimitado ao longitudinais aos esforços e poucas de cisalhamento. norte e nordeste por rochas do complexo basal pouco Como os esforços das duas vergências tectônicas permeáveis. Nas porções oeste e sul são sobrepostos (Brasília e Araçuaí) são perpendiculares entre si, tanto pelas rochas pelíticas, também pouco permeáveis, as fraturas de distensão como as de compressão são da formação Barroso. Assim, aparentemente, não abertas e importantes para a hidrogeologia. existe nenhum “alimentador” regional externo de água 165 Cap_3.3_FFI.indd 13 9/12/2008 21:15:28 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos para o aqüífero, além da infiltração pluvial e fluvial 3.3.4 explotação das águas subter- locais. Por outro lado, as deformações tectônicas que atingiram os calcários, fazem parte do último evento râneas em Carste e são diferentes das registradas no complexo basal, As preocupações iniciais que se deve ter para a sugerindo, desta maneira, que não existem grandes explotação de um carste são a concepção do modelo falhamentos conectando este complexo aos calcários hidrogeológico, a definição das zonas preferenciais por onde poderia haver uma “descarga” profunda de circulação das águas subterrâneas e a delimitação de água dos calcários para o complexo basal. Desta das principais zonas de recarga-descarga do aqüífero, maneira, o complexo basal seria um limite impermeável tanto ao nível local como no regional. Adianta-se que, do aqüífero cárstico. O único ponto de descarga do nas zonas de recarga, normalmente, os níveis de água aqüífero cárstico, aparentemente, seria superficial para do aqüífero variam muito entre as épocas úmidas o córrego Frio, onde o fundo do seu vale (esculpido no complexo basal) está em topografia mais elevada e as de estiagens, chegando, em alguns casos, a do que os calcários. Não há evidência de carstificação secar nas porções mais elevadas do aqüífero. As profunda na área da mina. Na abertura da cava atual áreas de descarga do aqüífero apresentam menores não se observa a carstificação em profundidade e, pelo oscilações sazonais dos níveis de água, de maneira próprio confinamento lateral ou delimitação do aqüífero que os poços perfurados nessas áreas conservam pelo complexo basal, não existem condições teóricas a mesma vazão durante todo o ciclo hidrológico de processos de carstificação em profundidade. Isto natural. Convém salientar que os aqüíferos cársticos é corroborado pelo fato de não ter havido fenômenos possuem uma capacidade de armazenamento que locais de soerguimento ou de afundamento dos varia plurianualmente. Assim, há uma oscilação natural calcários em relação ao complexo basal. A carstificação e regional da superfície potenciométrica que abrange superficial (com formação da caverna na margem do vários ciclos hidrológicos. Esta variação pode ser córrego Frio) ocorreu apenas na porção do vale do ascendente ou descendente, dependendo do volume córrego Frio nos calcários aflorantes ou superficiais, de infiltração anual das águas superficiais. por onde houve circulação de água superficial através A concepção do modelo hidrogeológico inclui, destas rochas, em épocas pretéritas. Não há condições também, a definição e classificação dos principais físicas de circulação profunda de água.em decorrência esforços de deformação tectônica que atuaram dos limites impostos pelo complexo basal. A zona de nas rochas da área, bem como dos processos de recarga do aqüífero da área da mina é apenas local, carstificação que esculpiram o relevo e as formas de por infiltração pluvial e por infiltração de águas fluviais dissolução das rochas. O conhecimento prévio desta das pequenas drenagens que ocorrem na área em tectônica e dos processos morfogenéticos é uma questão. Com o conhecimento atual pode-se prever um ferramenta muito importante que poderá auxiliar na aqüífero local com as seguintes características: pouca escolha do local para perfuração dos poços. Todos carstificação em profundidade, poços com vazões não os critérios de locação de poços são baseados em muito elevadas, realimentação por águas pluviais, zona informações e aspectos morfológicos superficiais de descarga apenas pelo córrego Frio, circulação de observados em fotos aéreas, imagens de satélites e água subterrânea profunda incipiente, fraturamentos no campo, que refletem a ocorrência e a circulação das rochas calcárias muito fechados em profundidade, de água no subsolo. Em aqüíferos cársticos, estes sem realimentação regional (figura 3.3.22). parâmetros podem ser muito nítidos ou encontrarem- Figura 3.3.22 - Falha geológica com pouca carstificação, mina Pedra do Sino, Carandaí / MG. 166 Cap_3.3_FFI.indd 14 9/12/2008 21:15:29 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações se mascarados por superimposição de eventos A classificação das dolinas como indicadoras de geológicos, morfogenéticos ou tectônicos que água subterrânea, pode ser feita considerando-se conduzem a uma interpretação errada (figura 3.3.23). o seu diâmetro, forma, grau de preenchimento por A vantagem dos aqüíferos cársticos sobre os material detrítico, permeabilidade e relação com meios fraturados é que, além da sua malha de fraturas, as outras estruturas geológicas. As dolinas com existe, também, o sistema de dissolução das rochas menores diâmetros sugerem menor grau de evolução carbonáticas que armazenam e transmitem as águas da carstificação ou infiltração rápida da água para o subterrâneas. Estas fraturas e carstificações, na maioria subsolo. É muito difícil que as dolinas de pequeno das vezes, apresentam traços superficiais que podem diâmetro sejam obstruídas por material argiloso ser observados em fotos aéreas ou nos levantamentos que dificulta a circulação de água subterrânea. no campo. Outro ponto muito importante é a definição Normalmente, as dolinas com menores diâmetros são da gênese e classificação tanto das fraturas e falhas as indicadoras de ocorrência de água subterrânea. Os geológicas como das formas cársticas de dissolução. grandes diâmetros das dolinas normalmente sugerem Num sistema de deformação tectônica rígida de um grau de evolução e desenvolvimento maior e a empurrão, por exemplo, as fraturas mais abertas, com grande possibilidade do preenchimento das cavidades maior possibilidade de ocorrência e circulação de água do subsolo por argilas, como também a menor subterrânea, são aquelas longitudinais às direções dos circulação de água subterrânea. Quando as dolinas esforços de deformação. Secundariamente, aparecem possuem grandes diâmetros e pequenas profundidades as fraturas transcorrentes (fraturas de cisalhamento) a há possibilidade do seu desenvolvimento ter sido estes esforços e as menos promissoras são as fraturas preferencialmente lateral e horizontal formando uma transversais. pseudo carstificação superficial. É muito comum este Nas áreas onde não afloram rochas carbonáticas tipo de dolina em camadas carbonáticas superficiais, e predominam as rochas pelíticas, sem formas de pouca espessura, sobreposta a rochas pelíticas de dissolução cárstica aparente, deve-se locar os onde são muito reduzidas as possibilidades de poços nos cruzamentos da fraturas. As principais ocorrência de água no subsolo. formas cársticas superficiais são as dolinas, uvalas A forma das dolinas pode dar informações sobre os e sumidouros. Assim, em toda formação de dolinas processos de carstificação que atuaram em uma área e houve a participação da água na sua elaboração, sobre sua gênese. As dolinas com formas elípticas, por água esta que infiltrou no subsolo e migrou para algum exemplo, normalmente são relacionadas a fraturamentos outro ponto do aqüífero, sugerindo, desta maneira, anteriores das rochas nos quais esta dolina foi uma circulação de água subterrânea naquele ponto desenvolvida. O maior eixo da elipse corresponde onde ocorre a dolina. Este processo contínuo de à direção do fraturamento e, conseqüentemente, à esculturação das dolinas pode, em certas condições, direção do principal sistema de circulação de águas carrear material detrítico, principalmente argilas, para o subterrâneas. Em menor proporção, as formas elípticas seu interior e, em alguns casos, obliterar os condutos são oriundas da instalação de dolinas ao longo da subterrâneos e interromper a infiltração e a circulação direção das camadas, naqueles casos onde as de água no subsolo. Com isto, podem existir dolinas rochas carbonáticas apresentam fortes mergulhos. não ativas que não são boas como indicadores de Em camadas horizontais é muito difícil ocorrer dolinas ocorrência de água subterrânea. Adianta-se que uma elípticas não relacionadas a fraturas. As dolinas em dolina obliterada, em determinadas circunstâncias, forma de gotas normalmente são sumidouros de pode ser reativada e regenerar o processo de água e a parte mais arredondada da gota é a que está circulação de água subterrânea naquele ponto. relacionada à circulação subterrânea das águas. Este tipo de dolina normalmente apresenta o seu fundo inclinado para a parte mais arredondada da gota. É muito comum ocorrerem dolinas com esta forma nas zonas de recargas dos aqüíferos. Estas feições são muito comuns nos carstes da região de Irecê-lraquara, na Bahia, e da região de Montes Claros-Janaúba, no Norte de Minas Gerais (Silva, 1995). As formas circulares são as mais comuns. No entanto, a análise individual de uma dolina com forma circular não permite identificar a direção preferencial de circulação das águas subterrâneas. A esta análise deve-se associar outras informações e interpretações hidrogelógicas. O grau de preenchimento das dolinas por material detrítico é outra informação de campo muito Figura 3.3.23 - Colapso do terreno preenchido por argila importante para determinação da ocorrência de água alógena, carste de Confins / MG. no subsolo e a direção e sentido do seu fluxo. 167 Cap_3.3_FFI.indd 15 9/12/2008 21:15:30 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos A evolução de uma dolina com o tempo pode permeáveis relacionados à circulação subterrânea, aumentar o seu diâmetro e sua profundidade. Em não necessariamente no seu centro. Assim, pode-se alguns casos, estas depressões nos terrenos podem encontrar dolinas menores ativas dentro de grandes propiciar o carreamento e deposição de material dolinas mais antigas. detrítico de fora para dentro das dolinas. Este processo A permeabilidade de uma dolina está relacionada pode acarretar um preenchimento parcial dos fundos com as suas condições de permitir a percolação das das dolinas e também dos condutos subterrâneos a águas pluviais para o aqüífero. Uma dolina é ativa elas relacionados. Nos casos onde o preenchimento quando toda água que flui para seu interior é transmitida das dolinas é feito por material argiloso, pode haver facilmente para o subsolo por sumidouros ou através uma completa vedação dos pontos de infiltração das de infiltração pelo material de preenchimento da dolina. águas nas dolinas e nos condutos de circulação das A dolina ativa tem pouca capacidade de reter água águas subterrâneas nas áreas circunjacentes. Com na superfície. O reconhecimento, no campo, de uma isto podem ocorrer dois fenômenos: o primeiro é o seu baixa capacidade de retenção de água, pode ser feito desenvolvimento lateral, com aumento do diâmetro da através da vegetação no interior das dolinas, uma vez dolina; e o segundo é a transformação destas dolinas que a vegetação rasteira aquática (quando acumula em lagoas temporárias. Nestes casos, as águas água superficial) é bem típica e diferente daquela de chuva são retidas, formando lagoas de dolinas, encontrada em dolinas ativas. É fácil identificar as áreas durante muito tempo após o período chuvoso. A água de sumidouros em dolinas preenchidas por material destas lagoas não tem nenhuma relação com as detrítico. Normalmente, encontram-se várias pequenas águas subterrâneas e constituem lagoas “suspensas” depressões circulares no terreno, com diâmetros e e isoladas da superfície potenciométrica do aqüífero. profundidades da ordem de alguns centímetros, muitas Existem, também, as dolinas que formam lagoas em vezes alinhadas segundo uma determinada direção. pseudocarstes, isto é, áreas onde predominam pelitos Tais depressões são formadas, nos períodos chuvosos, na superfície e rochas carbonáticas em profundidade. Os em decorrência da ação da infiltração turbulenta das afundamentos ou desmoronamentos de carstificação, águas superficiais e da lixiviação dos sedimentos para em profundidade, podem ser refletidos na superfície os condutos de dissolução sotopostos. Estas pequenas através de depressões impermeáveis semelhantes às depressões (buracos) recebem nomes curiosos na dolinas, que acumulam águas pluviais e não possuem região onde são encontradas, tais como: rebentão, relação com as águas subterrâneas. chupadores, mata cavalo e sumidouro. É possível que Um exemplo importante deste tipo de pseudocarste estas depressões no terreno também ocorram em é a lagoa principal da cidade de Lagoa Santa, em zonas ao longo de fraturas ativas ou, ainda, em áreas de Minas Gerais. Existem várias maneiras para identificar recargas dos aqüíferos, tornando-se um ótimo indicador se uma lagoa é suspensa ou está relacionada com da existência de água subterrânea naquele local. as águas subterrâneas. A mais segura é através da Há restrições a este indicador nas áreas de recarga análise da qualidade química ou isotópica da água. As dos aqüíferos, uma vez que mesmo existindo estas águas superficiais de chuva têm características bem depressões, a área pode não ser favorável à ocorrência diferentes das águas subterrâneas cársticas. de água subterrânea, porque pode haver migração das Outra maneira é a verificação de altitude da águas infiltradas para as zonas de descargas. Outra superfície da água da lagoa em relação à da superfície restrição a estas estruturas é que elas podem estar potenciométrica do aqüífero. Normalmente, as lagoas relacionadas a uma carstificação rasa, ou, mesmo, estão em cotas superiores, mas, cuidado, pois em pseudo carstificação, sem significação hidrogeológica alguns casos pode haver coincidências aleatórias. As importante. Existem, ainda, sumidouros em fraturas, relações topográficas, geológicas, hidrogelógicas e cavernas e em outras formas cársticas dentro de morfológicas das dolinas com as áreas circunvizinhas dolinas, cujos fundos são líticos de rocha sã. Adianta-se também podem fornecer elementos para identificação que nas zonas de recarga dos aqüíferos, as infiltrações da origem das lagoas. Convém salientar, ainda, que são mais turbulentas com carreamento violento existem dolinas com águas que são afloramentos de materiais detríticos (fração grosseira inclusive) do próprio “lençol” subterrâneo. Estas lagoas que e “entupimento” de sumidouros, enquanto nas de são afloramentos de águas subterrâneas dificilmente descarga, são poucos os vestígios de sedimentação são intermitentes. As lagoas temporárias e dolinas de fundo de dolina. colmatadas podem induzir a interpretações errôneas do A principal análise que deve ser feita nos estudos comportamento e ocorrência das águas subterrâneas. É hidrogeológicos dos carstes é a verificação das relações comum a reativação de dolinas que foram colmatadas entre as formas de dissolução e os fraturamentos das por material argiloso. Nestes casos, o processo de rochas. As dolinas relacionadas aos fraturamentos reativação normalmente começa com a instalação de normalmente são dispostas em linhas retas, facilmente pequenos sumidouros dentro do fundo das dolinas. visíveis em fotos aéreas ou em imagens de satélite e Estes sumidouros são instalados em qualquer ponto de radar, e sugerem que ali são as melhores zonas de do fundo das dolinas, normalmente nos locais mais circulação de águas subterrâneas. Quando ocorrem 168 Cap_3.3_FFI.indd 16 9/12/2008 21:15:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações alinhamentos de dolinas aos fraturamentos abertos da condicionados à dissolução e a malha e intensidade região (fraturas de compressão) há grande possibilidade do fissuramento das rochas. Estes parâmetros de existência de água subterrânea. hidrodinâmicos dos aqüíferos são válidos apenas para O alinhamento de formas cársticas em fraturas as condições de regime laminar de fluxo subterrâneo e com outras direções também pode ser indicador em meio poroso, condições estas que, na maioria das local de circulação preferencial de água. As uvalas vezes, não são atendidas pelos aqüíferos cársticos. A também podem ser desenvolvidas segundo direções grande heterogeneidade e anisotropia dos sistemas de fraturamentos, mas esta não é uma condição aqüíferos em meio cárstico, que é o resultado dos fundamental ou única. Desta maneira, no estudo fenômenos de deformação diferenciada das rochas de uvalas devem ser considerados outros fatores e dos processos de carstificação, confere a este tipo geológicos ou hidrogeológicos. Em alguns casos, nas de aqüífero uma grande variabilidade nos valores dos áreas onde ocorre uma grande densidade de dolinas seus parâmetros hidrodinâmicos. Estes parâmetros e a sua distribuição espacial parece ser caótica, refletem um componente regional, mas são fortemente torna-se difícil a identificação do relacionamento entre influenciados pelas características locais ao redor as formas tectônicas e as cársticas. Nestes casos, dos pontos onde eles foram determinados. Assim, sugere-se a superimposição do modelo de deformação durante a manipulação e análise dos valores destes ao alinhamento das dolinas, dando-se preferência parâmetros, deve-se tomar muito cuidado quanto à aos fraturamentos observados e não ao alinhamento sua representatividade local e regional. Tendo em de dolinas. Muitas vezes esta distribuição caótica vista esta grande variação, em estudos regionais ou de dolinas reflete uma carstificação superficial rasa, quando se deseja caracterizar um aqüífero cárstico de sobreposta a um substrato impermeável. uma bacia, deve-se considerar os valores que mais Alguns critérios que devem ser observados em ocorrem em uma distribuição estatística de dados, fotos aéreas e no campo para escolha dos melhores isto é, a moda estatística. Estes valores são os mais locais para perfuração de poços tubulares em regiões representativos. A média, que é normalmente usada, cársticas, são relacionados a seguir: ou também a mediana, pode ter ser seus valores • fraturas longitudinais ao esforço de deformação muito influenciados por grandezas extremas de um da rocha; determinado elemento em uma amostra estatística. As discussões sobre os sistemas aqüíferos, os modelos • pontos de cruzamentos de fraturas longitudinais hidrogeológicos de funcionamento hidráulico e suas com as transversais; relações com a evolução tectônica regional e local, • dolinas alinhadas a fraturas abertas; como também sobre os processos de carstificação • pontos de cruzamentos de fraturas longitudinais que agiram sobre determinada região e as relações com as de cisalhamento; rio-aquífero, são as chaves para o conhecimento • dolinas ativas com sumidouros; hidrogeológico dos carstes. Adianta-se que, para atingir estes conhecimentos, tem-se que participar • dolinas com diâmetros pequenos; de uma batalha árdua que requer muitos dados, • dolinas com formas elípticas; informações e esforços, além de, naturalmente, muito • dolinas que não acumulam águas pluviais; trabalho. • áreas com elevada densidade de dolinas; • áreas de descarga dos aqüíferos; 3.3.5 Aspectos Ambientais em Zonas • fraturas relacionadas com sumidouros; Cársticas • áreas de ocorrência de calcários mais puros (composição química da rocha); O principal problema ambiental dos carstes consiste nos freqüentes colapsos das superfícies dos • uvalas encaixadas em fraturas; terrenos, tanto em áreas rurais como nas urbanas. Na • uvalas ativas com sumidouros; literatura mundial encontram-se inúmeros exemplos • áreas intensamente deformadas e dobradas; destes acidentes e os “freqüentadores” de zonas • drenagem relacionada a fraturas ou a formas cársticas também são “acostumados” com estes Cársticas; “afundamentos” dos solos. Os casos que tiveram • zonas topograficamente baixas; maior repercussão aqui no Brasil foram os de Sete Lagoas em Minas Gerais e o de Cajamar no estado • drenagens secas, sem circulação de água de São Paulo. Em Sete Lagoas, no dia 04 de março superficial. de 1988, uma cratera de 20 m de diâmetro por cinco Por outro lado, conforme já registrado, a de profundidade “tragou” as paredes de uma pequena caracterização hidráulica dos aqüíferos cársticos mercearia, o muro e parte da arquibancada do estádio através de parâmetros hidrodinâmicos é muito difícil, em municipal, e afetou dezenas de edifícios num raio de vista de suas peculiaridades, onde o armazenamento 40 m, a partir do cruzamento de duas avenidas no e a circulação das águas subterrâneas estão centro da cidade (figuras 3.3.24 e 3.3.25). 169 Cap_3.3_FFI.indd 17 9/12/2008 21:15:31 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos Não se tratava de um acidente provocado pela Com isso, houve desabamento do teto das cavidades ação antrópica, desta vez era o efeito de um e estas vieram a manifestar-se na superfície do terreno, fenômeno natural, um desabamento subterrâneo, formando uma cratera de 31 metros de diâmetro por semelhante ao que já se manifestara em dezembro 13 metros de profundidade (figura 3.3.25). de 1986 na cidade paulista de Cajamar. As cidades Em Sete Lagoas, houve o rompimento de parte de Sete Lagoas e Cajamar têm em comum o fato de do “teto” da rocha carbonática de uma cavidade ocuparem áreas geologicamente caracterizadas pela localizada a 58 metros de profundidade, provocado, ocorrência de rochas calcárias (Grupo São Roque, provavelmente, pelo rebaixamento da água subterrânea, em Cajamar, e Grupo Bambuí, em Sete Lagoas) com o que acarretou instabilidade para as rochas argilosas feições de dissolução e recobertas por materiais não situadas mais acima. Em conseqüência, elas sofreram consolidados. Os eventos ocorridos nas duas cidades pequenas rachaduras verticais. Em seguida choveu, a só têm como precedente, na literatura, o caso da cidade cavidade encheu-se de água, e nova pressão vertical de Mairinque (SP), em 1981, além de breves e esparsas se fez sentir sobre o teto desabado e sem proteção comunicações verbais durante encontros de geólogos. da rocha sã. A partir daí iniciou-se o processo de Investigações geofísicas e sondagens realizadas pela erosão do teto da cavidade, formando-se uma Divisão de Minas e Geologia Aplicada do IPT em chaminé ao longo das fraturas da rocha. Confinada Cajamar comprovaram a existência de cavidades, no subsolo até então, a água eclodiu pela chaminé algumas com até dez metros de profundidade, em e atingiu a superfície, promovendo a dissolução do toda a extensão do calcário, bem como no próprio solo. Os colapsos refletem, na superfície, a evolução solo acima da rocha. ascendente dos bolsões, ou cavernas, do subsolo O modelo explicativo formulado pelo IPT mostra (figura 3.3.26). como as cavidades do calcário, cheias d’água, se comunicam com os solos saturados sobre a rocha. Em Contaminação das águas subterrâneas Cajamar, a seca prolongada que antecedeu o acidente geológico e a retirada de água através dos poços O problema da poluição dos recursos hídricos artesianos que abastecem a cidade agravaram as subterrâneos em carstes está na indefinição das áreas condições naturais, provocando a queda da pressão da e dos mecanismos pelos quais os poluentes são água subterrânea e acelerando o carreamento do solo. incorporados ao fluxo subterrâneo. Estes mecanismos e a migração dos poluentes são influenciados por fatores físicos, químicos e biológicos. Os físicos são inerentes ao tipo do aqüífero, seus parâmetros hidrodinâmicos, e às características físicas dos poluentes; e os químicos são relacionados à composição química dos contaminantes e à da água do aqüífero. Além disso, os processos que controlam a migração dos poluentes são distintos quando se tem substâncias solúveis em água ou aquelas imiscíveis. Os aqüíferos cársticos são os mais vulneráveis à poluição. Em meios heterogêneos como os carstes, o transporte dos poluentes será realizado através das zonas de maior permeabilidade do aqüífero. Existirão, assim, vários caminhos imprevisíveis no subsolo por Figura 3.3.24 - Colapso do terreno na cidade de Sete Lagoas onde migrarão as soluções contaminantes, caminhos - MG em 1988. estes que dependerão, exclusivamente, das formas cársticas. Nestes casos, é difícil a detecção, controle e previsão do avanço de uma “pluma” poluidora no aqüífero, como também são necessários estudos mais detalhados e acurados para identificar os diferentes padrões de migração dos poluentes no subsolo. Nestes meios, a porosidade efetiva é normalmente pequena, mas a velocidade do fluxo subterrâneo pode ser grande. Além disso, estes aqüíferos são heterogêneos em relação à orientação e freqüência das fraturas, o que acarreta diferentes dispersões dos solutos em cada ponto do terreno. A forma geral de difusão da solução contaminante Figura 3.3.25 - Detalhe do colapso do terreno na cidade de em meios fraturados ou cársticos é semelhante à Sete Lagoas - MG. dos meios porosos, restringindo-se, no entanto, às 170 Cap_3.3_FFI.indd 18 9/12/2008 21:15:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 3.3.26 - Esquema do colapso em Lagamar / SP (modificado de IPT, 1988). Figura 3.3.27 - Esquema do colapso em Sete Lagoas / MG, (modificado de Silva, 1988). 171 Cap_3.3_FFI.indd 19 9/12/2008 21:15:39 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos fraturas ou outras estruturas de rupturas das rochas referências ou em formas cársticas. O contaminante pode ser absorvido pelas estruturas geológicas ou pelo material ALBUQUERQUE, J. do R. T. Inventário hidrogeoló- que a preenche. O efeito combinado de adsorção gico básico do Nordeste: folha 15, Jaguaribe-SE. nas fraturas e no material de preenchimento pode Recife: SUDENE, 1971. 187 p. (Série Hidrogeologia, acarretar diferentes frentes de avanço do poluente no 32). aqüífero, tanto no sentido horizontal como no vertical. ALMEIDA, F. F. M. de. Origem e evolução da platafor- Os aqüíferos cársticos têm comportamento semelhante ma brasileira. Boletim dNPM. dgM, Rio de Janeiro, aos fraturados, executando-se aqueles com muitas n. 241, p. 1-36, 1967. cavernas ou outros tipos de dissolução, onde as velocidades dos fluxos subterrâneos são muito ______. O Cráton do São Francisco. r. bras. geoc., grandes e o processo de dispersão molecular ocorre v. 7, n.4, p. 349-364, 1977. com muita rapidez. ASTIER, J. K. geofísica aplicada à hidrogeologia. A reação natural dos aqüíferos cársticos contra Madrid: Paraninfo, 1975. 198 p. a contaminação obedece a vários fatores principais, dentre os quais pode-se destacar: filtração mecânica, BARTON, N. description of rock masses, joints oxidação-redução, adsorção e absorção pelo terreno, and discontinuities. Oslo: ISRM - Norwegian Geo- tecnhical lnstitute ,1975. processos bioquímicos, precipitação e co-precipitação, intercâmbio de gases, desintegração radioativa BEDMAR, A. P.; SILVA, A. R. Utilização de isótopos e processos de diluição. Em geral, as ações de ambientais na pesquisa de recursos hídricos subter- prevenção contra a poluição não se restringem a um râneos no “karst” da região do Jaiba, norte de Minas só procedimento, mas à combinação de vários que são Gerais. r. bras. geoc., v. 10, n. 4, 1980. aplicados a cada problema específico, uma vez que a BENEDINI, M.; GIUUANO, G.; TROISI, S. Alcune con- sua eficiência pode ser diferente de um caso a outro. siderazioni sulla trattazione matematica del problema O horizonte de solo e a zona de aeração funcionam del moto in acquiferi fessurati. geologia applicata e como uma faixa protetora do aqüífero contra a poluição idrogeologia, v. 7, p. 75-100, 1972. das águas subterrâneas. Nesta faixa, ocorrem os processos de degradação, oxidação e adsorção BRAESTER, O. theory of flow through fractures dos poluentes, exceto para grandes quantidades de rocks. In: INTERNATIONAL SEMINAR, 1977, Stock- poluentes ou em zonas com grande infiltração das holm, Sweden. águas superficiais ou de chuvas. Nestes casos, as BRAUN, Oscar Paulo G. Contribuição à estratigrafia soluções contaminantes, geralmente, atingem as do Grupo Bambuí. ln: CONGRESSO BRASILEIRO DE partes mais profundas do subsolo. GEOLOGIA, 22., 1968, Belo Horizonte. Anais... Belo Nos aqüíferos cársticos, onde os “lençóis” freáticos Horizonte: SBG, 1968, p. 155-156. são próximos da superfície e as faixas de aeração CASTANY, G. tratado practico de lãs águas sub- são pouco espessas, há uma vulnerabilidade maior. terrâneas. Barcelona: Ed. Omega, 1971. 672 p. Quando o contaminante ou poluente atinge a superfície freática, a migração ocorre. As substâncias imiscíveis CETEC - FUNDAÇÃO CENTRO TECNOLÓGICO. se espalharão sobre a superfície freática por distâncias Pesquisa e avaliação de recursos hídricos subter- de algumas dezenas de metros, nos aqüíferos porosos, râneos em karst, por sensores remotos. Belo Hori- e por centenas quilômetros nos fraturados e cársticos zonte: Secretaria de Estado de Ciência e Tecnologia, (substâncias imiscíveis muito densas irão para a base 1981. 465 p. do aqüífero). As soluções contaminantes se espalharão COSTA, W. D. Aspectos macro-estruturais que in- por toda a espessura do aqüífero, fluindo na direção fluem na hidrogeologia de rochas cristalinas fratura- do gradiente hidráulico. das. In: SEMINÁRIO DE QUALIFICAÇÃO NO CURSO A contaminação biológica (bactérias, vírus etc) é DE DOUTORADO DA USP, 1., 1980, [São Paulo]. muito comum em sistemas cársticos bem desenvolvidos trabalhos apresentados... [São Paulo]: USP, 1980. (com cavernas e grandes condutos), principalmente Inédito. quando as áreas de recarga do aqüífero são ocupadas por atividade antrópicas. Nos aqüíferos cársticos, onde COSTA, W.D. Avaliação dos critérios de locação de o fluxo de água subterrânea é feito através de fraturas e poços em rochas cristalinas. ln: SIMPÓSIO NACIO- canais de dissolução, que são irregulares em dimensão NAL DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS EM ROCHAS FRA- e direção, a velocidade e a migração dos poluentes é TURADAS, 1., 1985, Belo Horizonte. Anais... Belo semelhante à dos aqüíferos fraturados. Em casos de Horizonte:[s.n.], 1985. p. 133-143. existência de carstes fósseis, suspensos ou “afogados”, COSTA, W. D. Análise dos fatores que atuam no os estudos hidrogeológicos, em geral, e o de poluição, aqüífero fissural: área piloto dos estados da Paraíba em particular, devem ser mais acurados. e Rio Grande do Norte. 1986. Tese (Doutorado em 172 Cap_3.3_FFI.indd 20 9/12/2008 21:15:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Geociências) - Instituto de Geociências, Universida- LARSSON, I. Anisotropy in Pre-Cambrian rocks and de de São Paulo, São Paulo, 1986. Post-Crystalline deformations models.geografisca COSTA, W. D. Análise dos fatores que influenciam Analler. série A. Physical geography, 1967, v. 49, na hidrogeologia do cristalino. r. água subter., Re- p. 237-246. cife, v. 1, n. 4, p. 14-47, 1965. LARSSON, I. ground water in Pre-Cambrian COSTA, W. D. Contribuição da mecânica das rochas rocks in southern sweden. New York: Pergamon à evolução estrutural da Serra do Mar. ln: CONGRES- Press,1968. SO BRASILEIRO DE GEOLOGIA, 26., 1972, Belém. LEGRAND, H. Yeld of wells. USA: Division Mineral Anais... Belém : SBG, 1972. p. 375-378 Resour ces, 1959. CRUZ, W. B. da. estudo geoquímico preliminar das LOUIS, O. Êtude des ecoulements d´eau des les águas subterrâneas do nordeste do Brasil. Recife: roches fissurés et de leurs influences sur la sta- SUDENE, 1974. (Série Hidrogeologia, 8). bilité des massifs rocheux.1968. These (Doutorado) CRUZ, W. B. da; SILVA, A. B. Modelo de simulação Université de Karlerache ,[S.l.], 1968. E.D.F. Bulle- digital do aqüífero cárstico da região do Jaiba, norte tin de la Direction des Études et Recherches – EDF, de Minas Gerais. ln.: CONGRESSO BRASILEIRO sér. A, n.3, T2-F, 1968. AGUAS SUBTERRÂNEAS, 1., 1980, Recife. Anais... LOUIS, O. Fluxo de água a três dimensões em ro- Recife: ABAS, 1980. chas fissurada. São Paulo: [s.n.], 1974. (Tradução da ABGE, 5). CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subterrá- nea. Barcelona: Ediciones Omega, 1975. MILLER, T. E. Hydrochemistry, hydrology and morphofology of the Caves Branch karst, Belize, DARDENNE, M. A. Síntese sobre a estratigrafia do Hamilton. 1982. 281p. Thesis (PhD )  Department Grupo Bambuí no Brasil Central. ln: CONGRES- of Geology, McMaster University, [Ontario], 1982. SO BRASILEIRO DE GEOLOGIA, 2., 1978, Recife. Anais... Recife: SBG, 1978. p. 597-610. MONROE, W.H. Dendritic dry valleys in the cone karst of Puerto Rico. Journal of researches. geolo- DOMINGUEZ, J. M. L.; MISI, A. o cráton do são gical survey, [S.l.], v. 2, n. 2, p. 159-163, 1974. Francisco. Salvador: SBG; SGM; CNPq, 1993. 215 p. MOUTINHO, L. A. da Costa; ANGEIRAS, A. G. Novos ESCODINO, P. C. B.; SILVA, A. B. Aplicação de conceitos sobre o Grupo Bambui e sua divisão em tec- métodos de prospecção geoelétricos na pesquisa tonogrupos. Boletim geológico do Instituto de geo- de aqüíferos cársticos. ln.: CONGRESSO BRASILEI- ciências da UFrJ, Rio de Janeiro,. v. 5, p. 3-34, 1970. RO DE ÁGUAS SUBTFRRÂNEAS, 8., 1980, Recife. Anais... Recife: ABAS, 1980. OBERT, L.; DUVAL, W. I. rock mechanics and the de- signs of structure in rock. New York: John Wiley, 1967. FORD, D. C.; WILLIAMS, P. W. Karsts geomorphology and hydrology. London: Unwin Hyman, 1989. 601 p. PLATA, A. Isótopos en hidrologia. Madrid: Ed. Alambra, 1972. 290 p. FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A.. groundwater. New Jersey: Prentice Hall, 1979. 604 p. PLATA, A. ; SILVA, A. Contribuição de diversas técnicas isotópicas no estudo do aqüífero cárstico GUNN, J. Hydrological processes in karts depres- da região central da Bahia (lrecê-lraquara). r. bras. sions. Zeitschrift fur geomorphologie neue folge, geoc., São Paulo v. 10, n. 2, p. 103-116, 1980. v. 25, n. 3, p. 313-331, 1981. PRICE, N. J. Mechanics of jointing in rocks. geologi- GUNN, J. Point-recharge of limestone aquifers: a cal Magazine, v. 96, n. 2, p. 149-167, Mar. 1959. model from New Zealand karst. Journal of Hydrol- ogy, v. 61, n. 1-3, p. 19-29, 1983. PULIDO, J. L. Hidrogeología karstica. Bilbao: Ed. Urmo,1959. 287 p. HONYK, W. J. Proposta de uma nova unidade de produção de poço nas rochas cristalinas. Recife: QUADROS, E. F de. Fundamentos da hidráulica UFPE, 1979. Circulação restrita. dos meios fissurados. São Paulo: Escola Politécni- ca da Universidade, 1977. Circulação restrita. JAEGER, J. C.; COOK, N. G. W. Fundamental of rock mechanics. London: Chapmann & Hall, 1968. 593 p. QUADROS, E. F. de. determinação das característi- cas do fluxo de água em fraturas de rochas. 1982. KARMAN, I. evolução e dinâmica atual do siste- 236 f. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica, ma cárstico do alto vale do rio ribeira do lguape, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1982. sudeste do estado de são Paulo. 1994, 241 f. Tese (Doutorado em Geociências) - Instituto de Ge- RAGAN, D. M. structural geology and introduction ociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, to geomecanical tecniques. New York: John Wiley & 1994. Sons, 1968. 173 Cap_3.3_FFI.indd 21 9/12/2008 21:15:40 Capítulo 3.3 - Hidrogeologia de Meios Cársticos REBOUÇAS, A. da C. le probléme de Ieau dans do Jaiba, norte de Minas gerais. 1984. 190 f. Tese Ia zone semi-árida du Brésil. 1973. Thèse (Doctorat (Doutorado em Geociências, área de Geologia Geral D´État) - Université Louis Pasteur, Strasbourg, France, e de Aplicação) - Instituto de Geociências, Universi- 1973. dade de São Paulo, São Paulo, 1984. RZHEWSKY, Y.; NOVIOK, S. the physics of rocks. SILVA, A. B. água subterrânea no carste da bacia Moscou, URRS : Mir Publishers, 1971. do rio Verde grande, norte de Minas gerais. 1995. SÃO PAULO (Estado), Instituto de Pesquisa Tecno- 97 p. Tese (Livre Docência)- Instituto de Geociências, lógica. Cajamar - Carst e Urbanização. São Paulo, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizon- 1988. Relatório interno. Inédito. te, 1995. SEVER, C. W. Geology and groundwater resources SIOUEIRA, L. Contribuição da geologia à pesquisa ot crystalline rocks: Dawson County, Georgia. U.s. da água subterrânea. Recife: Sudene, 1963. geological survey. Information Circular, n. 30, WILLIAMS, P. W. Subcutaneous hydrology and the 1964. 32 p. development of doline and cockpit karst. Zeitschrift SCHOBBENHAUS FILHO, C. o Proterozóico Médio for geomorphology, Neue Folge, [S.l.], v. 29, n. 4, no Brasil com ênfase a região centro-leste: uma re- p. 463-482, 1985. visão. 1993. 166 f. Tese (Doutorado em Geociências) - ZIENKIEWICZ, O.; STAGG, K. S. rock mechanics in Universidade Albert-Ludwig, Freiburg, Alemanha, 1993. engineering practice. Swansea: University of Wales; SCHOBBENHAUS FILHO, C. et aI. (Coord.). geolo- Division of Civil Engineering School of Engineering, gia do Brasil: texto explicativo do mapa geológico 1968. do Brasi e da área oceânica adjacente incluindo depósitos minerais. Brasília : DNPM, 1984. 501p. Escala 1:2.500.000. SCHOBBENHAUS, C.; CAMPOS, D. A. A evolução da Plataforma Sul-Americana no Brasil e suas princi- pais concentrações minerais. ln: SCHOBBENHAUS, C. et aI. (Coord.). geologia do Brasil. Brasília : DNPM, 1984. cap. 1, p. 9-53. SCHOLL, W. U. Der Sudwestliche randbereich der Es- pinhaço Zone, Minas Gerais, Brasilien. geologische rundschau, v. 61, n. 1, p. 201-216, 1972. SILVA, A. B. Contribuição ao estudo dos “karsts” da região central da Bahia. revista águas subterrâneas, v.1, n. 3, p. 11-16, 1973. SILVA, A. B. Pesquisa e avaliação de recursos hídricos em ‘karst por meio de sensores remotos. Mineração e Metalurgia, Rio de Janeiro, v. 43, n. 415, p. 46-53, out./nov.1979. SILVA, A. B. ; ESCODINO, P. O. Desenvolvimento de um método de perfilagem de poços tubulares utilizando-se traçados químicos. ln: CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 8., 1980, Recife. Anais... Recife: ABAS, 1980. SILVA, A. B. ; ESCODINO, P. O. Estimulação de po- ços tubulares por meio de explosivos, no karst da região do Jaiba, norte do estado de Minas Gerais. águas subterrâneas, 1981, n. 4, p. 45-68, SILVA, A. B. Results of a hydrogeological study of a semi-and Precambrian karst aquifer in Minas Gerais, Brazil. r. bras. geoc., São Paulo, 1984, v. 14, n. 3, p. 164-169. SILVA, A. B. Análise morfoestrutural hidrogeológi- ca e hidroquímico no estudo do aqüífero cárstico 174 Cap_3.3_FFI.indd 22 9/12/2008 21:15:40 modulo 4.indd 1 9/12/2008 20:15:22 modulo 4.indd 2 9/12/2008 20:15:23 modulo 4.indd 3 9/12/2008 20:15:24 modulo 4.indd 4 9/12/2008 20:15:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 4.1 Metodologia BásiCa de Pesquisa de água suBterrânea Edilton Carneiro Feitosa Fernando A. C. Feitosa 4.1.1 introdução ao profissional um farto arsenal de funções analíticas, tanto para análises de fluxo como para estudos dos Pesquisa tem o mesmo significado que mecanismos de poluição, sendo abordada com muita investigação ou exploração. Pode ser definida ênfase neste livro.como o conjunto de operações ou estudos, A Hidrogeologia de Meios Fissurados é bem menos que permite a localização e a caracterização de desenvolvida que a Hidrogeologia Clássica, sendo aqüíferos, dos quais se pode obter água em quantidade abordada nos capítulos 3.1, 3.2, 4.5 e 6.5. Os meios e qualidade adequadas ao fim pretendido. fissurados, com efeito, tais como o cristalino do Nordeste Em função das especificidades, é possível dividir a do Brasil, abrigando pouca água e geralmente de má Hidrogeologia em dois grandes grupos: Hidrogeologia qualidade, não despertaram tanto interesse por parte Quantitativa e Hidrogeologia Qualitativa. Em ambas, dos estudiosos. O caráter aleatório do fraturamento e a metodologia de pesquisa envolve tanto métodos a sua conseqüente imprevisibilidade, por outro lado, básicos, aqueles afetos diretamente ao hidrogeólogo, dificultam bastante a abordagem matemática do quanto métodos ditos auxiliares, que, por sua vez, problema. Hoje, entretanto, na medida em que cresce dizem respeito às várias abordagens periféricas a importância da água subterrânea como reserva especializadas que contribuem tributariamente para o estratégica e em face da existência de vastas regiões conhecimento procurado. A ampla utilização dessas ocupadas por rochas cristalinas, as atenções voltam-se abordagens é perfeitamente compatível com o caráter mais e mais para o problema. multidisciplinar da ciência hidrogeológica. A Hidrogeologia de Meios Cársticos, abordada com O termo explotação fica reservado ao conjunto de detalhe no capítulo 3.3, estuda as feições cársticas operações e trabalhos que permitem o aproveitamento mais comuns, incluindo canais de dissolução e, até das águas subterrâneas (módulo 6). A explotação mesmo, cavidades de grande porte. Os reservatórios racionalmente planificada conduz a uma otimização de água subterrânea que aí ocorrem, embora sejam do aproveitamento dos recursos hídricos subterrâneos, muito localizados, podem fornecer descargas o que é designado pelos americanos e ingleses substanciais. Essas são condições muito particulares de management e que se pode chamar de gestão que justificam a individualização da especialidade e (tratado no módulo 7). Este capítulo ficará restrito aos o termo Hidrogeologia de Meios Cársticos. Castany aspectos básicos da metodologia utilizada na pesquisa (1967), informava que apenas cerca de 10% dos e estudos de água subterrânea. terrenos sedimentares no mundo são constituídos de Em função do tipo de litologia dos reservatórios rochas cársticas. Entretanto, a importância dessas subterrâneos , a Hidrogeologia admite hoje três grandes rochas na hidrogeologia bem como em problemas de categorias: Hidrogeologia Clássica, Hidrogeologia de engenharia civil, tem motivado um crescente interesse Meios Fissurados e Hidrogeologia de Meios Cársticos. dos especialistas nos últimos vinte anos. A Hidrogeologia Clássica é a hidrogeologia dos meios porosos ou granulares, isto é, dos aqüíferos constituídos de arenitos ou similares. Esses litotipos, 4.1.2 tipos de estudos na Pesquisa pelo fato de constituírem os melhores e maiores de água subterrânea reservatórios de água subterrânea, foram sempre objeto de especial atenção dos especialistas. Por outro lado, Quando se trata de estudar águas superficiais, a eles aproximam de uma forma bastante satisfatória pesquisa é mais rápida, mais completa, mais precisa o comportamento de meio contínuo requerido na e mais barata. Chega um momento em que se pode abordagem matemática. Assim, a hidrogeologia dos admitir que a fase de pesquisa está concluída e que meios porosos é hoje a mais desenvolvida, oferecendo a fase de explotação pode ser iniciada. Esta última, 179 Cap_4.1_FFI.indd 1 9/12/2008 21:19:12 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea por sua vez, é sempre muito cara posto que implica superior a alguns milhares de quilômetros quadrados comumente a construção de obras vultosas, tais como e os resultados são apresentados em escalas que barragens, extensas aduções e/ou canais. variam de 1:100.000 a 1:500.000. Destinam-se a No caso de águas subterrâneas, ocorre sempre selecionar as áreas de maior interesse para orientar o contrário. Os mananciais subterrâneos, pela sua o planejamento adequado dos estudos posteriores. própria natureza, não têm seu comportamento tão A análise geológica em mapas existentes, utilizando prontamente elucidado, como no caso dos mananciais critérios hidrogeológicos, desempenha um papel de superfície. O conhecimento do comportamento dos decisivo. Pelo fato de não exigir maiores trabalhos de mananciais subterrâneos, com efeito, evolui lentamente campo, particularmente geofísica e poços de pesquisa, no tempo, a cada novo poço perfurado e testado, a são pouco caros. Exige, em contrapartida, uma grande cada novo nível ou descarga medida, a cada nova experiência profissional por parte de quem os executa análise de dados efetuada, a cada novo relatório ou dirige. O Inventário Hidrogeológico Básico do redigido. Nessas condições, é fundamental, para se Nordeste, apresentado na escala de 1:500.000, foi atingir uma boa compreensão do comportamento um estudo com características muito próximas de um dos aqüíferos, o monitoramento permanente do reconhecimento, mas que estaria melhor posicionado, seu desempenho (descargas, níveis e qualidade por suas peculiaridades, entre esta categoria e a química) e a análise permanente dos dados obtidos. categoria seguinte, de estudos gerais. Esta afirmação torna-se perfeitamente aceitável estudos gerais ou de Viabilidade - envolvem se for considerado o fato de que a complexidade trabalhos de campo específicos onde, basicamente, geológica dos reservatórios subterrâneos geralmente constam um inventário sistemático de pontos d’água, compromete as previsões feitas a partir das funções geofísica, poços de pesquisa, testes de aqüífero analíticas simplistas disponíveis. Assim, só a resposta e análises químicas. A área estudada varia de dos aqüíferos à explotação permite caracterizá-los algumas centenas a alguns milhares de quilômetros em bases realísticas, o que justifica a importância do quadrados, sendo seus limites coincidentes com os monitoramento. Esta afirmação traduz simplesmente de uma bacia hidrográfica ou com os de uma unidade o fato de que não existe, em água subterrânea, hidrogeológica definida. Os resultados são expressos limite definido entre a fase de exploração e a fase sob a forma de mapas litológicos e estruturais, mapas de explotação. É impossível dizer onde terminam os potenciométricos e de transmissividades, mapas de estudos e onde começa a utilização do manancial. As oscilações dos níveis potenciométricos, de isópacas duas fases interpenetram-se, podendo, inclusive, ser dos aqüíferos, de concentrações iônicas e outros, dito que a verdadeira pesquisa se inicia com o início comumente em escalas entre 1:50.000 e 1:250.000. da explotação. Pode-se, portanto, dizer, resumindo, Esses estudos visam uma primeira caracterização dos que a pesquisa de água subterrânea é mais lenta, aqüíferos e uma primeira quantificação dos recursos dificilmente completa e mais cara. A explotação, por disponíveis. Podem ser citados como exemplo deste outro lado, é geralmente mais barata, não exigindo tipo de estudo, no Nordeste, o trabalho realizado obras de engenharia vultosas. para o DNOCS em 1973, no vale do Gurguéia-Piauí, Os tipos de estudo variam, naturalmente, de pelo consórcio OESA/TECNOSOLO/OTI/EPTISA, e acordo com os objetivos da pesquisa. Não é a o Estudo Hidrogeológico da Região Metropolitana mesma coisa, por exemplo, pesquisar um aqüífero de Natal, realizado em 1983 para a CAERN, pela aluvial para abastecer 1.000 habitantes, e efetuar consultora PLANAT. um primeiro reconhecimento dos aqüíferos de uma grande bacia sedimentar mal conhecida. É estudos detalhados - têm por objetivo o fácil perceber, sobretudo em face do exposto no conhecimento detalhado de um aqüífero de modo a parágrafo anterior, que não existe consenso sobre permitir o atendimento de uma demanda real como, uma classificação dos diferentes tipos de estudo por exemplo, o abastecimento de um núcleo urbano, de uma fábrica ou o suprimento de água para irrigação. adotados na exploração, nem sobre sua terminologia. Cabe aqui a utilização de toda a metodologia que se Para facilitar a abordagem do tema, entretanto, será tornar necessária para a definição segura do alcance adotado Llamas (Custodio & Llamas, 1983), na desejado, isto é, geofísica de detalhe, piezômetros, adoção de três grandes grupos de estudos: Estudos poços exploratórios etc. Com base nos resultados Preliminares ou de Reconhecimento; Estudos Gerais dos estudos de detalhe é possível, então, realizar-se ou de Viabilidade e Estudos Detalhados. o que é usualmente chamado de Projeto executivo. estudos Preliminares ou de reconhecimento - têm Designam-se assim, por exemplo, os estudos que como objetivo principal a identificação dos aqüíferos envolvem a concepção de uma bateria de poços para mais importantes e de suas áreas de recarga e a explotação de um aqüífero, a elaboração do projeto descarga, a verificação da qualidade das águas e uma dos poços, sua construção, testes de aqüífero e de primeira estimativa das suas geometrias e parâmetros produção e a definição da capacidade de produção hidrodinâmicos. A área de estudo é, geralmente, dos poços para o alcance desejado. 180 Cap_4.1_FFI.indd 2 9/12/2008 21:19:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Neste texto são discutidas as ações básicas, janeiro/1981 a janeiro/1986. A análise dessa série e normalmente empregadas, para a realização de sua utilização em um modelo analítico de inversão, estudos hidrogeológicos, principalmente, em bacias muito somaram à compreensão do comportamento sedimentares. Estas ações iniciam pelo levantamento hidrodinâmico do aqüífero (Feitosa, 1996). do conhecimento existente, passam pela caracterização geológica e geométrica dos aqüíferos e culminam na definição das demandas caracterização hidrogeológica (quantitativa e qualitativa) propriamente dita. Os estudos podem contemplar toda Geralmente, os estudos hidrogeológicos são a seqüência exposta ou apenas itens específicos, a motivados pela necessidade de suprir uma determinada depender do nível de conhecimento existente e dos demanda, atual ou futura. A avaliação das demandas objetivos a que se propõe a pesquisa. futuras é comumente tarefa de especialistas, quando sua avaliação exige complexas análises de crescimento 4.1.3 levantamentos Preliminares demográfico ou desenvolvimento agrícola e industrial. O hidrogeólogo recebe do cliente essas avaliações Os levantamentos preliminares, na verdade, e utiliza-as para orientar suas pesquisas. Casos há, deveriam anteceder a própria elaboração de uma entretanto, em que inexistem projeções confiáveis de proposta de estudo hidrogeológico, na medida em que demanda, tornando imperiosas suas avaliações por fornecem os subsídios necessários (conhecimento) parte do próprio hidrogeólogo. Cita-se como exemplo para uma definição consistente do rumo que deve ser o estudo ATEPE/CAERN de Mossoró (Feitosa, 1986). seguido para se alcançar os objetivos previstos. As projeções disponíveis em 1986 foram tidas como subestimadas, uma vez que, aparentemente, não diagnóstico do Conhecimento atual levavam em conta as perspectivas de crescimento advindas da presença da Petrobras na região, nem Esta é a fase inicial de qualquer trabalho e tem uma o grande desenvolvimento da agricultura irrigada. enorme importância, particularmente nos estudos de Considerando que a população urbana de Mossoró reconhecimento. Constitui-se, às vezes, numa tarefa praticamente triplicou entre 1960 e 1980, admitiu- difícil de realizar, por causa da dispersão dos dados se que ela tendesse pelo menos a duplicar a cada em diferentes instituições, freqüentes erros nesses vinte anos, o que permitiu enriquecer os dados dados, séries incompletas, informações conflitantes demográficos com dois pontos extrapolados (1990 ou enganosas, e problemas diversos. Analisar, filtrar e 2000). Esses dados admitiram o ajuste de uma lei e compatibilizar as informações obtidas são tarefas exponencial de equação: para um hidrogeólogo experiente. O esforço dedicado a esta fase resulta, geralmente, em um relatório Y = 8433,89 e(0,5.X) diagnóstico que sintetiza todo o conhecimento disponível, identifica lacunas a preencher, e permite As projeções populacionais foram feitas de acordo estabelecer eficientemente a programação de com a lei acima, tendo sido confirmadas pelo Censo/91 estudos a realizar, evitando perdas de tempo e do IBGE e por uma avaliação local da própria CAERN, de dinheiro. Devem ser consultados relatórios de em 1995. Nesta última, a lei exponencial já mostrava pesquisa (internos e/ou inéditos), publicações uma tendência de superestimação, conforme gráfico em revistas científicas nacionais e internacionais, da figura 4.1.1, sugerindo talvez que o pujante publicações em congressos, simpósios, encontros crescimento de Mossoró estivesse sendo atenuado técnicos etc, teses de doutorado e dissertações e que as próximas avaliações da demanda futura de mestrado. Além disso, também devem ser devessem levar em conta esta tendência. As demandas coletados e sistematizados todos os dados existentes propriamente ditas, no caso de abastecimento público, e necessários ao desenvolvimento das ações são obtidas a partir da população projetada, mediante subseqüentes, como, por exemplo, cadastros de uma taxa de consumo per capita expressa comumente poços e pontos d’água, dados de monitoramento em litros/habitante/dia. A SUDENE propôs, em 1980, quantitativo e qualitativo, dados hidroclimatológicos, taxas de consumo para abastecimento urbano, no cartografia geológica, pedológica e planialtimétrica, Nordeste do Brasil, mostradas na tabela 4.1.1. dados geofísicos terrestres e aéreos, entre outros. Verifica-se, de acordo com a tabela 4.1.1, que as Ressalta-se a importância do registro de séries demandas unitárias, além de crescerem naturalmente históricas de monitoramento, de inestimável valor com a faixa de população, crescem também com no estudo de aqüíferos regionais de grande porte. o passar do tempo. Este fato deve-se à melhoria Cita-se como exemplo de levantamento de dados das condições sanitárias e do nível geral de vida históricos, a série de descargas e níveis dinâmicos das populações. Para pequenas comunidades de dos poços da bateria da CAERN - Cia. de Água e população inferior a 5.000 habitantes, no Nordeste de Esgoto do Rio Grande do Norte, captando o Aqüífero hoje, ainda é possível considerar demandas entre 80 e Açu na Região de Mossoró, registrada no período de 100 L/hab/dia para fins de abastecimento público. 181 Cap_4.1_FFI.indd 3 9/12/2008 21:19:13 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea seguintes aspectos: geográficos (forma de relevo e padrão de drenagem, tipos principais e densidade da vegetação, tipos e espessura aproximada dos solos, identificação de zonas homogêneas etc.); litológicos (litotipos predominantes, estratigrafia, granulometria, grau de diagênese, cimentação e silicificação - em areias e arenitos); estruturais (tipos de estruturas presentes, medição de atitudes de camadas, identificação de estruturas sedimentares e ambientes de sedimentação, tipos de contatos litológicos etc.). Em estudos de detalhe, por outro lado, é freqüentemente necessária uma inspeção de campo mais detalhada. No âmbito da pesquisa hidrogeológica, um espaço especial é reservado às técnicas de sensoriamento remoto que são objeto do capítulo 4.4. No presente capítulo, entretanto, comenta-se um pouco sobre a fotogeologia. Não fosse bastante, por si só, o maravilhoso “transporte do campo para o escritório”, cumpre ainda enfatizar as seguintes vantagens das aerofotos: • as aerofotos constituem em muitos casos um excelente, senão o melhor, mapa base para os trabalhos de campo. Sem desmerecer, naturalmente, Figura 4.1.1 - Crescimento demográfico de Mossoró os méritos do moderno e eficientíssimo GPS, as (adaptado de Feitosa, 1986). aerofotos ainda são, para muitos fins, valiosos instrumentos na locação precisa de pontos de Faixas de população em 1.000 habitantes interesse e na análise geológica e estrutural das anos até 5 5-10 10-20 20-100 100 a interrelações entre esses pontos; 500 > 500 • a visão estereoscópica proporcionada pelas 1980 120 150 175 200 270 350 aerofotos permite identificar e caracterizar com 1985 135 170 210 245 310 425 rapidez e clareza as seguintes feições: a rede 1990 145 185 230 270 330 460 hidrográfica; litotipos principais e seus contatos; 1995 147 195 242 290 345 480 feições estruturais importantes no condicionamento 2000 150 200 250 300 350 495 da ocorrência e fluxo da água subterrânea, tais como tabela 4.1.1 - Consumos per capita em L/hab/dia (BRASIL/ falhas, fraturas, diques intrusivos, planícies aluviais, SUDENE, 1980). campos de dunas, estruturas cársticas e outras. A importância da utilização de aerofotos na 4.1.4 Caracterização geológica e pesquisa de água subterrânea fica bem caracterizada geométrica dos aqüíferos nos estudos de detalhe ou semidetalhe. Nesses estudos, com efeito, as tarefas a realizar impõem Não se espera, normalmente, que o hidrogeólogo naturalmente, entre outras, a seguinte seqüência de elabore mapas geológicos. Esta é uma tarefa dos atividades: geólogos que se dedicam ao mapeamento básico. O hidrogeólogo, comumente, utiliza os mapas geológicos • fotogeologia prévia, incluindo uma primeira interpretação litoestrutural, um reconhecimento da existentes para obter informações sobre o(s) aqüífero(s) drenagem e acessos, e a programação de roteiros de interesse, isto é, suas posições, extensões, áreas e perfis geológicos e geofísicos; de recarga e exutórios, seus confinantes e bases impermeáveis etc. • fotogeologia durante os trabalhos de campo, para Em geral, em estudos de reconhecimento, são cotejar as observações geológicas in loco com a utilizadas as bases geológicas existentes e feitas interpretação fotogeológica e, assim, refinar esta incursões ao campo para esclarecimento de questões última. A utilização das aerofotos como mapa-base julgadas importantes e detalhamentos das áreas de e para orientar locações é também corriqueira no maior interesse. Esta ação permite a adequação da campo; base geológica aos interesses do trabalho. É comum • faz-se também uso das aerofotos após os trabalhos a utilização da interpretação de produtos de sensores de campo, de volta ao escritório, para a integração remotos (fotografias aéreas, imagens de satélite, das informações obtidas com a geofísica e com as imagens de radar etc.) como apoio aos trabalhos observações de campo, visando a elaboração de de campo. Esses trabalhos devem ser focados nos um mapa final. 182 Cap_4.1_FFI.indd 4 9/12/2008 21:19:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A part i r da geologia de superf ície e dos formação aqüífera. Esses documentos são de grande conhecimentos adicionais obtidos com o inventário importância para prever as profundidades em que o de pontos d’água e com levantamentos geofísicos, o aqüífero será alcançado e permitir, assim, a elaboração hidrogeólogo procura estender o conhecimento do(s) de projetos realísticos para os poços programados. aqüífero(s) para a sub-superfície, buscando definir suas espessuras e profundidades. Ele parte, assim, para a Mapas de isópacas - são mapas onde são elaboração de mapas de contorno estrutural, mapas visualizadas as linhas de igual espessura de uma de isóbatas e mapas de isópacas. dada formação geológica. No caso das formações aqüíferas, esses documentos revestem-se de Mapas de Contorno estrutural - são mapas onde especial importância, uma vez que, admitindo-se uma são visualizadas as curvas de igual cota do topo ou da permeabilidade razoavelmente constante, maiores base de uma determinada Formação geológica. São espessuras significam maiores transmissividades comuns as expressões “Mapa da Base do Aqüífero e, conseqüentemente, poços com maiores vazões. Açu” ou “Mapa do Topo do Aqüífero Açu”. Esses mapas Esses mapas permitem também avaliar o volume fornecem uma boa visualização do comportamento do reservatório subterrâneo e, conhecendo-se a estrutural do aqüífero. porosidade efetiva, obter-se uma avaliação das Mapas de isóbatas - do grego ísos = igual e batos reservas. A figura 4.1.2 apresenta exemplos de = que anda. No caso, o termo isóbata significa igual mapas de isópacas, obtidos: (a) a partir de um estudo profundidade. São mapas onde são visualizadas as geofísico por eletrorresistividade (Feitosa, 2001); e (b) linhas de igual profundidade do topo de uma dada com base em perfis de poços (Feitosa, 1990). (a) (b) Figura 4.1.2 - Mapas de isópacas: (a) do aqüífero Barreiras na região da lagoa do Bonfim, RN (adaptado de Feitosa, 2001); (b) na região do vale do Gurguéia, PI (modificado de Feitosa, 1990). 183 Cap_4.1_FFI.indd 5 9/12/2008 21:19:13 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea levantamentos geofísicos numericamente pequeno, porém, perfeitamente capaz de gerar anomalias gravimétricas. Os sedimentos em A metodologia de levantamento geofísico consiste na contato com as rochas cristalinas produzem uma aplicação das ciências físicas ao estudo da parte mais anomalia negativa que será tanto mais intensa quanto superficial da crosta terrestre, utilizando as propriedades maior for sua espessura, desde que a densidade seja físicas das camadas do subsolo. Resumidamente, razoavelmente homogênea. Esse padrão poderá ser esse tipo de prospecção consiste em levantar os perturbado por um aumento gradativo da densidade valores regionais de uma determinada propriedade, na dos sedimentos em profundidade ou pela presença região de interesse, e em analisar as discrepâncias ou de rochas vulcânicas intercaladas nos sedimentos. anomalias em relação a esses valores. Por conta da Tendo em mente essas questões, é possível realizar simplicidade dos seus princípios, a geofísica assumiu boas interpretações de dados gravimétricos de bacias um papel importantíssimo na pesquisa hidrogeológica, sedimentares. Por outro lado, existem restrições mesmo sendo um método de investigação indireta. Os ao uso do método em pacotes sedimentares com levantamentos geofísicos são capazes de identificar espessuras inferiores a 100 m. Nesse caso, o efeito os locais mais prováveis de acumulação das águas da variação da densidade nas rochas cristalinas subterrâneas, seja identificando prováveis camadas encobertas pelos sedimentos influenciará em excesso aqüíferas, seja auxiliando no discernimento da a resposta gravimétrica e adicionará ambigüidades configuração estrutural e estratigráfica do subsolo, a na interpretação. Mesmo assim, o uso criterioso dos um custo relativamente baixo em relação aos métodos dados e de pontos de controle com conhecimento diretos. É habitual, nos estudos geofísicos, a utilização da profundidade e da composição das rochas do de dois ou mais métodos que se complementem e embasamento ainda permitirão boas interpretações. tornem a pesquisa mais eficiente. Normalmente, após A partir de um bom levantamento e interpretação o trabalho geológico preliminar na área selecionada, de dados gravimétricos de uma bacia sedimentar, segue-se o estudo por um método geofísico de o hidrogeólogo poderá obter uma visualização reconhecimento geral, visando à delimitação de zonas tridimensional da mesma. Isso inclui a identificação de maior interesse, onde serão utilizados outros métodos de estruturas e compartimentos não observados na para detalhamento das anomalias detectadas na fase superfície e a possibilidade de poder fazer locações anterior, de modo que a interpretação final seja baseada estratégicas e de prever a profundidade dos poços. na comparação de vários resultados. O entendimento e a quantificação tridimensional de O panorama geral dos métodos geofísicos é uma bacia constituem valiosas informações na hora mostrado na tabela 4.2.1 do capítulo 4.2. Os três de efetuar modelagens e avaliar reservas. métodos clássicos utilizados em estudos de água O método de eletrorresistividade através da subterrânea em áreas sedimentares são: gravimetria, aplicação de sondagens elétricas verticais (prospecção sísmica refração e eletrorresistividade. No Brasil, vertical) e de caminhamentos elétricos (prospecção entretanto, considerando as características particulares horizontal) é utilizado de forma muito intensa na do problema e, principalmente, os aspectos de pesquisa de água subterrânea, desde os primórdios ordem econômica, os métodos mais empregados da hidrogeologia no Brasil. Através desta metodologia são o gravimétrico e, particularmente, o método de é possível conseguir informações básicas sobre a resistividade elétrica em corrente contínua (SEVs e separação de formações arenosas de formações perfis de resistividade). argilosas, variações de espessura, descontinuidades O método gravimétrico tem aplicações importantes laterais, profundidade e feições do embasamento nos estudos das bacias sedimentares para a explotação cristalino, variações de transmissividade e da qualidade de água subterrânea e na compreensão da estrutura da da água, entre outras. crosta de grandes segmentos litosféricos. A importância Na aplicação destes métodos na prospecção de água da gravimetria na pesquisa de água subterrânea é subterrânea em terrenos cristalinos, apenas o método comparável ao seu uso na prospecção de petróleo. A de eletrorresistividade oferece boas perspectivas. identificação de falhas verticais e de espessamentos Para este tipo de rocha, mais recentemente, uma sedimentares é um processo rotineiro e de fácil grande ênfase vem sendo dada aos métodos indutivos compreensão na aplicação do método, embora muitas eletromagnéticos e, entre estes, àqueles métodos que vezes envolvendo ambigüidades. A identificação de utilizam ondas eletromagnéticas de rádio como fonte depressões tectônicas em bacias sedimentares tem uma de energia ou, mais especificamente, como campo importância fundamental na delimitação de aqüíferos primário (VLF). Os métodos acima citados e os demais porosos, e conseqüentemente, na sua modelagem e mostrados na tabela 4.2.1 são discutidos em detalhe no na locação de poços. Quando se considera o contraste capítulo 4.2 deste livro. de densidade entre as rochas cristalinas e a maioria Além dos métodos geofísicos mostrados na tabela das rochas sedimentares, a relação direta entre as 4.1.2, faz-se importante, ainda, citar os chamados perfis propriedades do método gravimétrico e o estudo de temperatura. Esses perfis baseiam-se na medição das bacias sedimentares é obviamente clara. Ele é da temperatura do solo a profundidades entre 0,5 e 184 Cap_4.1_FFI.indd 6 9/12/2008 21:19:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 1,0 metro. Admite-se que as variações da temperatura 4.1.5 Caracterização Hidrogeológica assim medida, ao longo de um perfil, possam informar sobre as características hidrogeológicas do terreno. quantitativa Em regiões cristalinas, em particular, espera-se que fraturas saturadas se manifestem nos perfis por quedas inventário de Pontos d’ água de temperatura, em função de uma ascensão capilar mais generosa ao longo do regolito que as recobre. Define-se como ponto d’água qualquer acesso às Custodio & Llamas (1983), dedicam apenas algumas águas do aqüífero, capaz de fornecer informações linhas a este tema, na página 1.446 do volume 2, sobre o mesmo. São, portanto, pontos d’água: poços dizendo que a técnica é pouco conhecida do ponto de tubulares; poços escavados (cacimbões); fontes vista prático. Poley & Van Steveninck (1970), referem-se naturais; galerias filtrantes; zonas pantanosas; rios a cerca de trinta aplicações desta técnica, várias delas e lagoas conectados ao aqüífero etc. Em qualquer para a pesquisa de água subterrânea. Demétrio (1998), estudo hidrogeológico deve-se inventariar todos os desenvolveu pesquisas sobre a aplicabilidade de perfis pontos d’água existentes na área. O inventário deve de temperatura para a locação de poços no cristalino do incluir, entre outras, obrigatoriamente, informações Nordeste. Segundo este autor, o método é tecnicamente sobre a sua localização (coordenadas, locação em viável e oferece perspectivas de boa contribuição aerofoto e mapa), proprietário; tipo do ponto (poço à locação de poços em terrenos cristalinos, sendo tubular, cacimba etc.), aqüífero captado, características ainda necessário, entretanto, aperfeiçoar as sondas de construtivas, equipamento instalado, descarga nominal medição e os procedimentos de campo. ou medida, nível estático e nível dinâmico. Além disso, E, finalmente, é pertinente, neste tópico, discorrer também devem ser levantadas estações pluviométricas um pouco sobre radiestesia, também chamada de e fluviométricas e todas as possíveis fontes de rabdomancia. Que o leitor fique bem alertado de que contaminação das águas subterrâneas, tais como este tema deve ser considerado aqui como uma mera zonas agricultáveis, pontos de lançamento de efluentes curiosidade e não como um procedimento técnico. industriais e esgotos, lixões, aterros sanitários, postos Radiestesia é a capacidade que algumas pessoas de combustível, curtumes etc (ver capítulo 5.4). teriam de detectar a presença de água no subsolo A seguir, é apresentada uma ficha que pode ser com o auxílio de dispositivos tais como uma forquilha utilizada para a realização de inventário de pontos de madeira, um pêndulo de cortiça ou resina etc. São d’água em estudos hidrogeológicos. Deve-se ressaltar, muito variados os tipos e formatos dos “instrumentos” entretanto, que, em função dos objetivos do trabalho, utilizados. É mais lógico imaginar que, em realidade, os dados a serem coletados podem variar, sendo não importa o “instrumento” mas que a capacidade de acrescidas ou suprimidas informações. detecção de água subterrânea seria um dom pessoal assim como, por exemplo, a mediunidade. Este implantação de redes de Monitoramento fenômeno é chamado de dowsing ou water witching em inglês, e baguette divinatoire em francês. O Geological Uma vez concluído o inventário de pontos d’água, Survey dos Estados Unidos, em face de um grande e faz-se uma seleção daqueles pontos mais adequados sempre crescente número de consultas procedentes à obtenção das informações desejadas, de modo a se de todo o país, no final do século XIX e início do século poder instalar uma rede de monitoramento. Na figura XX, publicou em 1917 e reeditou em 1957 um estudo 4.1.3 é apresentada a rede de monitoramento utilizada sobre o assunto. O autor desse estudo, ELLIS (1917), no projeto Hidrogeologia da Porção oriental da Bacia relacionou uma espantosa bibliografia de cerca de 600 sedimentar do araripe, desenvolvido, no âmbito de artigos, escalonada no tempo entre 1532 e 1916, o que uma rede cooperativa de pesquisa, pela CPRM em sugere que o tema deve ser provavelmente tão antigo parceria com a UFC - Universidade Federal do Ceará. quanto a própria humanidade. A aura de mistério que No presente capítulo trata-se, apenas, da observação envolve a radiestesia, sempre facilitou, naturalmente, de níveis estáticos e, essencialmente, da interpretação a ação de espertalhões inescrupulosos em busca de desses dados. Redes de observação destinadas ao lucro fácil. Isso não significa dizer, entretanto, que todos monitoramento da qualidade química das águas serão os radiestesistas sejam forçosamente embusteiros. tratadas no capítulo 7.2. É possível que este fenômeno exista efetivamente e Na seleção dos pontos para observação de que integre aquele vastíssimo campo de fenômenos níveis d’água, os seguintes aspectos devem ser naturais ainda desconhecidos. Ele não deve ser incluído, considerados: claro, entre os procedimentos técnicos adotados na • no caso de poço, o mesmo deve estar pesquisa hidrogeológica, mas, talvez deva ser incluído preferencialmente paralisado, isto é, sem nos domínios da parapsicologia. Concorda-se com bombeamento. É possível, entretanto, admitir Custodio & Llamas (1983) e Davis & Dewiest (1966) em poços em funcionamento na rede de observação, considerá-la absolutamente inútil na pesquisa de água desde que os mesmos possam ser paralisados pelo subterrânea. menos 12 horas antes da medição de nível; 185 Cap_4.1_FFI.indd 7 9/12/2008 21:19:14 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea Figura 4.1.3 - Rede de monitoramento utilizada no projeto Hidrogeologia da Porção Oriental da Bacia Sedimentar do Araripe (adaptado de CPRM/UFC, 2008). • existência de dados construtivos e litológicos dos nivelamento Barométrico - método bastante poços; simples, rápido e pouco oneroso. Entretanto, apresenta • captação apenas do nível aqüífero considerado como uma baixa precisão. Não pode ser utilizado em regiões foco do estudo; poços captando diversos níveis ou planas, uma vez que o erro do método pode ultrapassar formações aqüíferas não são representativos; os desníveis que se quer medir. Este método está • deve-se procurar uma distribuição espacial o mais em desuso, face às modernas técnicas de GPS possível abrangente, para que se tenha uma boa disponíveis. representatividade espacial do aqüífero; nivelamento topográfico - metodologia muito • os pontos d’água que vão constituir a rede de precisa, mas, em contrapartida, é muito onerosa e observação devem permitir acesso livre e fácil aos lenta. Atualmente pode, também, ser considerada medidores de nível. como em desuso, face às modernas técnicas de GPS disponíveis. O ideal é que sejam instalados hidrômetros em todos os poços produtores da área estudada gPs diferencial (dgPs) - recurso moderno, com a finalidade de avaliar a descarga extraída do extremamente rápido e preciso. O alto custo do aqüífero. Caso isso não seja possível, pelo menos equipamento é plenamente compensado pela precisão deve ser registrada a vazão nominal e o regime de centimétrica que é possível se obter, em prazos bombeamento de todos os poços para se fazer uma muito curtos e, conseqüentemente a baixos custos estimativa dessa descarga. operacionais Na figura 4.1.4 são mostradas fotos ilustrando a utilização do DGPS. nivelamento de Pontos d’água uso de imagens srtM (Shutt le Radar Topographic Mission) - nas imagens SRTM são Os poços selecionados para fins de observação são conhecidas as cotas de todos os pontos da superfície denominados usualmente de “piezômetros” (embora topográfica. Assim, dispondo-se das coordenadas teoricamente piezômetro tenha a conotação teórica de geográficas de um certo conjunto de poços, pode-se ser um poço aberto apenas no fundo para tomada de plotá-los na imagem SRTM que os contém e obter-se, pressão num ponto) ou poços de observação. Uma de imediato, suas respectivas cotas. Demétrio (2006), vez definida a rede de observação, deve-se nivelar as demonstra que o erro desse procedimento é inferior a bocas de todos os poços. Caso as cotas das bocas 5,0 metros, nos casos analisados, o que torna viável já sejam conhecidas, este procedimento torna-se e muito prática e econômica, em muitas situações, naturalmente desnecessário. A seguir serão descritos a obtenção das cotas das bocas dos poços através quatro métodos de nivelamento. dessas imagens. 186 Cap_4.1_FFI.indd 8 9/12/2008 21:19:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 187 Cap_4.1_FFI.indd 9 9/12/2008 21:19:16 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea 188 Cap_4.1_FFI.indd 10 9/12/2008 21:19:17 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações superfície Potenciométrica Superfície potenciométrica é o lugar geométrico dos pontos que marcam as alturas potenciométricas de um aqüífero, referidas a uma dada profundidade. Pode-se, também, dizer que é uma superfície, referida a uma dada profundidade, que inclui todos os pontos definidos por valores de cargas hidráulicas. No caso de aqüíferos livres, as superfícies potenciométricas descrevem aproximadamente a superfície do freático, tendo, portanto, uma representação real. No caso de aqüíferos confinados, essas superfícies são virtuais, situadas acima do topo do aqüífero e, mesmo, acima da superfície do terreno, quando existe artesianismo jorrante. Uma superfície potenciométrica horizontal pode significar que as cargas hidráulicas são iguais no nível de profundidade a que a mesma se reporta, sugerindo, assim, imobilidade das águas, isto é, Figura 4.1.4 - Processo de nivelamento de poços utilizando ausência de fluxo subterrâneo. Essas águas estão, DGPS: (a) calibração do equipamento utilizando um marco entretanto, quase sempre em movimento, de modo do IBGE; (b) medição do valor da cota da boca de um poço que as superfícies potenciométricas são, geralmente, (CPRM/UFBA, 2008). inclinadas, podendo mesmo assumir feições bastante complexas, dadas as freqüentes complexidades geológicas dos aqüíferos e, conseqüentemente, do operação de redes de Monitoramento A operação de uma rede de monitoramento consiste em medir periodicamente os níveis d’água nos poços (através de medidores de níveis manuais, figura 6.3.4, ou automáticos, figura 6.3.6), com o objetivo de obter a distribuição espacial das cargas hidráulicas(1) do aqüífero. A figura 4.1.5, ilustra o procedimento para a medição do nível estático em um poço e a obtenção da carga hidráulica. É importante deixar bem claro que as cargas hidráulicas, ou potenciais hidráulicos, são expressas em metros acima de um dado referencial, daí serem, às vezes, chamadas de cotas potenciométricas. O referencial adotado é, geralmente, o nível do mar, mas nada impede que possa ser utilizado outro referencial qualquer. Também devem ser registrados (ou avaliados) os volumes de água extraídos pelos poços. Em estudos regionais e às vezes, também, locais, é comum associar ao monitoramento quantitativo o monitoramento qualitativo, de forma a otimizar os custos. Assim, aproveitando-se uma visita a um determinado ponto, deve-se realizar, além das medições de nível e registro do volume de água produzido pelo poço, coletas de água para análises físico-químicas e isotópicas (se for o caso), em laboratório, e medição dos parâmetros passíveis de serem avaliados in loco (CE, pH, T, O2 etc.). Potenciometria Entender o que é potenciometria de um aqüífero implica a compreensão de três importantes conceitos que são: superfície potenciométrica, superfície Figura 4.1.5 - Procedimento para medição do nível estático e eqüipotencial e linha eqüipotencial. obtenção da carga hidráulica (foto cedida pela CPRM). (1) A expressão “carga hidráulica” tem aqui o mesmo significado que “potencial hidráulico” 189 Cap_4.1_FFI.indd 11 9/12/2008 21:19:25 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea fluxo subterrâneo. A figura 4.1.6 procura ilustrar o conceito de superfície potenciométrica. Nesta figura, o plano XY deve ser considerado como um plano horizontal no seio do aqüífero. superfície eqüipotencial As superfícies eqüipotenciais, por sua vez, são superfícies virtuais sempre no seio do aqüífero, nas quais todos os pontos têm o mesmo potencial hidráulico ou, em outras palavras, a mesma carga hidráulica. Em meios porosos homogêneos e isotrópicos, as superf íc ies eqüipotenciais interceptam ortogonalmente as linhas de fluxo, o que é sempre levado em conta na elaboração de mapas potenciométricos. Numa superfície eqüipotencial vertical, o potencial ou carga hidráulica não depende da profundidade, uma vez que é constante em toda essa superfície. Como os aqüíferos sedimentares são dispostos em posição horizontal ou muito próximo disso, o fluxo subterrâneo natural aproxima freqüentemente um padrão de fluxo horizontal, sem componentes verticais significativas. Um poço vertical, portanto, ficaria contido na mesma superfície eqüipotencial, como mostrado na figura 4.1.7. Nestes casos, um poço destinado a medição da carga hidráulica não precisa ser totalmente penetrante. Nas proximidades de zonas de recarga, em Figura 4.1.7 - Superfície eqüipotencial vertical. aqüíferos muito inclinados, nas proximidades de captações, no caso de rios efluentes etc, as superfícies eqüipotenciais são acentuadamente encurvadas, resultado da presença de componentes verticais de fluxo importantes. Nesses casos, um poço vertical interceptaria uma infinidade de superfícies eqüipotenciais, o que se traduziria por uma variação da carga hidráulica com a profundidade. A figura 4.1.8 procura ilustrar esse comportamento. Figura 4.1.6 - Visualização espacial de uma superfície Figura 4.1.8 - Ilustração de uma superfície eqüipotencial potenciométrica. encurvada. 190 Cap_4.1_FFI.indd 12 9/12/2008 21:19:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações linha eqüipotencial eqüipotenciais e sua concavidade, ou a disposição Finalmente, a linha eqüipotencial pode ser entendida relativa das linhas de corrente. Exemplificam-se a seguir como a projeção, em planta, da intersecção de vários desses tipos, lembrando que as superfícies reais uma superfície potenciométrica com um plano de podem ser mais complexas, combinando dois ou mais cota potenciométrica definida. As projeções das tipos diferentes. No caso de superfícies cilíndricas intersecções dessa superfície com diferentes planos, planas, as linhas eqüipotenciais são retas paralelas, de diferentes cotas potenciométricas, gera um conjunto como mostrado na figura 4.1.10. No caso de uma de linhas eqüipotenciais conhecido como mapa superfície radial divergente, as linhas eqüipotenciais potenciométrico ou mapa de fluxo subterrâneo. A figura são curvas e as linhas de corrente tendem a divergir 4.1.9 procura ilustrar esquematicamente o conceito de a jusante do fluxo, como mostrado na figura 4.1.11. linha eqüipotencial e mapa potenciométrico. A figura 4.1.12 exemplifica o caso de uma superfície radial convergente. As linhas de corrente convergem tipos de superfície Potenciométrica radialmente a jusante do fluxo, sendo o caso típico de fluxo radial para poços. Na superfície parabólica De acordo com a escola francesa, é possível visualizar cilíndrica, a separação entre as linhas eqüipotenciais seis tipos de superfícieis potenciométricas elementares. diminui na direção do fluxo, como mostrado na figura • superfície Cilíndrica - as linhas eqüipotenciais 4.1.13. No caso mostrado na figura 4.1.14, a separação são retas paralelas. entre as linhas eqüipotenciais diminui para um lado e para o outro a partir de uma delas, caracterizando uma • superfície radial - as linhas eqüipotenciais superfície elíptica. são curvas e as linhas de corrente tendem a convergir. traçado das linhas eqüipotenciais • superfície Plana - a separação entre as linhas eqüipotenciais é constante. No traçado das linhas eqüipotenciais, também chamadas de curvas potenciométricas, algumas • superfície Parabólica - a separação entre as condições básicas devem ser obedecidas, em linhas eqüipotenciais diminui na direção do função das condições de contorno do problema. As fluxo. principais são: • superfície Hiperbólica - a separação entre as • devem ser normais aos limites impermeáveis; e linhas eqüipotenciais aumenta na direção do fluxo. • devem ser paralelas às superfícies e linhas de nível • superfície elíptica - a separação entre as linhas constante, tais como rios, lagos, mares etc., que eqüipotenciais diminui para ambos os lados a tenham conexão com o aqüífero. partir de uma delas, que funciona como divisor de águas. As superfícies elementares citadas podem combinar-se para gerar vários tipos de superfícies potenciométricas, de acordo com a separação das linhas Figura 4.1.10 - Superfície cilíndrica plana (modificado de Figura 4.1.9 - Conceituação de linha eqüipotencial. Custodio & Llamas, 1983). 191 Cap_4.1_FFI.indd 13 9/12/2008 21:19:26 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea Figura 4.1.11 - Superfície radial divergente (modificado de Figura 4.1.13 - Superfície parabólica cilíndrica (modificado Custodio & Llamas, 1983). de Custodio & Llamas, 1983). Figura 4.1.12 - Superfície radial convergente (modificado Figura 4.1.14 - Superfície elíptica cilíndrica (modificado de de Custodio & Llamas, 1983). Custodio & Llamas, 1983). A eqüidistância é função do caso em estudo, da interpretação qualitativa de superfícies Poten- escala, da densidade dos pontos amostrais, precisão ciométricas das medições etc. Costuma variar entre 0,5 e 1,0 m ou até 5,0 ou mais metros. A inclinação da superfície No caso da interpretação qualitativa de superfícies potenciométrica é, também, muito importante. O potenciométricas, a abordagem será feita a partir conhecimento do problema deve ser levado em conta de alguns exemplos específicos apresentados. no traçado das linhas eqüipotenciais. Por exemplo, no Inicialmente, o caso ilustrado pela figura 4.1.15, parte caso de aqüífero livre, onde as linhas eqüipotenciais (A), admite as seguintes interpretações: não podem estar acima da topografia. O traçado dessas • maiores grad ientes s ign i f icam menores linhas encerra, assim, certo grau de subjetividade. transmissividades; e 192 Cap_4.1_FFI.indd 14 9/12/2008 21:19:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • menores grad ientes s ign i f icam maiores transmissividades. Justificativa: Q = K.A.i = K.b.L.i = T.L.i → T = [(1/i)(Q/L)] (4.1.1) onde, q é a vazão natural do fluxo subterrâneo, K é a condutividade hidráulica do meio aqüífero, t é a transmissividade hidráulica do meio aqüífero, i é o gradiente hidráulico, b é a espessura saturada e l é o comprimento da frente de escoamento. Em outras palavras, a transmissividade é inversamente proporcional ao gradiente hidráulico, desde que a razão Figura 4.1.16 - Exemplo prático de linhas de corrente q/l seja sempre constante. convergentes: rio efluente. No caso exemplificado na parte (B) da figura 4.1.15, a análise qualitativa fica mais complicada, uma No caso de linhas de corrente divergentes, vez que entram em jogo não apenas variações de como mostrado na figura 4.1.17, parte A, mantidos transmissividade, mas também, variações de seção constantes q, b, e K, o comportamento normal das do fluxo. linhas eqüipotenciais é o oposto do anterior, isto é, os gradientes diminuem na direção do fluxo. A justificativa matemática é a mesma. Esta feição de fluxo é comumente associada à recarga, como mostrado na parte B da figura 4.1.17. análise quantitativa de superfícies Potenciométricas A aná l i se quan t i t a t i va das supe r f í c i es potenciométricas baseia-se na Lei de Darcy, admitindo-se o meio como isotrópico. Considere a parte (A) da figura 4.1.18. O fluxo que cruza a frente de escoamento AB, é dado por: q = T.AB.i (fluxo horizontal) (4.1.3) Figura 4.1.15 - Casos de linhas de corrente paralelas e convergentes (modificado de Custodio & Llamas, 1983). Justificativa: Q = K.A.i = K.b.L.i → [Q/(b.L)] = K.i (4.1.2) Como mostrado na equação (4.1.2), para q, b e K constantes, t é também constante. Então i é inversamente proporcional à largura da secção de fluxo. Esta feição de linhas de corrente convergentes, além de caracterizar o fluxo radial para um poço (figura 4.1.14) é também associada à descarga para um rio, Figura 4.1.17 - Linhas de correntes divergentes (modificado conforme exemplificado na figura 4.1.16. de Custodio & Llamas, 1983). 193 Cap_4.1_FFI.indd 15 9/12/2008 21:19:26 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea Quando: q < 0 → recarga > descarga → cresce o armazenamento q > 0 → recarga < descarga → diminui o armazenamento q = 0 → recarga = descarga → armazenamento n ã o a l t e r a d o , i s t o é , r e g i m e estacionário. No caso de uma superfície potenciométrica cilíndrica (eqüipotenciais são retas paralelas, figura 4.1.19) e em regime permanente (q = 0), a aplicação da expressão acima a dois pontos E e F, resulta em: TE iE l = TF iF l → TE iE = TF iF (4.1.6) E, naturalmente, se a transmissividade do aqüífero é constante, iE = iF e a superfície potenciométrica seria um plano. Figura 4.1.18 - Análise quantitativa de superfícies potenciométricas (adaptado de Custodio & Llamas, 1983). Supõe-se que t e i são constantes ao longo de AB, logo o gradiente hidráulico i é avaliado como: i = [(hi-1 - hi+1)/CD] (4.1.4) Para a avaliação de i, deve ser escolhido um trecho sem recargas ou descargas importantes. Se Figura 4.1.19 - Superfície potenciométrica cilíndrica (adaptado considerarmos agora, na parte (B) da figura 4.1.18, de Custodio & Llamas, 1983). duas linhas de corrente contíguas, isto é, um tubo de corrente, pode-se dizer que em seu interior a vazão é constante. Na presença de recarga ou descarga, a exemplos de Mapas Potenciométricos vazão sofrerá variações iguais aos valores da recarga No presente tópico são apresentados e comentados ou descarga. Na malha ABCD, de área si, pode-se alguns exemplos de mapas potenciométricos. Mostra-se, fazer o seguinte balanço: inicialmente, na figura 4.1.20, o mapa potenciométrico Entrada em AB + Recarga em Si - Descarga em Si da região do complexo lagunar do Bonfim, no Rio Grande do Norte, cerca de 15 km ao sul de Natal. O fluxo = Saída em CD subterrâneo diz respeito ao sistema aqüífero Dunas/ ou, mais convenientemente: Barreiras na bacia sedimentar cretácica PB/RN. No cômputo geral, observa-se que o fluxo das águas Entrada em AB - Saída em CD = Descarga em Si subterrâneas acha-se perfeitamente harmonizado com - Recarga em Si os níveis dos espelhos líquidos das lagoas, buscando radialmente os exutórios naturais, ou seja, o rio Pitimbu, Expressando a equação acima com o auxílio da ao norte, o rio Trairi, ao sul, e as drenagens que compõem Lei de Darcy, vem: o riacho Boa Cica, a ESE. A lagoa do Bonfim recebe, em toda a sua borda oeste, contribuições subterrâneas Ti ii AB - Ti+1 ii+1 CD = q Si (4.1.5) procedentes do oeste. As águas da própria lagoa, onde, t é a transmissividade média ao longo de AB, aduzidas a áreas irrigadas existentes no seu flanco i oeste, podem, talvez, estar contribuindo para formar ti+1 é a transmissividade média ao longo de CD, ii é o ou intensificar as feições de recarga observadas no gradiente hidráulico na entrada AB, ii+1 é o gradiente mapa potenciométrico. A lagoa repassa água de volta hidráulico na saída CD e q é a vazão líquida por unidade ao aqüífero, pelas suas extremidades norte e sul, nas de área (descarga-recarga), cruzando a frente de direções, respectivamente, dos rios Pitimbu e Trairi. Parte escoamento CD. substancial desse fluxo, entretanto, contorna a zona de 194 Cap_4.1_FFI.indd 16 9/12/2008 21:19:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.1.20 - Mapa potenciométrico da região do Complexo Lagunar do Bonfim/RN (dados de campo obtidos por Costa, 1997; potenciometria elaborada por Hidroservice, 1997) recarga da Lagoa Redonda, transferindo água às lagoas sistema de falhamentos ao sul, separando o Graben de Urubu, Boa Água, Ferreira Grande e Carcará e, daí, ao Boa Vista do Alto de Quixaba, e a uma descontinuidade exutório representado pelo riacho Boa Cica. Assim, a mais discreta, nas vizinhanças de Baraúnas. explotação, em 1997, de cerca de 2,4 hm3/ano para atender projetos privados de irrigação no perímetro da lagoa do Bonfim, parecia não exercer efeitos apreciáveis Balanço Hídrico nas relações de fluxo aqüífero/lagoa. Este tópico, já apresentado no capítulo 2.1, é aqui Na figura 4.1.21 é mostrada a potenciometria do novamente abordado, em função de sua relevância nos aqüífero Açu na região de Mossoró, no Rio Grande estudos hidrogeológicos, principalmente de aqüíferos do Norte. Constata-se a existência de uma ampla livres ou freáticos. depressão potenciométrica, alongada na direção Na natureza, a água é a única substância que NW-SE, condicionada, essencialmente, pela bateria pode ser encontrada em todos os três estados de poços da CAERN, em Mossoró, e pela bateria da matéria (sólido, líquido e gasoso), estando de poços da Companhia Agroindustrial de Mossoró distribuída em todos os ambientes de nosso planeta: – MAISA. Individualizam-se, localmente, o cone de atmosfera, oceanos e continentes. Esta ocorrência, depressão de Mossoró e o da MAISA. O primeiro é bem entretanto, não é estática. A água está num processo mais acentuado, exibindo cargas hidráulicas mínimas dinâmico e contínuo de movimento, mudando de compreendidas entre -75 e -80 metros. O segundo é ambiente e de estado, circulando dos oceanos (e menos pronunciado, com cargas hidráulicas mínimas continentes) para a atmosfera, através dos processos compreendidas entre -40 e -50 metros. Acha-se de evapotranspiração, de onde retorna para os plenamente estabelecida uma nítida inversão de fluxo, continentes (ou para os próprios oceanos), através isto é, ocorre fluxo proveniente das regiões do aqüífero das precipitações (chuva e neve), e escoa, de situadas na porção submarina da bacia. Constatam-se forma superficial ou subterrânea, novamente para fortíssimos gradientes hidráulicos ao sul e a oeste da os oceanos. Este processo é conhecido como ciclo área, atribuídos, respectivamente, a um pronunciado hidrológico (figura 2.1.1). 195 Cap_4.1_FFI.indd 17 9/12/2008 21:19:27 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea Figura 4.1.21 - Mapa potenciométrico da região de Mossoró/RN (Feitosa, 1996). O ciclo hidrológico, que congrega processos bacias selecionadas, que permitirá inferir os valores e, diversificados de transporte e armazenamento, é um possivelmente, os mecanismos de recarga de cada uma conceito bastante difundido, porém quantitativamente delas, deverão ser coletados, selecionados e analisados um tanto quanto vago (Fetter, 2001). A sua avaliação os dados climatológicos disponíveis (pluviométricos, quantitativa é feita através da equação geral do balanço fluviométricos, de evapotranspiração etc.), das áreas hídrico, que obedece ao princípio da conservação da de interesse do trabalho. massa ou da continuidade, segundo o qual, num sistema Nos estudos de sistemas hidrológicos e qualquer, a diferença entre as entradas e as saídas é hidrogeológicos de uma determinada área, é igual à variação do armazenamento dentro do próprio fundamental o conhecimento do ciclo hidrológico sistema. Por isso, a quantificação dos componentes e a elaboração do balanço hídrico da região, do ciclo hidrológico, denominada de balanço hídrico, sendo os processos de infiltração e escoamento requer o estabelecimento de uma unidade de área onde superficial os fatores que devem ser analisados mais seja possível considerar a precipitação pluviométrica criteriosamente. A equação que avalia o balanço como a única entrada de água. De modo a atender hídrico numa determinada bacia hidrográfica é dada essa exigência, nos estudos hidrogeológicos adota-se pela expressão (2.1.2): como área de trabalho a bacia hidrográfica, delimitada por seus divisores de água superficial, que além de P – ETR - R - I = ∆S atender essa exigência, permite a quantificação do volume de saída. Nesta bacia, a quantidade de água que sendo P a precipitação pluviométrica, r o escoamento escoa pelo seu exutório, denominada de escoamento superficial ou deflúvio (runoff), etr a evapotranspiração total ou deflúvio total, é composta pelo somatório real, i a infiltração e ∆s a variação de armazenamento da precipitação direta nos corpos d’água e dos na bacia hidrográfica considerada. escoamentos superficial, subsuperficial e subterrâneo, Os termos da equação (2.1.2) já foram discutidos no sendo a sua variação uma resposta à precipitação. capítulo 2.1, entretanto, a seguir, serão apresentadas Assim, para elaboração do balanço hídrico das algumas complementações. 196 Cap_4.1_FFI.indd 18 9/12/2008 21:19:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações evapotranspiração real e Potencial Dados de evapotranspiração real e potencial não são muito disponíveis de uma forma sistemática. Torna-se necessário, quase sempre, realizar avaliações, em cada caso. Duas formas de avaliação da evapotranspiração, real e potencial, podem ser citadas: • fórmulas empíricas, tais como as de Penmann, Turc e Thornthwaite (Castany, 1967); • utilização de lisímetros ou infiltrômetros, que são dispositivos instalados no terreno, a cerca de 1 ou 2 metros de profundidade, sem alterar a estrutura natural do solo e destinam-se a avaliar realisticamente o volume infiltrado (figura 4.1.22). Em presença de terreno plano, o escoamento su- perficial é desprezível na pequena área amostrada. Daí pode-se avaliar a evapotranspiração real como: ETR = P - I (4.1.7) sendo P a pluviometria medida no pluviômetro e i a infiltração medida no lisímetro da figura 4.1.22. infiltração Na equação do balanço hídrico, o termo de maior importância para a hidrogeologia é, naturalmente, a infiltração (I). Como as informações fornecidas pelos lisímetros são pontuais e representativas das condições locais, é recomendável obter e analisar valores de infiltração em toda a área de interesse. Isso é possível, por exemplo, mediante a instalação e operação de uma rede de lisímetros. Chega-se, assim, ao gráfico mostrado na figura 4.1.23, onde pode ser definida uma lei linear que relaciona a infiltração à pluviometria. Como o ajuste da reta é feito pelo método estatístico dos mínimos quadrados, a taxa de infiltração assim obtida é representativa, regionalmente, da bacia. Fica evidenciada (figura 4.1.23) a existência de um, por assim dizer, limiar pluviométrico. Esse limiar (seuil pluviometrique, segundo Castany, 1967) significa aquele valor da pluviometria abaixo do qual não ocorre infiltração. escoamento superficial O gráfico da figura 4.1.24 é conhecido como hidrógrafa. A hidrógrafa representa a variação da descarga de um rio ao longo de 12 meses. Neste exemplo, a descarga cresce rapidamente a partir de maio, em decorrência do início da estação chuvosa, atingindo um máximo no mês de agosto. A partir daí, a descarga decresce também rapidamente, até novembro e, em seguida, mais suavemente até o final. É possível perceber, no ramo descendente da hidrógrafa, uma mudança de inflexão e assinalar o denominado ponto de inflexão. O ponto de inflexão Figura 4.1.22 - Lisímetro ou infiltrômetro: (a) figura esquemática marca o final do escoamento superficial e o início da do dispositivo, (b) e (c) fotos mostrando o processo de contribuição das águas subterrâneas. O trecho da instalação (fotos cedidas pela CPRM). 197 Cap_4.1_FFI.indd 19 9/12/2008 21:19:29 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea Figura 4.1.23 - Correlação infiltração/pluviometria (adaptado de Castany, 1967). Figura 4.1.25 - Armazenamento e descarga nas margens Figura 4.1.24 - A hidrógrafa. dos rios. hidrógrafa à direita do ponto de inflexão é chamado pelo escoamento de superfície, passa agora a ser de curva de recessão ou curva de esvaziamento, ou comandado pelo escoamento subterrâneo. O ponto ainda, curva de esgotamento dos aqüíferos. de inflexão marca a separação entre os dois regimes. O exame da figura 4.1.25 auxilia na compreensão Este mecanismo de drenagem das águas subterrâneas do significado da curva de recessão. A situação (a) é, em última análise, o responsável pela perenidade ocorre no final do período seco, quando o nível do rio dos grandes rios. A descarga mínima, assim mantida está na posição mais baixa e em equilíbrio com o nível nos períodos secos, é chamada de fluxo de base. freático das margens. Corresponderia aos meses de As curvas de recessão ajustam-se satisfatoriamente a março e abril na hidrógrafa da figura 4.1.24. A situação uma equação de decaimento do tipo: (b) ocorre entre os meses de junho e agosto, na hidrógrafa. As enxurradas fazem subir rapidamente o Q(t) = Q e−λ t0 (4.1.8) nível do rio, estabelecendo um forte gradiente hidráulico entre este e os aqüíferos marginais. Neste período, o onde, q(t) é a vazão do rio num instante t, q0 é a rio recarrega os aqüíferos. A situação (c) prevalece, vazão inicial, dada pelo ponto de inflexão, e é a base em nossa hidrógrafa, entre os meses de agosto e dos logaritmos neperianos, t é o tempo considerado outubro. Os níveis freáticos sobem, tendendo a anular e λ é o coeficiente de recessão que depende das o gradiente hidráulico e interromper a recarga. A partir características da bacia hidrográfica. de novembro passa a prevalecer a condição (d), isto é, o escoamento das águas superficiais faz baixar A curva de recessão da hidrógrafa é de grande rapidamente o nível do rio, induzindo uma drenagem importância na hidrogeologia. Ela permite, com efeito, das águas subterrâneas estocadas alguns meses avaliar a magnitude do armazenamento de água antes. O regime de escoamento do rio, registrado subterrânea nos aqüíferos superficiais que interagem na hidrógrafa, que era comandado anteriormente com a drenagem superficial. Assim, se integrarmos 198 Cap_4.1_FFI.indd 20 9/12/2008 21:19:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações a função (4.1.5) entre os tempos t0 e t1 (figura 4.1.26), obteremos o volume total de água subterrânea restituído pelos aqüíferos rasos que ocorrem na bacia hidrográfica, tal como mostrado na equação (4.1.9) a seguir: t1 V = Q0 ∫ e−λ tdt (4.1.9) t0 O coeficiente de recessão λ depende das características da bacia, isto é, clima, litologia, relevo, geometria, vegetação etc. Sua unidade é [T-1] e os valores variam amplamente entre 10-4 e 10-1. Maiores armazenamentos de água subterrânea correspondem Figura 4.1.27 - Tipos de recessão. a pequenos valores de λ enquanto que grandes valores de λ significam reservas pouco significativas, como Formas da Hidrógrafa (1) mostrado na figura 4.1.27. Na figura 4.1.28 é mostrado um caso prático De modo geral, quando ocorre uma chuva numa de análise de hidrograma, visando à avaliação dos bacia hidrográfica, a hidrógrafa do rio é perturbada volumes de água subterrânea restituídos pelos e pode assumir várias formas, de acordo com a aqüíferos na região de Mossoró, Bacia Potiguar/RN magnitude relativa da intensidade da chuva, da (Hidroservice, 1998). taxa de infiltração, do volume de água infiltrada, do déficit de umidade do solo, da duração da chuva e de outras características da precipitação e da bacia. Seguindo o exemplo de Davis & DeWiest (1966), os parâmetros mais relevantes(2) e sua influência nas quatro componentes do deflúvio(3), são comparados em quatro situações que resultam em quatro diferentes hidrógrafas (figuras 4.1.29 a 4.1.32). A capacidade de campo (F) é o teor de umidade que permanece em um solo após um longo período de drenagem gravitacional sem suprimento de água na superfície do terreno. É um parâmetro que independe do tempo. O déficit de umidade do solo (Du(t)), em um determinado instante, é a diferença entre a capacidade de campo e o teor de umidade do solo naquele instante (θw(t)), ou seja, Du(t) = F – θ w(t). Corresponde, portanto, ao volume de água necessário para elevar a umidade do Figura 4.1.26 - Curva de recessão. solo até um teor acima do qual o excedente se infiltra. Figura 4.1.28 - Hidrograma do rio Apodi em Mossoró/RN, em 1989 (adaptado de Hidroservice, 1998). (1) Texto reproduzido de Manoel Filho, J. Capítulo 2 - Ocorrência das Águas Subterrâneas in Feitosa & Manoel Filho, 2000. (2) Intensidade da chuva (i), taxa de infiltração (fi), volume de água infiltrada (V 199i) e déficit de umidade do solo (Du). (3) Escoamento superficial direto (R), interfluxo (Ri), fluxo de água subterrânea (Q), e precipitação (P) no canal do rio. Cap_4.1_FFI.indd 21 9/12/2008 21:19:30 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea Caso 1: (a) intensidade da chuva i < taxa de infiltração fi (b) volume de infiltração Vi < déficit de umidade do solo du Da condição (1a), conclui-se que deve haver infiltração, mas não escoamento superficial direto, porque a intensidade da chuva é menor do que a taxa de infiltração. A condição (1b) implica que o volume infiltrado é consumido no solo, já que é inferior ao déficit de umidade do solo e, portanto, não vai existir interfluxo nem fluxo de água subterrânea. Ou seja, neste caso, o único acréscimo possível ao fluxo do rio, somente pode resultar de precipitação no canal, produzindo um ligeiro aumento da vazão (figura 4.1.29). Figura 4.1.29 - Hidrógrafa de recessão influenciada apenas Caso 2: por precipitações no canal do rio - caso1 (modificado de Manoel Filho in Feitosa & Manoel Filho, 2000). (a) intensidade da chuva i < taxa de infiltração fi (b) volume de infiltração Vi > déficit de umidade do solo du Da condição (2a), conclui-se, como no caso anterior, que houve infiltração, mas não escoamento superficial direto. Da condição (2b), verifica-se que o volume infiltrado superou o déficit de umidade do solo, e assim, após o teor de umidade ter atingido a capacidade de campo, a hidrógrafa foi alterada por interfluxo, fluxo de água subterrânea (incremento ∆) e precipitação no canal (figura 4.1.30). Caso 3: (a) intensidade da chuva i > taxa de infiltração fi (b) volume infiltrado Vi < déficit de umidade do Figura 4.1.30 - Hidrógrafa de recessão influenciada por solo du recarga de água subterrânea, interfluxo e por chuva no canal No exemplo ilustrado na figura 4.1.31 ocorreram - caso 2 (modificado de Manoel Filho in Feitosa & Manoel Filho, 2000). contribuições do escoamento superficial direto e das precipitações no canal porque a intensidade da chuva foi maior do que a taxa de infiltração. Todavia, como o volume infiltrado não foi suficiente para atender ao déficit de umidade do solo, pode-se dizer que nenhum fluxo subterrâneo adicional foi superposto ao existente (∆=0) Caso 4: (a) intensidade da chuva i > taxa de infiltração fi (b) volume infiltrado Vi >déficit de umidade do solo du Esta última situação (figura 4.1.32) é a que costuma acontecer nos períodos muito chuvosos. Todas as componentes do deflúvio contribuem para a vazão do rio, ou seja, o fluxo do rio é o resultado de Figura 4.1.31 - Hidrógrafa de recessão influenciada por contribuições provenientes das precipitações no canal, escoamento superficial direto e chuva no canal. Não houve do escoamento superficial direto, do interfluxo e do recarga de água subterrânea, ∆=0 - caso 3 (modificado de fluxo de água subterrânea (∆>0). Manoel Filho in Feitosa & Manoel Filho, 2000). 200 Cap_4.1_FFI.indd 22 9/12/2008 21:19:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Poço de observação - também chamado de piezômetro, é um poço que capta o aqüífero foco do estudo, construído com características apropriadas apenas para observação de níveis e/ou coleta de água para análise. Em função das possibilidades (existência de poços no local) e dos objetivos propostos, pode-se utilizar poços pré-existentes. É comum a perfuração de poços de observação próximos a poços produtores com a finalidade de realização de testes de aqüífero. Normalmente, quando da construção de poços de pesquisa, inicialmente, perfura-se um poço estratigráfico, que, em função de resultados positivos, passa para a condição de poço produtor de pesquisa. Em seguida, é construído um poço de observação próximo, para a realização de testes Figura 4.1.32 - Hidrógrafa de recessão influenciada por de aqüífero. As questões inerentes à construção de escoamento superficial direto, interfluxo, chuva no canal e poços tubulares e perfilagens geofísicas de poços, recarga de água subterrânea, ∆> 0 - caso 4 (modificado de são apresentadas, respectivamente, nos capítulos Manoel Filho in Feitosa & Manoel Filho, 2000). 6.1 e 6.2. realização de testes de Bombeamento e Construção de Poços de Pesquisa avaliação de Parâmetros Hidrodinâmicos Em função do tipo de estudo a ser realizado e dos Basicamente, os tipos de teste de bombeamento objetivos a que se propõe, devem ser perfurados poços aos quais um poço pode ser submetido são dois: de pesquisa, que podem ter diferentes finalidades e teste de aqüífero e teste de produção. Usualmente, são classificados de diferentes formas. na grande maioria dos poços perfurados para Poço estratigráfico - em geral trata-se de um produção de água, só é realizado um rápido poço pioneiro, em local ainda desconhecido, para bombeamento que visa exclusivamente definir sua esclarecimento da estratigrafia e dimensionamento capacidade produtiva, de modo a se dimensionar a dos aqüíferos existentes. É comum a utilização de sua unidade de bombeio, sendo este bombeamento poços estratigráficos para validar modelos oriundos denominado de teste de produção. O teste de levantamentos geofísicos. Normalmente, estes executado com o objetivo de caracterização do poços são perfurados em diâmetros pequenos, meio físico de subsuperfície é denominado de podendo, após a perfuração inicial: (a) ser reabertos teste de aqüífero e visa à determinação dos (perfurados em diâmetros maiores) e completados parâmetros hidrodinâmicos do meio poroso, tais (colocados revestimentos e filtros) para assumirem como transmissividade (T), condutividade hidráulica o caráter de poço produtor de pesquisa; (b) ser (K), coeficiente de armazenamento (S) e porosidade efetiva (ηe). Este tipo de teste consiste, basicamente, completados e assumirem o caráter de poço de no bombeamento de um poço com uma vazão observação; (c) ser aterrados, ficando as informações constante e conhecida q e no acompanhamento da da perfuração devidamente registradas. Um evolução do rebaixamento em um (ou mais) poço de procedimento importante, após a perfuração, é observação situado a uma distância radial r qualquer a realização de perfilagens geofísicas (descritas do poço bombeado (capítulo 6.3). A superposição em detalhe no capítulo 6.2), para consistir o perfil das curvas experimentais de rebaixamentos (curvas litológico construído com base na amostragem de de campo) com curvas teóricas permite obter os calha durante a perfuração. parâmetros hidrodinâmicos do aqüífero. Esses Poço Produtor de Pesquisa - poço que parâmetros condicionam o fluxo natural de água capta o aqüífero foco do estudo, construído com subterrânea no meio poroso e o fluxo radial para características apropriadas para produção de água os poços de bombeamento, além de permitirem a (diâmetro e extensão de filtros). Basicamente, este construção de modelos matemáticos e a avaliação tipo de poço é utilizado para a realização de testes das reservas, daí a sua grande importância na de aqüífero (capítulo 6.3). Em áreas em explotação, hidráulica subterrânea. Os testes de aqüífero e é comum a utilização de poços já existentes, sua interpretação (determinação dos parâmetros selecionados com base nos resultados do inventário hidrodinâmicos) são tratados em detalhe nos de pontos d’água. capítulos 6.3 e 6.4, respectivamente, deste livro. 201 Cap_4.1_FFI.indd 23 9/12/2008 21:19:31 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea 4.1.6 Caracterização Hidrogeológica Oxigênio 18 (18O) - é o oxigênio comum, mais qualitativa freqüente. Carbono 13 (13C) Métodos Hidrogeoquímicos isótopos radioativos A qualidade da água é tão importante quanto a Trício (3H) quantidade. Todas as pesquisas de água subterrânea Carbono 14 (14C) devem incluir a coleta de amostras em pontos selecionados para a realização de análises físico- Na hidrogeologia, a aplicação de isótopos tem químicas. A densidade da amostragem e os tipos a finalidade de obter informações sobre o tempo de análises a serem realizadas, vão depender, de residência da água no aqüífero, interações naturalmente, dos objetivos do estudo. entre água subterrânea e superficial, informações De uma maneira geral, medições da condutividade sobre mecanismos de recarga e interações entre elétrica devem sempre ser realizadas no próprio aqüíferos (drenanças verticais). Em geral, os estudos campo, com o auxílio de condutivímetros portáteis. Os isotópicos são aplicados na tentativa de dirimir valores da condutividade elétrica são transformados em dúvidas existentes e não esclarecidas pelos métodos valores de sólidos totais dissolvidos, dando excelentes convencionais de pesquisa. informações e uma importante visão panorâmica das variações espaciais da qualidade das águas (ver estudo de caso do capítulo 4.5). A medição do pH, também, Contaminação e Vulnerabilidade de é outro procedimento obrigatório em qualquer estudo. aqüíferos É do conhecimento de todos, com efeito, que águas ácidas tendem a corroer filtros de poços, enquanto Nas últimas décadas, no mundo inteiro, é crescente que águas de reação alcalina favorecem a incrustação. a preocupação com os processos de degradação O conhecimento do pH é, portanto, essencial na do meio ambiente. No que concerne às águas elaboração do projeto de poços. subterrâneas, esta preocupação avulta, pois é Os capítulos 5.1 e 5.2 deste livro, Noções de reconhecido que os processos de remediação são Hidroquímica e Geoquímica das Águas Subterrâneas, extremamente complexos e dispendiosos, quando respectivamente, abordam extensivamente as questões não impossíveis. Portanto, é consenso entre os referentes à qualidade da água subterrânea, suas especialistas do setor que, neste caso específico, classificações para os diversos usos e suas interações o famoso ditado popular “é melhor prevenir do que e modificações sofridas ao longo do fluxo, desde a remediar”, se aplica de forma exemplar. zona de recarga até o ponto da captação e zonas de Em face disso é que vem aumentando intensamente exutórios naturais. o interesse pelas cartografias de vulnerabilidade. Atualmente, já não se concebe um estudo hidrogeológico Métodos isotópicos de uma determinada área, principalmente em âmbito regional, sem que este tema seja abordado. Os métodos isotópicos são tratados em detalhe Da mesma forma que os modelos matemáticos no capítulo 4.3, portanto, aqui neste texto serão feitas de fluxo (abordados mais adiante) representam uma apenas algumas considerações. ferramenta indispensável para geração de cenários que Isótopo de um elemento é uma variação deste dão suporte aos processos de gestão, as cartografias elemento, caracterizada por um número de nêutrons de vulnerabilidade, também, vêm se constituindo em diferente. Utilizam-se, na pesquisa hidrogeológica, ferramentas fundamentais para o planejamento da isótopos estáveis e isótopos radioativos. Os primeiros explotação de aqüíferos. caracterizam-se por ocorrerem em quantidade definida e Nos capítulos 5.3, Contaminação das Águas constante na natureza, enquanto que os últimos sofrem Subterrâneas, e 5.4, Vulnerabilidade à Poluição de decaimento radioativo, estando em franco processo Aqüíferos, são apresentados e discutidos detalhamente de diminuição da quantidade. As taxas de diminuição, estes aspectos. chamadas de meia vida, variam amplamente segundo o isótopo, desde frações de segundos até milhões 4.1.7 Produtos e resultados de anos. Indicam-se, a seguir, os principais isótopos utilizados na pesquisa hidrogeológica. Cartografia Hidrogeológica isótopos estáveis (não radioativos) A cartografia hidrogeológica diz respeito às Deutério (D ou, ainda, 2H) - é o hidrogênio de diferentes formas de representação, em mapa, dos número de massa igual a dois, isto é, o hidrogênio reservatórios subterrâneos, suas características cuja soma do número de prótons e do número de e propriedades. Os mapas hidrogeológicos, em nêutrons é igual a 2. suas diferentes escalas, representam excelentes 202 Cap_4.1_FFI.indd 24 9/12/2008 21:19:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ferramentas para o planejamento dos recursos e de deflúvios, da variação sazonal do nível hídricos subterrâneos de uma região. Geralmente, potenciométrico, em aqüíferos livres, e por Balanço todos os estudos hidrogeológicos apresentam, em de Cloretos, em regiões semi-áridas; seus resultados, algum tipo de mapa, onde são • qualidade química atual das águas subterrâneas e condensadas as informações e o conhecimento obtido. suas variações sazonais, regionais e ao longo do Este tema é tratado em detalhe no capítulo 7.4 desta fluxo - conhecimento obtido através de análises publicação. físico-químicas completas, realizadas em amostras obtidas dos poços inventariados e em poços de síntese Hidrogeológica pesquisa perfurados no âmbito do estudo, análises in loco, e, eventualmente, análises isotópicas; e O que é chamado aqui de síntese hidrogeológica diz respeito à integração e convergência da análise • zoneamento de r iscos à contaminação - de todos os dados obtidos, no sentido de se chegar conhecimento obtido a partir do cruzamento das a uma caracterização hidrogeológica da unidade ou fontes potenciais de contaminação existentes das unidades aqüíferas em estudo. Esta síntese deve na área, levantadas durante o inventário de ser compatível, naturalmente, com os objetivos do pontos d´água, com a sua vulnerabilidade tipo de estudo realizado. Assim, a caracterização natural à contaminação, determinada a partir das hidrogeológica deverá ser menos detalhada e mais metodologias existentes. abrangente regionalmente, no caso de Estudos Tradicionalmente, os resultados das pesquisas Preliminares ou de Reconhecimento, ter um maior e es tudos h id rogeo lóg icos sempre fo ram detalhamento, no caso de Estudos Gerais ou de sistematizados, condensados e organizados na forma Viabilidade, e deve chegar ao nível de projeto executivo, de relatórios técnicos acompanhados de encartes, que no caso dos chamados Estudos Detalhados. representavam os diversos temas trabalhados (mapas A caracterização hidrogeológica completa geológicos, hidrogeológicos, potenciométricos, da(s) unidade(s) aquífera(s) de interesse implica o geofísicos, hidroquímicos, de vulnerabilidade etc). alcance, dentre outros, dos seguintes conhecimentos Regra geral, os dados ficavam arquivados de forma considerados principais: analógica (papel) e, não muito raro, se perdiam ou • espessura, área de ocorrência e limites do(s) estragavam com o tempo. aqüífero(s) e das demais unidades geológicas Atualmente, o procedimento é similar na criação de interesse, tais como camadas confinantes dos relatórios técnicos, mas os dados são arquivados e substratos impermeáveis - contribuem para na forma digital, o que, além de preservá-los esse conhecimento os mapas geológicos indefinidamente, auxilia demasiado na elaboração existentes, a inspeção de campo, a fotogeologia, dos produtos. o sensoriamento remoto, a análise de dados dos poços inventariados, a eventual perfuração de Base de dados em sig poços de pesquisa e a aplicação de métodos geofísicos; O Sistema de Informações Geográficas - sig, • comportamento hidrodinâmico do(s) aqüífero(s) representa, atualmente, a melhor e mais comum - se livre(s), confinado(s) ou semiconfinado(s) – e forma de armazenamento de dados e informações avaliação dos seus parâmetros hidráulicos e dos geográficas. Trata-se de um repositório onde parâmetros hidráulicos das demais unidades podem ser armazenados dados e informações em geológicas de interesse, tais como camadas praticamente todos os formatos disponíveis (vetor, confinantes semipermeáveis - conhecimento obtido raster, grades e atributos alfanuméricos etc). Em a partir da interpretação de testes de aqüífero, geral, a base de dados é estruturada levando-se além da análise de perfis litológicos de poços. A em conta diferentes plataformas de softwares e aplicação de métodos isotópicos pode contribuir hardwares. Normalmente, envolve atividades de para este conhecimento; inserção dos dados levantados, digitalização de • direções de fluxo da água subterrânea no(s) mapas, consistência de dados e correções de erros, aqüífero(s) de interesse - conhecimento obtido obtenção e conversão de dados eletrônicos em a partir do inventário de poços, da instalação diferentes formatos e sistemas de coordenadas etc, e operação de uma rede de observação, e da tornando-se uma atividade que demanda tempo e elaboração de mapas potenciométricos; recursos humanos e financeiros. Entretanto, uma vez que os dados estejam organizados no ambiente SIG, • realimentação do(s) aqüífero(s) de interesse e as operações envolvendo modelos probabilísticos definição das suas zonas de recarga e exutório - e outros t ipos de modelagem processam-se conhecimento é obtido a partir da análise dos mapas rapidamente, o que permite a realização de simulações potenciométricos, de análises hidroclimatológicas e aperfeiçoamento contínuo dos produtos. 203 Cap_4.1_FFI.indd 25 9/12/2008 21:19:31 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea O SIG separa a informação em diferentes camadas descarga naturais, seus parâmetros hidrodinâmicos, temáticas e armazena-as de forma independente. seus coeficientes de drenança vertical e a qualidade Assim, é possível se trabalhar de modo muito rápido e química das suas águas. Este conhecimento permite simples na geração de produtos temáticos (geologia, definir o que se chama de modelo conceitual do drenagem, MDT, potenciometria, pontos d´água etc). aqüífero. Além disso, o SIG permite o relacionamento dos Gerir um aqüífero é, em linguagem bem simples, diversos planos de informação entre si, através da administrar a sua utilização, procurando maximizar posição e topologia dos objetos, com o propósito o alcance dessa utilização, buscando minimizar a da geração de novos planos de informação (por relação custo ambiental/benefício social, admitindo exemplo, um mapa hidrogeológico). Na figura 4.1.33 a participação de novos usuários, mas assegurando é apresentado um exemplo de superposição de vários o direito dos usuários pré-existentes e dirimindo os temas num SIG, gerado com os dados do projeto conflitos de uso que possam surgir. De um modo geral, Hidrogeologia da Bacia Sedimentar do Rio do Peixe -PB a gestão se apóia num tripé indissociável para que (CPRM/UFCG, 2008). Uma discussão detalhada sobre possa funcionar adequadamente: base legal, estrutura SIG e sua aplicação na Hidrogeologia é apresentada institucional e conhecimento técnico-científico. no capítulo 4.5 deste livro. A base legal é o conjunto de leis que confere autoridade aos gestores. Temos a Lei Federal No 4.1.8 aspectos sobre gestão de 9.433, de 08 de janeiro de 1997, que instituiu a Política aqüíferos Nacional de Recursos Hídricos e o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. Esta é a lei O tema gestão de aqüíferos é tratado no capítulo 7.5 maior de recursos hídricos do país, que estabelece deste livro. É importante aqui deixar claro, simplesmente, que as águas subterrâneas são legalmente de que todas as atividades e métodos tratados no presente domínio dos Estados, cabendo, portanto, a estes o capítulo deságuam num estuário comum que é a direito de conceder a outorga desse recurso hídrico caracterização hidrogeológica dos aqüíferos, condição e a correspondente cobrança pela sua utilização. básica e necessária à sua gestão. Em contrapartida, investem-se os mesmos Estados Caracterizar hidrogeologicamente um aqüífero é da responsabilidade de produzir o necessário conhecer suas dimensões geométricas, sua litologia, conhecimento dos seus reservatórios subterrâneos, seu fluxo subterrâneo, suas áreas de recarga e de modo a possibilitar a sua gestão. Figura 4.1.33 - Exemplo da superposição de temas num SIG, utilizando os dados do projeto Hidrogeologia da Bacia Sedimentar do Rio do Peixe (CPRM/UFCG, 2008). 204 Cap_4.1_FFI.indd 26 9/12/2008 21:19:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A estrutura institucional, hoje (2008), é representada para verificar a resposta do aqüífero, em termos de pela Agência Nacional de Águas – ANA e pela Secretaria distribuição regional de rebaixamentos. A análise Nacional de Recursos Hídricos e Ambiente Urbano, dessas respostas vai autorizar a adoção de valores ambas ligadas ao Ministério do Meio Ambiente, e de potencialidade e de descarga explotável que pelos órgãos gestores estaduais. A ANA foi criada pela permitam uma explotação sustentável ou, caso isso Lei Federal Nº 9.984, de 17 de julho de 2000, como não seja possível, que maximizem o alcance da entidade federal de implementação da Política Nacional explotação e que acarretem impactos ambientais social de Recursos Hídricos e de coordenação do Sistema e economicamente aceitáveis. Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. No capítulo 7.3 deste livro, são tratados em detalhe Entre suas diretrizes gerais inclui-se a condução da tanto os modelos matemáticos de fluxo, quanto os gestão integrada dos recursos hídricos do país de forma modelos de transporte de massa, utilizados para descentralizada, em articulação com os órgãos gestores estudos de contaminações. estaduais. Os órgão gestores estaduais são secretarias de recursos hídricos ou institutos de meio ambiente ou fundações de meio ambiente ou superintendências de Potencialidade e recursos explotáveis meio ambiente, que existem em todos os estados da Enfim, uma vez caracterizado hidrogeologicamente União. Assim, existe hoje no Brasil um arcabouço legal o aqüífero de interesse e, dispondo-se da resposta e institucional que, embora ainda frágil e requerendo do mesmo em diferentes cenários de explotação, muitos ajustes e aperfeiçoamentos, já pode ser utilizado podem ser avaliadas as reservas, a potencialidade e os para se deflagrar um processo integrado e harmônico recursos explotáveis, na área estudada, cujos conceitos de gestão dos recursos hídricos. são estabelecidos e discutidos no capítulo 7.1 deste E, finalmente, o conhecimento técnico-científico que livro. A avaliação da potencialidade e dos recursos é, em última análise, a caracterização hidrogeológica, explotáveis, em particular, não são tarefas fáceis, dos aqüíferos, tema deste capítulo. Esta caracterização dada a natureza geológica complexa dos reservatórios h idrogeológica deve ser permanentemente aqüíferos e dada a complexidade dos padrões de fluxo complementada e refinada pelas informações advindas subterrâneo, que tornam difíceis as previsões das de simulações realizadas com modelos matemáticos, por respostas à explotação (ver item 4.1.2 deste capítulo e sua vez, permanentemente refinados e revalidados. capítulo 7.1). O acima exposto leva a admitir como mais racional e sensato, particularmente no caso de grandes Modelos Matemáticos aqüíferos regionais insuficientemente conhecidos, a postura abaixo indicada: O que se chama de modelo matemático é uma representação matemática do comportamento • considerar o aqüífero como não recarregado e hidrodinâmico de um aqüífero. Existem modelos admitir que a explotação se fará em regime de matemáticos de fluxo ditos analíticos e modelos exaustão; matemáticos de fluxo chamados de numéricos. • dimensionar a(s) bateria(s) de poços (ver capítulo Os primeiros utilizam as funções analíticas, que 6.7) de modo a poder extrair a maior descarga são soluções das equações diferenciais de fluxo possível, sem riscos teóricos de colapso e com um subterrâneo. Como essas funções pressupõem meios alcance compatível com o retorno dos investimentos porosos homogêneos, os modelos analíticos não pretendidos. A sensatez deste procedimento reside podem simular condições aqüíferas complexas. Os no fato de não se criar, de partida, expectativas modelos numéricos, por sua vez, utilizam as próprias demasiadamente favoráveis nem, sobretudo, equações diferenciais, nas quais as derivadas são encorajar vultosos empreendimentos que possam expressas como diferenças finitas, o que permite a se revelar improdutivos; montagem de sistemas de equações lineares e sua • propor uma potencialidade e recursos explotáveis solução em pontos discretizados do domínio aqüífero. conservadores, compatíveis com o conhecimento Essa característica torna possível simular condições disponível e que sejam considerados seguros, do complexas do meio aqüífero como, por exemplo, falhas, ponto de vista da continuidade do suprimento; variações da condutividade hidráulica e variações de • uma vez iniciada a explotação, a análise permanente espessura da camada aqüífera. das respostas do sistema (ver capítulo 7.2) irá Os modelos matemáticos numéricos de fluxo, autorizando ou não, incrementos na potencialidade em diferenças finitas, são elaborados com o auxílio e na descarga explotável. de programas de computador específicos. São posteriormente calibrados e validados, utilizando-se No âmbito desse complexo processo, que é a a potenciometria inicial do aqüífero e suas variações avaliação e redefinição de potencialidades e recursos no tempo, além de séries históricas de descargas explotáveis, um importante papel é desempenhado bombeadas. A principal utilização desses modelos pelos modelos numéricos de fluxo (capítulo 7.3). é a simulação de diferentes cenários de explotação Em face da contínua evolução do conhecimento 205 Cap_4.1_FFI.indd 27 9/12/2008 21:19:32 Capítulo 4.1 - Metodologia Básica de Pesquisa de Água Subterrânea hidrodinâmico do reservatório, entretanto, esses CPRM - SERVIÇO GEOLÓGICO DO BRASIL; UNI- modelos nunca são definitivos. Sua própria utilização VERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ - UFC. Projeto retroalimenta os procedimentos de monitoramento Comportamento das Bacias sedimentares da re- e de obtenção e análise de dados geológicos e gião semi-árida do nordeste Brasileiro / Hidroge- hidrogeológicos, num processo iterativo que catalisa ologia da Porção oriental da Bacia sedimentar do a evolução do conhecimento. A figura 4.1.34 procura araripe. Fortaleza: CPRM, 2008. CD-Rom. Disponível ilustrar essa iteração. em: _______. Projeto Comportamento das Bacias se- dimentares da região semi-árida do nordeste Brasileiro / Hidrogeologia da Bacia sedimentar de lavras da Mangabeira. Fortaleza: CPRM, 2008. CD- Rom. Disponível em: CPRM - SERVIÇO GEOLÓGICO DO BRASIL; UNI- VERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE - UFRN. Projeto Comportamento das Bacias sedi- mentares da região semi-árida do nordeste Bra- sileiro / Hidrogeologia do aqüífero açu na Borda leste da Bacia Potiguar: Trecho Upanema–Afonso Bezerra. Fortaleza: CPRM, 2008. CD-Rom. Disponível em: CPRM - SERVIÇO GEOLÓGICO DO BRASIL; UNI- VERSIDADE FEDERAL CAMPINA GRANDE - UFCG. Projeto Comportamento das Bacias sedimentares da região semi-árida do nordeste Brasileiro/ Hidrogeologia da Bacia sedimentar do rio do Pei- xe. Fortaleza: CPRM, 2008. CD-Rom. Disponível em: Figura 4.1.34 - Modelo de gestão de aqüíferos. CPRM - SERVIÇO GEOLÓGICO DO BRASIL; UNI- VERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO - UFPE. Projeto Comportamento das Bacias sedimentares da região semi-árida do nordeste Brasileiro/ Hi- referências drogeologia da Bacia de Jatobá – sistema aqüífe- ro tacaratu/inajá. Fortaleza: CPRM, 2008. CD-Rom. AGUIAR, F. Estudo hidrométrico no Nordeste do Brasil. Disponível em: B. da inspetoria de obras Contra as secas, Rio de Janeiro, n. 6, 1936. CPRM - SERVIÇO GEOLÓGICO DO BRASIL; UNI-VERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA. Projeto BECK, B. F.; WILSON, W. L. Karst Hydrogeology: Comportamento das Bacias sedimentares da Engineering and Environmental Applications. In: região semi-árida do nordeste Brasileiro/ Hidro- SECOND MULTIDISCIPLINARY CONFERENCE ON geologia da Bacia sedimentar do urucuia – Ba- SINKHOLES AND THE ENVIRONMENTAL IMPACTS cias Hidrográficas dos rios arrojado e Formoso. OF KARST, 1987. Proceedings... Rotterdam: A. A. Fortaleza: CPRM, 2008. CD-Rom. Disponível em: Balkema, 1987. p. 225-467. BHATTACHARYA, P. K.; PATRA, H. P. direct current CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subter- geoelectric sounding. Amsterdam: Elsevier Publish- ránea. 2. ed. Barcelona: Ed. Omega. 1983. 2 v. ing Company, 1968. 135 p. DAVIS, S. N.; DEWIEST, R. J. M. Hydrogeology. BRASIL. SUDENE. Plano de aproveitamento inte- New York: John Wiley, 1996. 463 p. grado dos recursos hídricos do nordeste do Brasil DEMETRIO, J. G. A. Perfis de temperatura na loca- (PlirHine) - Fase i: Síntese do Diagnóstico,1980. ção de poços tubulares no cristalino do nordeste 15v., v. 14, Tomo II. brasileiro: pesquisa da viabilidade técnica e avalia- CASTANY, G. traité pratique des eaux souterrai- ção de equipamentos, materiais e procedimentos. nes. 2 ed. Paris: Dunod. 1967. 661 p. 1998. Tese (Doutorado em Geociências) - Instituto de Geociências, USP, São Paulo, 1998. COSTA, W. D. estudo da disponibilidade hídrica da lagoa do Bomfim. Natal: COSTA Cons.e Serv. DEMETRIO, J. G. A.; CORREIA, L. C.; SARAIVA, A. L. Téc. Amb.; SERHID/RN, 1997. Relatório Inédito. Utilização de Imagens SRTM na confecção de Mapas 206 Cap_4.1_FFI.indd 28 9/12/2008 21:19:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Potenciométricos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE recursos Hídricos do rio grande do norte: os ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 14., 2006. resumos... Recursos Hídricos Subterrâneos. Relatório Diagnóstico. Curitiba, ABAS, 2006. 176 p. Recife, maio 1997. v. 1 DEWIEST, R. J. M. geohydrology. New York: John HIDROSERVICE Engenharia Ltda. Plano estadual de Wiley & Sons Inc., 1965. 366 p. recursos Hídricos do rio grande do norte: estudos DOBRIN, M. B. introduction to geophysical pros- de base - caracterização hidrogeológica dos aqüíferos pecting. 3. Ed. New York: McGraw-Hill Book Com- do Rio Grande do Norte. Recife, 1998. pany, 1976. 630 p. HUISMAN, L. groundwater recovery. 2 ed., Ireland: ELLIS, A. J. the divining rod: a history of Water Holland Printing Partners, 1975, 336 p. witching. 1917. Washington: USGS, 1917. 59 p. KUNETZ, Geza. Principles of direct current resis- FEITOSA, E. C. estudo hidrogeológico da região tivity prospecting. Berlim: Gebruder Borntraeger, metropolitana de natal. Natal: PLANAT/CAERN. 1966. 103p. 1983. 179 p. Relatório Inédito. LASFARGUES, P. Prospection électrique par courants _______. avaliação qualitativa por eletroresis- continus. Paris: Masson et Cie. 1957. 290p. tividade das transmissividades hidráulicas do MELO, J. G. estudo hidrogeológico e hidroquímico aqüífero Barreiras na região do complexo lagu- das aluviões do alto/médio Potengi/rn. Natal: SU- nar do Bonfim/rn. Recife: FADE/LABHID/UFPE – DENE/FUNPEC, 1986. TCBR, 2001. 53 p. Relatório Inédito. ORELLANA, E. Prospeccion geoelectrica en co- _______. Captação de Mossoró: perspectivas de rriente continua. Madrid: Paraninfo, 1972. 523p. atendimento da demanda futura e previsão de PATTEN, E. P.; BENNETT, G. D. application of níveis dinâmicos. Natal: CAERN/ATEPE. 1986. 66 electrical and radioactive well logging to ground- p. Relatório Inédito. water hydrology. Washington, USGS, 1963. 60p. _______. a explotação do aqüífero açu na região PHILIPS, W. I.; RICHARDS, W. E. A study of the ef- de Mossoró: caracterização da situação atual e fectioness of the VLF method for eletromagnetic perspectivas de atendimento da demanda futura. Rio method. geoexploration, v. 9, p. 7-16, 1975. de Janeiro: CPRM. 1996. 44 p. Relatório Inédito. POLEY, J. PH.; VAN STEVENINCK, J. Delinea- _______. Cachoeirinha/Pe: caracterização de zonas tion of shallow salt domes and surface faults by fendilhadas no Cristalino através do método geofísi- temperature measurements at a depth of approxi- co de eletroresistividade. Recife: COMPESA/ATEPE- mately 2 metres. geophysical Prospecting, v. LABHID-UFPE, 1996. 25 p. Relatório Inédito. 18, 1970. Supplement, p. 666-700. _______. serviços de geofísica e nivelamento de WALTON, W. C. groundwater resource evaluation. Poços numa área situada nos arredores da Cida- Tóquio: McGraw-Hill Kogakusha, 1970. 664 p. de de Baraúna/rn. Recife: FADE/LABHID/UFPE – SERHID/RN, 2004. 90 p. Relatório Inédito. FEITOSA, F. A. C. estudo hidrogeológico do aqüífero Cabeças no médio vale do rio gurguéia/Pi. Recife. 1990. Dissertação (Mestrado em Geologia) - Instituto de Geociências, UFPE, Recife, 1990. FEITOSA, F. A. C.; MANOEL FILHO, J. (Coord.) Hidrogeologia: conceitos e aplicações. 2. ed. rev. Fortaleza: CPRM; LABHID-UFPE, 2000. 391 p. il. FEITOSA, F. A. C.; VIDAL, C. estudos hidrogeoló- gicos de Bacias sedimentares da região semi- árida do nordeste Brasileiro. Proposta. Fortaleza: CPRM, 2004. 85 p. Circulação Restrita. FRANÇA, H. P. M. estudos de reconhecimento: Vale do Gurguéia/PI. Teresina: DNOCS, 1973. FRISCHKNECHT, F. C.; KELLER, G. V. electrical methods in geophysical prospecting. 2. ed. Ingla- terra: Oxford Pergamon Press, 1970 . 517p. HIDROSERVICE Engenharia Ltda. Plano estadual de 207 Cap_4.1_FFI.indd 29 9/12/2008 21:19:33 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 4.2 MéTodos GeofísICos Edilton Carneiro Feitosa Roberto Gusmão de Oliveira José Geilson Alves Demetrio 4.2.1 Introdução manutenção de equipamentos. Físicos e matemáticos inclinam-se, naturalmente, para o refinamento da AGeofísica, em seu sentido mais amplo, teoria e o desenvolvimento de modelos analíticos d iz respe i to ao conhec imento das e numéricos de tratamento e interpretação das propriedades físicas gerais do nosso planeta variações dos parâmetros físicos medidos. Geólogos Terra. Inclui-se aí, não apenas aquelas propriedades são, geralmente, mais afetos à aplicação prática das de que se pode fazer uso prático mais imediato técnicas e equipamentos, especialmente no que diz em nosso dia a dia, mas, também, aquela vasta respeito à interpretação geológica das medições gama de conhecimentos mais teóricos, como a físicas obtidas. constituição interna do planeta, o aquecimento global, Adotou-se neste capítulo a abordagem clássica que o paleomagnetismo e outros. separa os métodos geofísicos em métodos que utilizam Dentro desse vasto panorama da Geofísica, este campos naturais e métodos que utilizam campos artificiais. capítulo se restringe ao que os autores chamam A tabela 4.2.1 mostra a classificação geral dos de Geofísica Aplicada ou Prospecção Geofísica. métodos geofísicos, sendo grafado em vermelho os Esta área de conhecimento é considerada uma métodos abordados no presente capítulo. Os métodos especialidade da geologia que tem como objetivo a gravimétrico, magnetométrico, magnetotelúrico e solução de problemas geológicos de ordem prática, eletromagnéticos convencionais são assinados pelo através da análise da variação de parâmetros geólogo Roberto Gusmão de Oliveira, enquanto que físicos das rochas. Profissionais de várias origens o método de VLF é de autoria do professor José convergem para o exercício dessa especialidade. Geilson Alves Demetrio. O professor Edilton Carneiro Engenheiros e físicos geralmente se dedicam à Feitosa desenvolveu os métodos de sísmica refração tarefa de desenvolvimento de instrumentação e e eletrorresistividade. Gravimetria Magnetometria Radiometria Métodos Utilizando Campos Naturais Correntes Telúricas Potencial Espontâneo Métodos Elétricos Magnetotelúrico AFMAG Refração Sísmica Reflexão Linhas eqüipotenciais Métodos Utilizando Campo Constante Campos Artificiais eletrorresistividade Métodos Elétricos SEVs freqüência Campo Variável Convencionais Eletromagnéticos VLf Método de Polarização Induzida Tabela 4.2.1 - Classificação dos métodos geofísicos. 209 Cap_4.2_FFI.indd 1 9/12/2008 21:24:20 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos 4.2.2 Métodos de Campos Naturais equação 4.2.1 por m2. Em particular, se m1 = MT (massa da Terra = 5,983 .1027 t), a aceleração da massa m2 na Os métodos de campos naturais constituem um superfície da Terra será: conjunto de métodos geofísicos que utilizam campos F M de forças sem o controle direto do ser humano. De uma g = = −G T G2 1 (4.2.2) maneira geral, todos esses campos são potenciais, m2 RT ou seja, são capazes de produzir movimentos de onde, R é a distância da superfície ao centro de massa partículas ou de objetos. A sua ação e o seu efeito são Tda Terra. conhecidos desde a antigüidade, porém a descrição Como a força gravitacional e a aceleração e a formulação das leis que os explicam só ocorreram são quantidades vetoriais, nas proximidades nos últimos 500 anos. O seu uso como ferramenta de da superfície esses campos são representados exploração e investigação do nosso mundo começou por vetores apontando para o centro da Terra. A efetivamente a partir do século XIX, porém, com uma unidade de aceleração no Sistema CGS é o Gal (em grande intensidade nos últimos 50 anos. homenagem a Galileu). O valor de g na superfície da Terra tem uma média em torno de 980 Gal (9,8 Gravimetria m/s2 no SI), com uma variação de 5 Gal entre o equador e o pólo. Nos trabalhos gravimétricos, é O método g rav imét r i co tem ap l icações tradicional o uso do mGal (10-3 Gal). Um décimo de importantes nos estudos das bacias sedimentares mGal é utilizado como subunidade da aceleração para a exploração de hidrocarbonetos e na da gravidade no SI (1 u.g. = 1 mm/s2). compreensão da estrutura da crosta e de grandes segmentos litosféricos. Tem também uma aplicação o Campo Gravimétrico da Terra nobre na prospecção de jazidas de minerais metálicos e no mapeamento geológico. Em função Por facilidades matemáticas nos estudos do campo dos princípios físicos nos quais o método está gravitacional, a melhor representação da superfície baseado, é fácil compreender sua capacidade de terrestre é a de um elipsóide com achatamento polar detectar corpos geológicos densos portadores de de 1/298,25, definindo uma superfície eqüipotencial minerais metálicos e a possibilidade de delimitar o denominada esferóide (figura 4.2.1). O valor da arcabouço de bacias sedimentares. gravidade como função da latitude F, para a superfície A importância da gravimetria na pesquisa de água do esferóide chama-se gravidade normal (gN) e possui subterrânea é comparável ao seu uso na prospecção a seguinte expressão: de petróleo. A identificação de falhas verticais e de 2 2 espessamentos sedimentares é um processo rotineiro e gN = ge (1+ asen Φ − bsen 2Φ), (4.2.3) de fácil compreensão na aplicação do método, embora (Teorema de Clairaut) muitas vezes envolvendo ambigüidades. A identificação onde, g é a gravidade no equador geográfico e a e b de depressões tectônicas em bacias sedimentares esão constantes que dependem do achatamento polar tem uma importância fundamental na delimitação e da aceleração centrífuga. de aqüíferos porosos e, conseqüentemente, na sua modelagem e na locação de poços. Esse teorema foi adotado em 1930 como a Fórmula Internacional da Gravidade (IGF-30), servindo como fundamentos Teóricos referência nos levantamentos gravimétricos. Porém, a partir de determinações mais precisas da forma da Terra, A lei de Newton enuncia que a força f entre em 1971 foi adotada uma nova fórmula, denominada duas partículas de massas m1 e m2 é diretamente GRS-67 (Geodetic Reference System - 1967): proporcional ao produto dessas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre seus centros de massa. Essa relação pode ser expressa pela seguinte equação: m .m F = −G 1 2 G 2 1 (4.2.1)r onde, G = 6,67 x 10-8 dina.cm2/g2 (6,67x10-11 N.m2/kg2, no Sistema Internacional de Unidades-SI) é a constante de gravitação e G1 é um vetor unitário dirigido de m1 para m2. figura 4.2.1 - Esquema de comparação entre a superfície A aceleração em m2, devido a presença de m1, pode do geóide e a do esferóide em relação à topografia terrestre. ser encontrada a partir da segunda lei do movimento A escala vertical está muito exagerada (adaptado de Telford de Newton (F = mg) dividindo ambos os membros da et al, 1976). 210 Cap_4.2_FFI.indd 2 9/12/2008 21:24:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 2 deriva instrumental. Para a maioria dos equipamentos gN = 978,0318 (1+ 0,0053024sen Φ modernos, é necessário, apenas, ocupar a base no início e no fim de cada dia de trabalho, o que permite −0,00000587sen2 2Φ) Gal (4.2.4) ao longo desse intervalo de tempo a execução de mais As anomalias gravimétricas calculadas separadamente de um circuito ou perfil de pequena dimensão. Não por essas fórmulas diferentes não podem ser comparadas é necessário que a base final seja a mesma na qual diretamente, porém é possível transformá-las do padrão o circuito foi iniciado; o importante é que o valor da IGF-30 para o padrão GRS-67 (Sá & Blitzkow, 1986). gravidade nas bases ocupadas seja conhecido com Essa transformação e homogeneização de dados são uma boa precisão. necessárias quando na interpretação gravimétrica de uma Para a interpretação e correlação geológica dos determinada área são usados dados levantados antes e dados gravimétricos coletados no campo, é calculada depois do padrão GRS-67. a anomalia de gravidade produzida pelos contrastes de densidade entre as rochas. O valor resultante desse densidade das Rochas cálculo é denominado anomalia Bouguer e para a sua obtenção são realizadas várias correções (Nettetlon, A densidade das rochas é controlada por três 1973; Telford et al., 1976, Luiz & Silva, 1995): da latitude, fatores: a densidade das partículas que formam a da elevação (ar livre), Bouguer, do terreno, da maré e da massa rochosa, a porosidade e o fluido que preenche deriva instrumental. os poros (Nettleton, 1973). As rochas sedimentares A expressão da anomalia Bouguer obtida após a possuem densidades médias que variam entre 2,0 aplicação de todas as correções é a seguinte: e 2,7 g/cm3, com as areias e argilas na extremidade inferior e os dolomitos na extremidade superior. Os DgB = gOBS − (gN − CAL + CB − CT ). arenitos possuem densidade média em torno de 2,35 (4.2.5) g/cm3. As rochas cristalinas possuem densidades DgB = gOBS − (gN − 0,3086h + 0,4191sh-CT ) médias que variam entre 2,61 g/cm3 e 3,37 g/cm3, com as rochas ígneas ácidas na extremidade inferior e os onde, Dg é o valor da anomalia Bouger, g eclogitos na extremidade superior (Telford et al., 1976). B oBs é o valor da gravidade observada, gN é o valor da gravidade Como o contraste de densidade é o principal fator normal ou teórica que incorpora a correção de levado em conta na interpretação de um levantamento latitude, CAL é a correção da elevação, C é a correção gravimétrico, é fundamental ter um bom controle BBouguer ou de densidade, CT é a correção do terreno, da densidade das rochas na área de levantamento. h é a altitude e s é a densidade média das rochas No estudo de áreas sedimentares, o contraste de superficiais da área de trabalho. densidade entre as rochas sedimentares e cristalinas e a espessura do pacote sedimentar, é que determinarão Comumente, em função de resultados práticos e a forma e a intensidade da anomalia gravimétrica. para homogeneização de dados, é atribuído o valor de 2,67 g/cm3 para a densidade média das rochas. Aquisição e Processamento dos dados Em áreas com domínio de rochas sedimentares, essa densidade média deve diminuir. No entanto, para o Os gravímetros são equipamentos muito sensíveis levantamento de bacias é necessário que a área de que necessitam cuidado e atenção no seu manuseio. investigação seja maior que a área sedimentar para Por esse motivo, a aquisição de dados gravimétricos é que o efeito da baixa densidade dos sedimentos possa uma tarefa que exige tempo e paciência. As medidas produzir contrastes em relação à densidade mais alta são sempre relativas e referenciadas a uma base onde do embasamento. Nesse caso, a densidade média se o valor da gravidade é conhecido. Se a gravidade da aproximará de 2,67 g/cm3. Na literatura geofísica o leitor base de referência ainda não for conhecida, ela deverá encontrará métodos para a determinação da densidade ser determinada por meio de trabalhos cuidadosos de média das rochas superficiais (Nettetlon, 1973; Telford transporte do valor conhecido para uma nova base a et al., 1976, Luiz & Silva, 1995). partir de uma rede internacional de bases (International A altitude de cada estação levantada deverá ser Gravity Network System) estabelecida em locais de livre conhecida ou determinada. Geralmente, utiliza-se o acesso e fácil reconhecimento, como aeroportos e nível do mar como referência para a sua determinação. igrejas. No Brasil elas são estabelecidas e mantidas pelo A precisão da altitude é um dos fatores mais importantes Observatório Nacional. A base de referência deve ser para a qualidade do cálculo final da anomalia Bouguer. ocupada no início e no fim de um circuito de estações Em alguns levantamentos, são utilizados datuns de medida, porém o intervalo de tempo requerido arbitrários para a altitude, porém, esse procedimento depende da capacidade do equipamento manter a é inadequado porque traz problemas na hora de estabilidade das leituras em condições de transporte e compatibilizar dados de levantamentos diferentes. do seu isolamento em relação à temperatura externa. As variações nos valores da anomalia Bouguer Essa instabilidade produzida no sistema de medidas refletem as variações laterais da densidade das do equipamento ao longo do tempo é denominada rochas e podem revelar a presença de estruturas 211 Cap_4.2_FFI.indd 3 9/12/2008 21:24:21 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos geológicas (figura 4.2.2). Mapas ou perfis de anomalia pela presença de rochas vulcânicas intercaladas nos Bouguer podem ser utilizados na interpretação sedimentos. Tendo em mente essas questões, é possível do prolongamento em profundidade das rochas e realizar boas interpretações de dados gravimétricos de estruturas superficiais, constituindo-se em valiosa bacias sedimentares. Por outro lado, existem restrições ferramenta de prospecção. ao uso do método em pacotes sedimentares com espessuras inferiores a 100 m. Nesse caso, o efeito da variação da densidade nas rochas cristalinas encobertas pelos sedimentos influenciará em excesso a resposta gravimétrica e adicionará ambigüidades na interpretação. Mesmo assim, o uso criterioso dos dados e de pontos de controle com conhecimento da profundidade e da composição das rochas do embasamento ainda permitirão boas interpretações. figura 4.2.2 - Perfil gravimétrico hipotético, apresentando A partir de um bom levantamento e interpretação o efeito gravimétrico negativo produzido pelo contraste de de dados gravimétricos de uma bacia sedimentar, densidade entre duas camadas geológicas, com densidades o hidrogeólogo poderá obter uma visualização distintas e tectonicamente deformadas. tridimensional da mesma. Isso inclui a identificação de estruturas e compartimentos não observados na Interpretação de Anomalias Gravimétricas superfície e a possibilidade de poder fazer locações Quando consideramos o contraste de densidade estratégicas e de prever a profundidade dos poços. entre as rochas cristalinas e a maioria das rochas O entendimento e a quantificação tridimensional de sedimentares, a relação direta entre as propriedades uma bacia constituem valiosas informações na hora de do método gravimétrico e o estudo das bacias efetuar modelagens e avaliar reservas disponíveis. sedimentares é obviamente clara. Ele é numericamente pequeno, porém, perfeitamente capaz de gerar Magnetometria anomalias gravimétricas. Os sedimentos em contato com as rochas cristalinas produzem uma anomalia O método magnetométrico é um dos mais antigos negativa que será tanto mais intensa quanto maior métodos geofísicos. Desde o seu início, foi muito for sua espessura, desde que a densidade seja utilizado nos estudos exploratórios de recursos razoavelmente homogênea (Figura 4.2.3). Esse padrão minerais metálicos. A indústria de exploração de poderá ser perturbado por um aumento gradativo petróleo também fez e ainda faz intenso emprego da densidade dos sedimentos em profundidade ou dessa metodologia. Na pesquisa de minérios metálicos, figura 4.2.3 - Perfil gravimétrico compatível com as variações de espessura e densidade de sedimentos sobre embasamento cristalino, mostradas no Modelo Geológico (adaptado de Oliveira, 1994). 212 Cap_4.2_FFI.indd 4 9/12/2008 21:24:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações sobretudo aqueles portadores de ferro, a importância e Uma quantidade de maior aplicabilidade que a a relação direta com jazidas é bastante clara. Em outros força magnética é a intensidade do campo magnético. casos, como o do petróleo, a magnetometria permite a Considerando-se um campo magnético em um identificação de estruturas, tais como domos e falhas, ponto do espaço, resultante da influência de um que podem condicionar a formação de jazidas. pólo magnético p localizado a uma distância r, a sua Da mesma maneira que a gravimetria, a importância intensidade H, é definida como força por unidade de da magnetometria na pesquisa de água subterrânea pólo: pode ser comparada com o caso do petróleo. Estruturas, tais como zonas de cisalhamento, facilmente F pH = = G (4.2.7) identificadas pelo método, podem estar condicionando p' mr2 1 depressões tectônicas com maior acúmulo de água onde p’ é um pólo fictício localizado no espaço e ou barreiras hidráulicas, que dificultam o fluxo da água representaria o instrumento de medida. e compartimentam bacias sedimentares. Nas rochas cristalinas, alinhamentos magnéticos são correlacionados Assume-se que p’ é bastante pequeno para não com falhas ou zonas de fraturas regionais, com causar distúrbios no campo H no local de medida, isto importância na identificação de áreas para prospecção é, p’<< p. No Sistema CGS, H é medido em oersteds detalhada de aqüíferos fraturados. (dinas/unidade de pólo) e no SI, onde o campo é expresso fundamentalmente como densidade de fluxo, fundamentos Teóricos a unidade de medida é A/m. O campo magnético também pode ser produzido por correntes elétricas O método magnetométrico tem muitas similaridades fluindo em um condutor, em vez de pólos ou pólos de com o gravimétrico. Em ambos os casos, o campo é material magnetizado. potencial e varia com a posição e em menor extensão com o tempo. Adicionalmente, nos dois casos é o Campo Magnético da Terra possível determinar o campo absoluto. No entanto, existem distinções importantes, sobretudo pelo fato O campo magnét ico da Ter ra pode ser das variações de densidade serem muito pequenas e comparado com o campo produzido por uma esfera uniformes em relação às variações da suscetibilidade magneticamente polarizada (figura 4.2.4). No pólo magnética. Além disso, anomalias gravimétricas são magnético norte ele é vertical e aponta para o interior menores e mais suaves que as magnéticas e a variação da Terra e no pólo magnético sul ele é vertical e aponta com o tempo do campo magnético é mais complexa e para fora da Terra. As linhas de força que atravessam mais rápida do que a variação do campo gravimétrico. a esfera terrestre ficam paralelas com a superfície nas Os levantamentos gravimétricos são mais caros, mais proximidades do equador. demorados e exigem pessoal mais qualificado que os O campo geomagnético é composto por três levantamentos magnetométricos (Telford et al., 1976). partes: o campo principal, que varia lentamente e tem O alvo das medidas do método magnetométrico origem em forças eletrodinâmicas no núcleo da Terra; é o campo magnético da Terra, seja o campo total ou uma das suas componentes que pode ser a horizontal ou a vertical. A expressão da força magnética é obtida da Lei de Coulomb para pólos magnéticos: p p F = 1 2 G 2 1 (4.2.6)mr onde, usando unidades eletromagnéticas do Sistema CGS (emu-eletromagnetic units) mais conveniente que o SI em magnetoestática (Telford et al., 1976), f é a força em dinas no pólo p2, G1 é um vetor unitário dirigido de p1 para p2, r é a distância entre os pólos em cm e m é a permeabilidade magnética do meio. Se dois pólos p1 e p2, cada um com intensidade de 1 emu, são posicionados na distância de 1 cm no vácuo, a força entre eles é 1 dina porque a permeabilidade é uma quantidade adimensional cujo valor é igual a 1 no vácuo. Essa força é atrativa se os pólos têm sinais opostos e repulsiva se os sinais são os mesmos. Convencionalmente, o pólo positivo é figura 4.2.4 - Representação esquemática das linhas de atraído pelo pólo norte magnético e o pólo negativo é força do campo magnético da Terra (adaptado de Nettleton, atraído pelo pólo sul magnético. 1973). 213 Cap_4.2_FFI.indd 5 9/12/2008 21:24:21 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos o campo externo, produzido por correntes elétricas que Todas as substâncias podem ser classificadas em circulam na ionosfera, e que representa uma pequena três grupos, de acordo com as suas propriedades fração do principal e varia rapidamente; e, variações do magnéticas: diamagnética, paramagnética e campo principal, que são constantes no tempo e são ferromagnética. As substâncias diamagnéticas causadas por anomalias magnéticas locais geradas por apresentam susceptibilidade magnética negativa. Isso rochas e minerais magnéticos próximos da superfície da significa que a magnetização induzida por um campo Terra (Telford et al., 1976). A figura 4.2.5 apresenta os externo H apresentará sentido oposto a esse campo. principais elementos do campo geomagnético. Nesses materiais o movimento orbital dos elétrons em torno do núcleo produz uma corrente cujo momento magnético gera um movimento de precessão em torno de um campo externo aplicado. O movimento periódico adicional produz um momento magnético que é oposto ao campo aplicado, resultando em uma susceptibilidade negativa. As substâncias que não são diamagnéticas, são denominadas paramagnéticas, ou seja, apresentam suscetibilidade magnética positiva e quando sofrem indução apresentam magnetização no mesmo sentido do campo indutor. Nessas substâncias os momentos magnéticos dos átomos individuais estão desemparelhados, assim cada átomo comporta-se independentemente em relação a um campo externo, produzindo como resultante uma suscetibilidade ligeiramente positiva. As substâncias ferromagnéticas são materiais paramagnéticos em que os átomos figura 4.2.5 - Principais elementos do campo geomagnético. interagem sob a ação de um campo externo e os T é o campo total, V a componente vertical e H a componente momentos magnéticos emparelham, de tal forma horizontal (adaptado de Nettleton, 1973). que grupos de átomos comportam-se coletivamente e se orientam em uma configuração paralela, resultando em uma suscetibilidade muito positiva. Propriedades Magnéticas das Rochas Porém, quando aquecidas acima da temperatura A causa da magnetização das rochas é a indução Curie (Fe 750OC, Ni 310OC, magnetita 515OC), elas magnética produzida pelo campo da Terra nas perdem as suas características ferromagnéticas e partículas magnéticas que compõem os minerais passam a se comportar como paramagnéticas. As (Nettleton, 1973). Geralmente, mas nem sempre, as rochas contendo minerais ferromagnéticos como rochas de cor clara, como os granitos, possuem um a magnetita e a titanomagnetita são as principais conteúdo menor de minerais magnéticos, do que as fontes das anomalias magnéticas. rochas de cor escura, como os gabros. O mesmo pode ser dito das rochas sedimentares (menos magnéticas) Aquisição e Processamento dos dados em relação às metamórficas e ígneas. A execução de levantamentos magnéticos terrestres A susceptibilidade magnética (k) é um parâmetro é uma tarefa relativamente fácil. Os equipamentos que permite reconhecer quanto uma rocha poderá ser utilizados são portáteis, necessitam de apenas um magnetizada pelo campo da Terra. Ela representa a operador e as leituras em uma estação demoram proporção em que um material poderá ser magnetizado apenas alguns segundos. Em baixas latitudes sob a ação de um campo magnético e possui uma magnéticas, como é caso do Brasil, é mais comum a variação muito grande entre minerais e rochas (Telford medição do campo magnético total. Como o campo et al., 1976). É definida da seguinte maneira: magnético da Terra não é constante, é necessário identificar e corrigir a variação desse campo com I k = (4.2.8) o tempo. Esse procedimento é feito mediante a H utilização de um magnetômetro fixo, localizado nas proximidades da área de levantamento. O ciclo de onde I representa a intensidade de magnetização, variação diário tem uma amplitude em torno de 20 a proporcional à intensidade do campo H e na mesma 50 nT (nanoTeslas no SI equivalente a gamas no CGS), direção desta última. porém, pulsos intensos de curto período, produzidos Em unidades SI, k é adimensional, pois H e I são por tempestades magnéticas geradas por movimentos medidos na mesma unidade (A/m). A magnitude de k de correntes elétricas na alta atmosfera podem produzir no SI é 4p vezes maior que a magnitude expressa no anomalias muito intensas (até 1.000 nT). Nesse caso, sistema CGS (emu). o levantamento deverá ser paralisado e só retomado 214 Cap_4.2_FFI.indd 6 9/12/2008 21:24:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações após o fim das tempestades. Essas tempestades estão magnéticas altas, onde a inclinação magnética se associadas com o ciclo de atividade solar e em alguns aproxima da vertical, a forma anômala inverte para casos duram períodos longos, às vezes semanas, um pico positivo no centro, com flancos negativos causando prejuízos significativos no cronograma de de pequena amplitude. Assim, a forma da anomalia execução do estudo geofísico. magnética muda gradativamente de um pico negativo A estratégia do levantamento varia de acordo com com flancos positivos nas proximidades do equador os objetivos do projeto e as características do alvo a para um pico positivo com flancos negativos nas ser levantado. As estruturas mais regionais podem proximidades dos pólos. Nesse contexto, é considerada ser abordadas através de estudos mais amplos apenas a magnetização induzida pelo campo que envolvam áreas maiores. Nesse caso, o uso de magnético atual, sem considerar a possibilidade da levantamentos aéreos produz resultados que dependem existência, nas rochas, de magnetização remanescente da altura do sensor e do espaçamento das linhas de vôo. de um período geológico prévio, em que a direção e a Na investigação de estruturas profundas são utilizados inclinação do campo eram diferentes das atuais. sensores mais altos e linhas de vôo mais abertas. Os As possibilidades do uso do método são muitas, alvos menores não identificados nos trabalhos regionais, porém, destaca-se, nos trabalhos de prospecção de devem ser prospectados em levantamentos terrestres aqüíferos fraturados, a identificação de falhas, zonas de de detalhe, onde os parâmetros mais importantes cisalhamento e contatos litológicos, considerando que as são a distância entre os perfis e o espaçamento das fraturas se desenvolvem em uma íntima correlação com estações de medida. Quanto mais cerrados forem esses essas estruturas. Em regiões com coberturas espessas parâmetros, melhor será a identificação do alvo. ou manto de alteração, onde falhas são prospectáveis, a magnetometria pode ser uma solução fácil e barata para Interpretação de Anomalias Magnéticas o mapeamento e correlação com áreas de afloramento. Anomalias magnéticas e prospecção hidrogeológica, As bacias sedimentares geralmente são obviamente, não possuem uma relação direta. Nenhum desenvolvidas em condições de controle por estruturas prospector irá sugerir a locação de um poço apenas tectônicas. Essas estruturas compartimentam as pelo fato de no local escolhido existir uma anomalia bacias, condicionam a localização do depocentro magnética. Porém, é necessário admitir a capacidade e das áreas com sedimentação arenosa. Como os e facilidade que o método tem para a localização de sedimentos são transparentes ao método magnético, estruturas tectônicas (Astier & Paterson, 1987). Nas é possível identificar estruturas magnéticas localizadas latitudes magnéticas baixas do território brasileiro, onde abaixo dos mesmos. Essas estruturas muitas vezes a inclinação magnética se aproxima da horizontal, os têm importância fundamental na evolução e na corpos ou estruturas magnéticas causam uma forma configuração das bacias. anômala no perfil magnetométrico, caracterizada por um pico negativo ladeado por dois picos positivos. Magnetotelúrico e Audiomagnetotelúrico Nessa situação, o corpo ou estrutura fonte da anomalia se posiciona aproximadamente no centro do pico (AMT) negativo. No entanto, as formas relativas dos picos O termo magnetotelúrico refere-se a uma técnica das anomalias variam de acordo com a atitude do que utiliza os sistemas de correntes induzidos por corpo ou da estrutura e com a inclinação e direção do campos magnéticos de grande escala e de baixa campo magnético da Terra (figura 4.2.6). Em latitudes freqüência no interior da Terra (Telford et al., 1976). A fonte das correntes está localizada fora da Terra. Elas são produzidas por variações no campo magnético terrestre que influenciam correntes ionosféricas. O método trabalha com freqüências no intervalo de 10-4 a 104 Hz. As medidas das variações temporais desses campos permitem estimar a resistividade elétrica de estruturas e camadas da litosfera terrestre. O método AMT utiliza fontes naturais com freqüências superiores a 1 Hz originadas por atividades elétricas na baixa atmosfera. As características desses métodos permitem detectar camadas e estruturas geológicas profundas, daí a sua importância na identificação da estratigrafia geoelétrica de grandes blocos litosféricos (Figueiredo, figura 4.2.6 - Perfil de magnetometria terrestre com 1997). Essas mesmas características favorecem o interpretação de zonas de falhas a partir de anomalias magnéticas, caracterizadas por uma feição dipolar positiva- estudo de aqüíferos em bacias com grandes espessuras negativa. A escala vertical da seção geológica não está sedimentares do tipo sinéclises e riftes pelo método determinada (adaptado de Angelim, 1989). AMT (Vitorello & Padilha, 1993, Meju et al., 1999). 215 Cap_4.2_FFI.indd 7 9/12/2008 21:24:21 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos fundamentos Teóricos, Aquisição e Processamento contato com o tradicional método elétrico de sondagem dos dados elétrica vertical. A identificação de valores baixos de Os métodos magnetotelúrico e AMT têm seus resistividade elétrica, correlacionados com camadas em um pacote sedimentar, pode ser um bom indicador, fundamentos de interpretação e execução baseados porém, às vezes ambíguo, da presença de rochas porosas na teoria da indução eletromagnética. As equações preenchidas com água. Como ocorre na interpretação de básicas que são aplicadas nessa teoria serão todo método geofísico, nesse caso é também importante apresentadas de forma simplificada no item Métodos uma parametrização, ou seja, a comparação dos dados Eletromagnéticos de Campo Artificial. Os métodos com uma sondagem padrão realizada nas proximidades usam sensores magnéticos, sensores elétricos e de um poço com estratigrafia bem conhecida. Na hora unidades de aquisição e processamento dos dados. de interpretar é bom ter em mente que camadas de Os sensores magnéticos são bobinas de indução baixa resistividade podem não ser um arenito com água, eletromagnética que medem o campo magnético porém, corpos argilosos e, que camadas de resistividade horizontal e vertical. Os sensores elétricos são alta, como por exemplo calcários, podem apresentar constituídos de eletrodos não polarizáveis de Cu, que bons resultados hidrogeológicos. Uma grande vantagem ficam em contato com o solo mediante uma solução desses métodos em relação às tradicionais SEVs, é a de sulfato de cobre. As unidades de processamento possibilidade de efetuar sondagens profundas sem utilizar amplificam, filtram e convertem os sinais elétricos grandes e incômodas extensões de linhas AB de injeção e magnéticos em curvas de resistividade elétrica de corrente elétrica no solo, que tornam as operações de aparente versus a freqüência. campo lentas e caras. Nesses métodos, para gerar o fenômeno de indução eletromagnética, o modelo teórico requer ondas eletromagnéticas planas que atravessam 4.2.3 Métodos de Campos Artificiais verticalmente camadas horizontais homogêneas e isotrópicas. Na freqüência de trabalho do método AMT, Método de sísmica Refração a fonte do sinal tem origem em tempestades elétricas produzidas na baixa atmosfera (1 a 10 kHz), sendo Princípio Básico - Lei de snell importante conhecer sua direção e distância (Vitorello Ao se produzir uma perturbação em um meio & Padilha, 1993). No caso do magnetotelúrico, as elástico, como por exemplo um choque, são geradas freqüências inferiores a 1 Hz, originadas na ionosfera, ondas que se propagam radialmente. Consideremos também são de interesse. Pelo fato de dependerem de uma frente de onda plana incidindo obliquamente fontes naturais de longa distância, os procedimentos numa superfície de separação de dois meios de campo e os resultados da prospecção são muito elásticos de velocidades distintas v1 e v2 tal que afetados pelas mudanças de clima, pelo relevo e pela v > v . Um determinado raio incidindo nesta dita presença de ruídos de origem antrópica, tais como 2 1superfície sofrerá refração, conforme mostrado na linhas de alta tensão. figura 4.2.7. A estratégia de campo depende do alvo que será Em um determinado intervalo de tempo Dt, a energia investigado. No método magnetotelúrico, quando que parte de C alcança D, viajando no meio 2, enquanto se investiga a litosfera terrestre, as estações são que no mesmo intervalo de tempo, a energia que parte espaçadas de alguns até dezenas de quilômetros. de B alcança A, viajando no meio 1. Isso acontece Os procedimentos de campo são demorados e o porque as frentes de onda conservam a continuidade custo é alto. No AMT, mais indicado para o estudo ao transpor a interface. Nessas condições: das bacias sedimentares, o intervalo das estações é mais cerrado e o trabalho de campo é rápido e pouco dispendioso. Interpretação de sondagens Magnetotelúricas e AMT Convencionalmente, os dados de resistividade das sondagens elétricas obtidas nos levantamentos são plotados em um gráfico log-log versus a freqüência. O processamento e a modelagem matemática desses dados fornecem a estratigrafia geoelétrica em cada estação de sondagem. Ao longo de um perfil com várias estações, é possível construir uma seção geoelétrica da área de pesquisa. A utilidade que esses métodos oferecem ao obter sondagens elétricas profundas em bacias sedimentares pode ser bem entendida por um hidrogeólogo que já teve figura 4.2.7 - Lei de Snell. 216 Cap_4.2_FFI.indd 8 9/12/2008 21:24:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações v BA BA = v 11Dt e CD = v2Dt ⇒ =v (4.2.9)2 CD Como a onda é plana, os raios são perpendiculares às frentes de onda. Então: BA = CA ⋅ sen i1 e CD = CA ⋅ sen i2 Tem-se então: v sen i1 = 1 (4.2.10) v2 sen i2 A equação (4.2.10) é chamada de Lei de Snell. Chamam a atenção nesta lei, os seguintes pontos: figura 4.2.9 - Dromocrônica. • o raio incidente e o raio refratado propagam-se no mesmo plano; O termo dromocrônica vem de dromo (lugar para • v1 = v2 (sen i1 sen i2 ) se correr) e cronos (tempo). Pode ser entendido como • se v1 = cte → sen i1 = cte. Assim, crescendo v , uma curva ou gráfico mostrando o registro dos tempos 2 aumenta i , isto é, quanto maior o contraste de tomados pela onda refratada para percorrer várias 2 velocidades, mais o raio refratado se afasta da distâncias. normal; Velocidade na 1a camada: • sen i2 = (v2 v1) ⋅ sen i v = D1 1 1 / t1 • para um mesmo contraste de velocidade, o ângulo onde, d1 é a distância entre o ponto de tiro e o ponto de refração cresce com o ângulo de incidência. de intersecção das retas v1 e v2, ou seja, a distância Quando i2 = 90 o então sen i2 = 1, isto é, 1 = (v /v ). crítica e t1 é o tempo correspondente.2 1 sen i1 → sen i1 = (v1/v2) → i1 = arc sen (v1/v2). Este Velocidade na 2a camada: ângulo i1, quando tal acontece, é chamado de ângulo crítico. v2 = D2 / t2 Para os valores de i acima do ângulo crítico, onde, d2 é igual a x’c - xc, ou seja, a distância no eixo 1 nenhuma onda é gerada no meio 2. O raio refratado das abcissas compreendida entre os dois pontos de corre, assim, ao longo da superfície de separação intersecção (distâncias críticas), respectivamente, v1 com velocidade v (refração total), cada ponto dessa com v2 e v2 com v3 e t2 é o tempo dado por tx’c - txc. 2 superfície agindo como uma frente de ondas segundo As profundidades dos diferentes refratores podem o principio de Hugghens (figura 4.2.8). ser obtidas em função das velocidades acima avaliadas e das distâncias críticas. O método de sísmica refração Mecanismo de Propagação e Recuperação das é indicado em estudos de reconhecimento, onde existe ondas Refratadas - A dromocrônica um refrator de alta velocidade recoberto por rochas A figura 4.2.9 ilustra o procedimento de campo, de menor velocidade. Esta situação é encontrada nos as refrações totais e a recuperação das ondas seguintes casos, entre outros: refratadas. • bacias sedimentares onde se deseja investigar a configuração do embasamento cristalino; • avaliação da espessura de rocha alterada capeando a rocha sã; • aluviões sobre cristalino; e • topo de camadas calcáreas. o Método de eletroresistividade A Lei de ohm O método de eletroresistividade baseia-se fundamentalmente na Lei de ohm, descoberta experimentalmente pelo alemão Georg Simon Ohm figura 4.2.8 - Refração total. (1789-1854). Esta lei expressa a proporcionalidade 217 Cap_4.2_FFI.indd 9 9/12/2008 21:24:21 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos direta, entre a intensidade da corrente elétrica que Passando às dimensões: percorre um condutor metálico e a diferença de r = [(ohm.m2)/m] = ohm.m potencial entre os terminais desse condutor, ilustrado na figura 4.2.10. Para alguns fins, entretanto, como por exemplo, na determinação da resistividade de águas em laboratório, utiliza-se o ohm.cm. 1ohm.m=[(1 ohm.10000cm2)/100cm]=100 ohm.cm 1 ohm.m =100 ohm.cm = 0,01ohm.m Na prospecção elétrica, em geologia, a unidade correntemente utilizada é o ohm.m. A condutividade elétrica é definida como o inverso da resistividade. 1 DL s = = r DR ⋅ DA figura 4.2.10 - Fundamentos da Lei de Ohm. Passando às dimensões: Considera-se a diferença de potencial, por s = [m/(ohm.m2)]=[1/(ohm.m)] =[(1/ohm). definição, como sendo DV = VN - VM. Como o fluxo de (1/m)]=(mho/m) corrente se dá no sentido dos potenciais decrescentes, a diferença VN - VM é sempre negativa ou, em outras Voltando agora às equações (4.2.11) e (4.2.12), palavras, o DV é sempre negativo. percebe-se que é vantajoso reunir as duas expressões A proporcionalidade entre a intensidade de numa equação única. Para fazer isso, levemos DR de corrente e a diferença de potencial, verificada (4.2.12) em (4.2.11), o que resulta em: experimentalmente em laboratório, é transformada DV r ⋅ DL Di 1 DV em igualdade pela introdução do coeficiente de = − ou = − ⋅Di DA DA r DL proporcionalidade 1/DR, denominado de condutância elétrica. Temos , assim, a equação (4.2.11) que é a forma mais simples da Lei de ohm. O sinal negativo, Na expressão acima, Di é a intensidade de decorrente da definição de diferença de potencial, corrente elétr ica, def inida como medida da acima colocada, indica que a corrente elétrica flui de quantidade de carga que passa por uma dada pontos de maior potencial elétrico para pontos em que secção do condutor, por unidade de tempo. A esse potencial é menor. unidade prática que mede a intensidade de corrente elétrica é o ampére, definido como 1 coulomb/s. Se, 1 na equação acima, passarmos ao limite quando DL Di = − ⋅ DV (4.2.11) DR tender para zero, obteremos: Di 1 DV Verifica-se, também experimentalmente, que a lim = − ⋅ lim resistência elétrica do condutor varia na razão direta DL→0 DA r DL→0 DL do seu comprimento e na razão inversa da sua secção, como indicado na equação (4.2.12) sendo a A operação acima admite as considerações resistividade r, o fator de proporcionalidade: descritas a seguir: DL • se mantivermos constante a secção DA, do DR = r ⋅ (4.2.12) DA condutor, e variarmos seu comprimento DL, ocorre o seguinte: Se DL=1 e DA=1, tem-se que r = DR e, daí,  DL → 0 acarreta DR → 0, de acordo com a define-se a resistividade como a resistência de um equação (4.2.12); cilindro do material considerado, de altura unitária  DV → 0, porque DL → 0; e base unitária.  Embora DV e DR tendam para zero, a razão É evidente, assim, que a resistividade, ao contrário DV/DR se mantém constante e igual a Di, de da resistência, é um parâmetro que caracteriza o acordo com a Lei de Ohm expressa na equação material, independendo das suas dimensões. A unidade (4.2.11); que mede a resistividade é facilmente deduzida a partir da equação (4.2.12), como mostrado a seguir: • em função do acima exposto, o limite da razão Di/DA é ela própria, pois que a mesma independe de DL. DL DR ⋅ DA DR = r ⋅ → r = Esta razão é chamada de densidade de corrente DA DL que é designada de J; 218 Cap_4.2_FFI.indd 10 9/12/2008 21:24:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • o termo (1/r) é a condutividade elétrica que é chamada de s; • a razão DV/DL representa a queda de potencial por unidade de comprimento do condutor ou, em outras palavras, a taxa de variação do potencial com a distância. O limite dessa razão, quando DL se tornar tão pequeno quanto se queira, é a taxa de variação do potencial, tomada pontualmente ou, por definição, a derivada do potencial em relação à distância, cuja notação será dV/dL. Com essas considerações, a equação anterior pode ser escrita como: dV J = −s ⋅ (4.2.13) dL figura 4.2.11 - Vetor gradiente ou campo elétrico. Esta nova apresentação da Lei de Ohm nos diz que    em qualquer ponto de um condutor unidimensional, Na equação (4.2.14), i, j, k são vetores unitários,    homogêneo e isotrópico, a densidade de corrente é ∂ ∂ ∂enquanto que o operador diferencial ( i + j + k) proporcional à derivada do potencial em relação à ∂x ∂y ∂z distância, a condutividade elétrica sendo o fator de é conhecido como operador gradiente, recebendo a  proporcionalidade. notação vetorial de grad. Assim, a expressão cartesiana Como na natureza os condutores elétricos são do gradiente do potencial, ou campo elétrico, mostrada geralmente tridimensionais, impõem-se as seguintes na equação (4.2.14), pode ser escrita mais comodamente   generalizações: sob a forma vetorial seguinte: E(x,y,z) = −grad V(x,y,z)   • a intensidade de corrente Di passa a ser uma ou, mais simplesmente, E = −grad V . E a Lei de Ohm, grandeza vetorial, pois que sua completa definição mostrada na equação (4.2.13) para um condutor exige a consideração de uma direção e um sentido. unidimensional, passa a ser escrita agora, para Assim sendo e, desde que J = Di/DA, a densidade de condutores tridimensionais como: corrente J será também uma grandeza vetorial;   • J sendo uma grandeza vetorial, acarreta que a J = −s ⋅ grad V (4.2.15) derivada do potencial dV/dL também o seja, de acordo com a equação (4.2.13), uma vez que s A equação (4.2.15) mostra a Lei de Ohm em sua forma é grandeza escalar. Isso significa dizer que, numa mais comumente apresentada nos tratamentos teóricos. corrente elétrica tridimensional, o potencial varia Ela expressa o fato de que a densidade de corrente, numa infinidade de direções. em qualquer ponto de um condutor homogêneo Em face do exposto, verifica-se que podem e isotrópico, é proporcional ao campo elétrico. ser consideradas várias densidades de corrente, A constante de proporcionalidade s, condutividade na dependência da direção em que se considere elétrica, não depende das dimensões do condutor, a variação do potencial. Dentre todas as direções sendo, portanto, característica da sua substância. possíveis, uma oferece um interesse especial. É aquela No caso mais geral possível, de meio heterogêneo e que vai caracterizar espacialmente a Lei de Ohm e que anisotrópico, o problema assume maior complexidade, representa a variação máxima do potencial. A derivada uma vez que a condutividade elétrica passa a ser nessa direção é o que se chama matematicamente uma função do ponto, s = s(x, y, z). Esta função tem, de gradiente do potencial, tendo sido batizada, na ademais, propriedades diretivas em cada ponto, eletricidade, de campo elétrico, designado pela devido à anisotropia do meio. Nessas condições, a  notação E. condutividade elétrica que expressa a relação entre a    Demonstra-se que as componentes E , E e E densidade de corrente e o gradiente de potencial ou  x y z do vetor campo elétrico E(x,y,z), num sistema de campo elétrico, não é mais um simples escalar mas, coordenadas cartesianas, têm como módulos as sim, um conjunto de coeficientes escalares que exprime  derivadas parciais da função potencial escalar V(x,y,z), a dependência linear das componentes do vetor J(x,y)  tal como mostrado na figura 4.2.11. O campo elétrico relativamente às componentes do vetor E(x,y). Este pode ser então escrito como: conjunto de coeficientes constitui o que se chama de tensor de condutividade elétrica. Recomenda-se ao  ∂V  ∂V  ∂V  E(x,y,z) = −( i + j + k) (4.2.14) leitor interessado a consulta a textos avançados de ∂x ∂y ∂z eletricidade para maiores informações. 219 Cap_4.2_FFI.indd 11 9/12/2008 21:24:22 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos Condutibilidade das Rochas É importante notar que a correlação acima só é Conhecem-se dois tipos de condutibilidade linear se a matriz da rocha for não condutiva, isto é, não elétrica: a condutibilidade metálica ou eletrônica e a contribuir para a condução elétrica. Em outras palavras, condutibilidade eletrolítica ou iônica. toda a condução elétrica deve ser eletrolítica, através A primeira é a condutibilidade característica dos dos poros da rocha, para que o fator de formação tenha metais. Neste caso, a matéria do condutor participa validade como parâmetro diagnóstico da porosidade. ativamente da transmissão da corrente elétrica A preocupação básica de Archie, com efeito, era a através do transporte de elétrons. Alguns jazimentos busca de um instrumento que permitisse quantificar a minerais têm esta condutibilidade tais como, por porosidade das rochas reservatório. exemplo, corpos de pirita, galena, calcopirita, Para assegurar a predominância da condução magnetita e grafita. A resistividade desses corpos, eletrolítica, Archie utilizou como solução saturante uma notadamente aqueles constituídos de sulfetos, é da salmoura de alta salinidade, o que tornou insignificante ordem de 0,01 ohm.m quando maciços. Geralmente e, portanto, desprezível, a participação da matriz da são bem menos condutivos, pelo fato de incluírem, rocha no processo de condução elétrica. disseminados, minerais de alta resistividade como O conceito de fator de formação cedo revelou- micas e feldspatos, por exemplo, e, também, por se de grande interesse na pesquisa de óleo, o causa do contato imperfeito entre os cristais do que motivou um grande volume de estudos em mineral metálico. laboratório. Nos anos 40 e 50, milhares de amostras A condutibilidade eletrolítica ou iônica é aquela que de meios porosos reais foram ensaiadas por vários se verifica nas soluções de ácidos, bases ou sais em experimentadores, entre os quais destacam-se o água. A corrente elétrica é resultante do deslocamento próprio G. E. Archie (1942) e W. O. Winsauer (1952). de íons oriundos da dissociação das moléculas desses Os resultados obtidos mostraram que o f varia na ácidos, bases ou sais. razão inversa da porosidade, admitindo entretanto, A grande maioria das rochas, em particular as mantida a mesma porosidade, uma certa variação rochas sedimentares, apresenta condutibilidade em função da configuração dos poros. iônica. Estas rochas conduzem eletricidade graças Foi, finalmente, proposta a seguinte expressão, à água de saturação e tanto mais facilmente quanto relacionando o fator de formação à porosidade total mais salinizada for esta água. Desta forma, pode- do reservatório: se dizer que a resistividade das rochas depende fundamentalmente dos seguintes fatores: F = a ⋅ h−m (4.2.17) • resistividade da água de saturação; • porosidade total da rocha; Combinando, finalmente, (4.2.16) e (4.2.17) chega- se à expressão (4.2.18) que ficou conhecida na • geometr ia dos poros e extensão do seu literatura como Lei de Archie: preenchimento; e • litologia. r ar = ⋅ rm e (4.2.18)h Lei de Archie Archie (1942), estudou em laboratório um Na expressão (4.2.18), rr é a resistividade da grande número de amostras de formações porosas rocha (fase sólida mais eletrólito), re é a resistividade consolidadas, totalmente saturadas com água do eletrólito, h é a porosidade total da rocha, m é o de alta salinidade. Ele verificou a existência de fator de cimentação (1.3 < m < 2.3) e a é o fator uma correlação linear entre a resistividade da de textura. Na tabela 4.2.2 é apresentado, a título de rocha saturada (rr) e a resistividade da água de ilustração, alguns valores de porosidade total e respectivo saturação (re). Em outras palavras, a razão rr/re se fator de formação. mantinha constante para qualquer valor de re , com rr tendendo para zero quando re tendia para zero. Archie denominou essa razão - que não depende Poros. Total f da salinidade da água de saturação, mas apenas Rochas h (%) (Adimens.) da textura e porosidade da rocha - de formation resistivity factor . Podemos chamá-la de fator elétrico Rochas ígneas e metamórficas 1 a 2 100 de formação ou, simplesmente, de fator de formação Calcários e arenitos compactos 3 a 4 50 a100 (F), adimensional, como mostrado na relação a seguir: Areias em geral 15 a 40 3 a 20 Diatomito 80 a 90 < 2 r F = r r (4.2.16) Tabela 4.2.2 - Porosidades totais e fatores de formação e (adaptado de Lasfargues, 1957). 220 Cap_4.2_FFI.indd 12 9/12/2008 21:24:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações o efeito das Argilas na Lei de Archie Como ressalvado, a Lei de Archie é válida para meios porosos não argilosos e isentos de minerais condutivos. Ora, na natureza esta condição é aproximada apenas em raros casos como, por exemplo, certas areias de dunas. A areias, em geral, e os arenitos contêm sempre um certo teor de argila disseminada. Os minerais de figura 4.2.12 - Modelo de condução elétrica em meios argila, embora sejam silicatos e sejam intrinsecamente porosos argilosos. isolantes elétricos, fazem diminuir a resistividade do meio onde se encontram. Este efeito é atribuído pelos autores à natureza cristalográfica desses minerais. As sa é percentualmente importante. Assim, a condutividade argilas, como se sabe, ocorrem comumente sob a da rocha, s, aumenta, ou seja, a resistividade da rocha, forma de plaquetas microscópicas em cujas superfícies, rr, diminui. Desse modo, o fator de formação torna- que são planos de clivagem, predomina um excesso se menor do que seria na ausência de argila, e não de carga elétrica negativa decorrente de ligações mais retrata a porosidade e a textura da rocha. Para cristalográficas quebradas. Em presença de um eletrólito caracterizar esta situação, esses autores chamaram o como por exemplo, a água subterrânea em um aqüífero, fator de formação obtido nessas circunstâncias de fator as superfícies das plaquetas de argila atraem e fixam de formação aparente (equação 4.2.19). cátions para restaurar o equilíbrio elétrico rompido. r Assim, forma-se uma primeira camada de cátions, fixa e, F ra = (4.2.19) sobre esta, uma segunda camada cuja fixação é menos re efetiva. Este fenômeno é descrito pelos autores como dupla camada iônica. Confirmaram ainda, os mesmos autores, os Ao longo do tempo geológico, a interação da argila experimentos anteriores de Archie, ou seja, que um substancial aumento da salinidade da água de disseminada nos arenitos com a água subterrânea, saturação, faz s tornar-se muito grande em relação conduz a um estado de equilíbrio elétrico, com a ea sa, deixando este último valor pouco significativo dupla camada iônica estabilizada. Em presença de percentualmente. Nessas condições, a razão (r /r ) um repentino campo elétrico, entretanto, os cátions r etende para o valor que deveria apresentar se não da camada mais externa são mobilizados e participam houvesse argila, o que faz a Lei de Archie voltar a ativamente da corrente, como “transportadores de funcionar. Essas considerações levaram à conceituação carga”. Este mecanismo, ou algo nesta linha, seria o do fator de formação verdadeiro, como indicado: responsável pela diminuição da resistividade do meio. O “repentino campo elétrico” acima referido ocorre, r0 por exemplo, quando injetamos uma corrente elétrica F0 = (4.2.20)r no solo com o auxílio de dois eletrodos, como será e discutido mais adiante. Patnode & Wyllie (1950, apud Lira, 2001) estudaram Valores de Resistividade mais Comuns os efeitos da presença de argilas em rochas- A tabela 4.2.3 mostra valores de resistividade de reservatório, a partir da análise de perfilagens elétricas alguns minerais comuns nas rochas e também alguns de poços de petróleo. Esses autores constataram que valores para águas. em meios porosos argilosos ocorria uma condução elétrica adicional que era acrescida à condução eletrolítica, fazendo aumentar a condutividade elétrica Minerais/Águas Resistividade (ohm.m) da rocha. A partir dessa constatação, estabeleceram Grafita (C) 0,0003 um modelo de condução elétrica em rochas argilosas, Pirita (FeS) 0,001 representado esquematicamente por um circuito de Galena (PbS) 0,03 resistências em paralelo, como mostrado na figura Molibdenita (MoS2) 0,08 4.2.12. Nessa figura, as duas condutividades em paralelo Magnetita (Fe2O3) 6 a 10 são as seguintes: Mica 1,5 . 108 • condutividade eletrolítica (s ); e Quartzo 3,8 .1010 a 1,2 . 1012e • condutividade adicional devida à presença de Calcita 5 . 1012 argila (sa). Chuva 30 a 1.000 Patnode & Wyllie (op. cit.), verificaram que em Mar 0,1 presença de águas moderadamente salinizadas, Águas Subterrâneas 1 a 30 se assume valores também moderados e, nessas Tabela 4.2.3 - Valores de resistividade de minerais e águas condições, confirmaram que o efeito devido ao valor de (compilado de P. Lasfargues, 1957). 221 Cap_4.2_FFI.indd 13 9/12/2008 21:24:22 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos A tabela 4.2.4 mostra valores de resistividade de A Corrente Contínua em solo Homogêneo e algumas rochas e formações geológicas do Nordeste Isotrópico do Brasil, obtidos em estudos realizados pela Divisão de Hidrogeologia da Sudene entre 1965 e 1971. O Princípio da Continuidade ou Princípio da A análise dos valores mostrados na tabela 4.2.4 Conservação da energia, estabelece que a variação permite destacar os seguintes pontos: da densidade de corrente em qualquer ponto de um campo elétrico sem fontes nem sumidouros, é igual • rochas muito diferentes como os calcários Jandaíra à variação da densidade de carga com o tempo. e os diabásios da Bacia do Piauí/Maranhão, podem Esta declaração é expressa matematicamente pela mostrar os mesmos valores de resistividade; equação da Continuidade mostrada a seguir: • a mesma rocha, como exemplificado pelo arenito Cabeças silicificado de Pedro II, na Bacia do  ∂d Parnaíba, Piauí, pode mostrar resistividades muito div J = − (4.2.21)∂t diversas, na dependência de estar ou não saturada. Este arenito, quando não saturado, exibe, inclusive, Na equação (4.2.21), J é o vetor densidade de valores semelhantes aos das rochas cristalinas. corrente (equivalente elétrico do vetor V , descarga A principal l ição que se pode extrair das específica ou descarga por unidade de área ou observações acima, é que os valores absolutos da velocidade de Darcy). J , assim, pode ser entendido resistividade elétrica não têm poder de diagnóstico como uma “vazão” de carga elétrica por unidade de de litologias. É necessário, assim, em cada caso, área. Já o termo div é o operador diferencial divergência, estabelecer a relação entre os valores medidos e as que fornece o balanço em cada ponto entre a carga que litologias envolvidas. Esta relação, válida para uma entra e a que sai, enquanto d é a densidade de carga determinada situação geológica na área em estudo, elétrica, sendo ∂d/∂t a variação da densidade de carga não pode, em nenhuma hipótese, ser generalizada ou com o tempo (t). extrapolada indiscriminadamente para outras áreas, O método geofísico de resistividade que nos mesmo que a situação geológica dessas outras áreas propomos estudar envolve a utilização de corrente seja semelhante. elétrica contínua. Ora, corrente elétrica contínua Uma segunda lição, não menos importante, é significa regime permanente, ou seja, invariância em a constatação da grande importância de um bom relação ao tempo. Nessas condições, a derivada conhecimento, na área coberta pelas medições elétricas, ∂d/∂t na equação (4.2.21) é nula, uma vez que a da geologia de superfície e, na medida do possível, densidade de carga não variará com o tempo. Em da geologia de sub-superfície. Um bom conjunto de regime permanente, portanto, (4.2.21) torna-se: excelentes medições elétricas, no caso extremo de  total desconhecimento da geologia local, oferece div J = 0 (4.2.22) tantas alternativas diferentes de interpretação, que se Voltemos agora à Lei de Ohm, abaixo repetida: torna praticamente inútil. O número de alternativas de   interpretação diminui com o aumento do conhecimento J = −s ⋅E (4.2.23)  geológico. Pode-se, assim, afirmar com convicção que a Levando J de (4.2.23) em (4.2.22) e lembrando que prospecção geofísica é uma atividade “geo” e “física”, em meio homogêneo a função escalar r é constante, no mínimo em partes iguais. obtém-se:  div grad V = 0 (4.2.24) Resistividade Rocha (ohm.m) A equação (4.2.24), conhecida como equação de Laplace, é a equação diferencial que descreve Formação Açu Membro Inferior 20 (Bacia Potiguar) o fluxo de corrente elétrica em um meio homogêneo Membro Superior 4 e isotrópico, em regime permanente (corrente Calcários Jandaíra (Bacia Potiguar) 200 a 400 contínua). Formação Souza (Bacia Rio do Peixe) 50 Rochas cristalinas 50.000 Potencial em um Ponto Aluviões argilosos 5 a 10 Aluviões arenosos 100 a 150 Se considerarmos agora uma corrente elétrica sendo Diabásios da Bacia do Parnaíba 300 a 500 injetada em um ponto P no interior de um meio tridimensional Arenitos Cabeças Secos 40.000 homogêneo e isotrópico, tem-se uma simetria radial (Bacia do Parnaíba volumétrica, de modo que o potencial V a uma distância - Pedro II, Piauí) Saturados 8.000 qualquer r de P, dependerá somente de r. Esta Tabela 4.2.4 - Valores de resistividade de Formações característica do problema leva naturalmente a escrever geológicas no Nordeste do Brasil. a equação (4.2.24) em coordenadas esféricas como: 222 Cap_4.2_FFI.indd 14 9/12/2008 21:24:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações d2V 2 dV + ⋅ = 0 dr2 r dr cuja solução geral é: C V = C1 + 2 r A análise das condições de contorno do problema permite definir os valores das constantes C1 e C2, o que leva à seguinte função: figura 4.2.13 - Quadripolo qualquer. rI 1 V(r) = ⋅ (4.2.25) 2p r A equação (4.2.25) descreve uma superfície VA rI 1 M = ⋅ (4.2.26) eqüipotencial semi-esférica em um terreno homogêneo 2p AM e isotrópico, a partir de uma fonte de corrente Aplicamos, da mesma forma, a equação (4.2.25) implantada na superfície do terreno. Conhecendo- para calcular o potencial causado também em M pelo se a resistividade r do meio e a intensidade I de eletrodo B. Deve-se, entretanto, considerar aqui a corrente, pode-se calcular o potencial elétrico V(r) polaridade oposta deste eletrodo. Assim: em qualquer ponto da superfície e da subsuperfície do terreno. B rI 1VM = − ⋅ (4.2.27)2p BM Medição da Resistividade com Quadripolos O potencial total causado em M será a soma dos As medições da resistividade r do subsolo são potenciais dados pelas expressões (4.2.26) e (4.2.27), feitas indiretamente, com base na equação (4.2.25), ou seja: através da medição da distância r, do potencial V(r) e da intensidade de corrente I. As duas últimas A,B A B rI 1 1 são realizadas, basicamente, com o auxílio de VM = VM + VM = ( − ) (4.2.28)2p AM BM voltímetros e amperímetros. Os voltímetros não medem o potencial em um De uma forma análoga, chega-se ao potencial V A,B N ponto mas, sim, diferenças de potencial. O potencial causado em N pelos eletrodos de corrente A e B. em um ponto, a propósito, pode ser considerado como Calcula-se a diferença de potencial DV entre os a diferença de potencial entre este ponto e um ponto pontos M e N, explicita-se a resistividade e chega-se, situado no infinito, ou seja, a uma distância muito finalmente, à seguinte expressão buscada: grande do campo elétrico em questão. DV p ⋅ AM ⋅ AN A medição da corrente elétrica exige o fechamento r = ⋅[ ] (4.2.29)I MN de um circuito no qual possa ser intercalado em série um amperímetro. A expressão entre colchetes na equação (4.2.29) é Os aspectos acima comentados conduziram uma constante geométrica cuja dimensão é o metro, naturalmente à adoção de quadripolos como dependente apenas das características geométricas do dispositivos práticos de medição da resistividade. quadripolo. Vamos chamá-la de K, o que nos conduz Assim, o circuito elétrico é fechado através de dois finalmente à equação (4.2.30) , utilizada para a medição eletrodos cravados no solo, o que permite a medição da resistividade do subsolo. da corrente I. Por sua vez, uma diferença de potencial resultante dessa corrente é medida entre dois outros DVr = K (4.2.30) eletrodos também cravados no solo, no domínio de I influência da corrente I. A distância r ficará implícita na constante geométrica do quadripolo utilizado, Tipos de Quadripolos como será visto adiante. Vejamos agora como os A literatura especializada descreve uma enorme quadripolos se prestam à tarefa de medir resistividades. variedade de tipos de quadripolos. Na realidade, é Consideremos um quadripolo qualquer, tal como o sempre possível conceber um dispositivo particular mostrado na figura 4.2.13. de medição, com esta ou aquela propriedade mais O potencial causado em M pela corrente injetada aguçada, para abordar mais adequadamente um dado no eletrodo A pode ser escrito, de acordo com a problema específico. Considerando os objetivos do equação (4.2.25), como: capítulo, entretanto, vamos nos limitar aos quadripolos 223 Cap_4.2_FFI.indd 15 9/12/2008 21:24:22 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos lineares simétricos. Entre estes, vamos apenas Agora, utilizando as equações (4.2.31) e (4.2.32), e citar o dispositivo Wenner e nos ater, finalmente, ao atribuindo valores a r e I, podemos estudar as variações quadripolo schlumberger. de V e de e ao longo da linha AB do quadripolo. A figura Um quadripolo linear simétrico é um caso particular 4.2.16 mostra essas variações. do quadripolo qualquer mostrado na figura 4.2.13. O O comportamento do potencial e do campo elétrico quadripolo é linear quando os quatro eletrodos estão ao longo da linha AB, acima mostrado, nos ensina alinhados. Ele é simétrico quando os eletrodos de algumas lições importantes que estão na base dos emissão de corrente são simétricos em relação a um procedimentos de campo e da interpretação das centro O, conhecido como centro do dispositivo, e medições elétricas: quando os eletrodos M e N, de medição das quedas de potencial, são também simétricos em relação ao • as quedas teóricas mais fortes de potencial ocorrem nas mesmo centro O e situados internamente em relação vizinhanças dos eletrodos de corrente. Essas quedas aos eletrodos de corrente. A Figura 4.2.14, a seguir, são também não uniformes, nessas vizinhanças; elas mostra os quadripolos Schlumberger e Wenner. diminuem com a distância na direção do centro do quadripolo; • no terço central do quadripolo, a variação das quedas de potencial é sensivelmente uniforme. Isto significa, em outras palavras, que o campo elétrico é aí sensivelmente uniforme ou seja, aproxima-se numericamente de um valor constante. Assim, em presença de um terreno real homogêneo, o campo elétrico (taxa de variação do potencial) deve apresentar um comportamento uniforme(1) no terço central do quadripolo. Variações não uniformes do campo, aí, só podem ser atribuídas a heterogeneidades do meio. Esta propriedade está na base dos procedimentos adotados figura 4.2.14 - Quadripolos lineares simétricos. em todas as técnicas de medição elétrica. Citamos como exemplo, particularmente, as técnicas denominadas de Retângulo AB e Cartas de Potencial. evolução do Potencial e do Campo ao Longo Encontra-se aí também a razão das dimensões da Linha AB adotadas para o espaçamento MN nos quadripolos Analisemos agora algumas características Wenner e Schlumberger, mostrados na figura 4.2.14. No importantes dos quadripolos simétricos. Imaginemos caso particular deste último, houve uma razão adicional um ponto genérico P situado numa posição qualquer para manter a distância MN menor ou igual a AB/5. do segmento AB, onde A e B são os eletrodos de envio Apresentam-se a seguir, com efeito, a equação (4.2.29) de corrente, tal como mostrado na figura 4.2.15. adaptada para explicar esta razão adicional: Apliquemos a equação (4.2.25) para calcular o potencial em P devido aos eletrodos de corrente A e B. Obteremos a seguinte expressão: rI 1 1 V = ⋅( − ) (4.2.31) 2p r AB − r A derivada da função acima, em relação à distância r, nos dará a taxa de variação do potencial com a distância, isto é, o campo elétrico. Assim: ∂V rI 1 1 E = − = ⋅[ + ] ∂r 2p 2 (4.2.32)r (AB − r)2 figura 4.2.16 - Potencial e campo elétrico ao longo da figura 4.2.15 - Ponto P qualquer na linha AB. linha AB. (1) Uniforme aqui significa quedas iguais de potencial em distâncias iguais. 224 Cap_4.2_FFI.indd 16 9/12/2008 21:24:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações p ⋅ AM ⋅ AN DV r = ⋅ I MN Como o termo DV é a diferença de potencial medida entre os eletrodos M e N, a razão DV/MN representa uma aproximação da derivada ∂V/∂r, isto é, do campo elétrico no centro do dispositivo. Ora, no cálculo das curvas teóricas de resistividade aparente ou ábacos(2), utilizadas no passado recente para interpretação das curvas de campo, foi sempre considerado o campo elétrico pontual no centro do dispositivo. Mantendo-se o espaçamento MN dentro do limite AB/5, o desvio dos valores medidos em relação aos teóricos é minimizado e admite correções. Hoje, as coleções de curvas teóricas de resistividade figura 4.2.17 - Medição da resistividade aparente do sub- não são mais tão utilizadas como no passado. Existem solo. agora modelos analíticos extremamente ágeis, em computador, que calculam essas curvas para tantas Técnicas de Medição situações diferentes quantas se queira, otimizando a interpretação das medições de campo. Certos São muito variadas as técnicas que se podem adotar modelos deste tipo utilizam nos cálculos os potenciais para a medição das resistividades aparentes do subsolo. elétricos nos eletrodos M e N, e não diretamente o Duas técnicas principais, ou dois procedimentos, serão aqui campo elétrico no centro do dispositivo, como no examinados: a técnica da exploração vertical (sondagem passado. Assim, a condição de MN < AB/5 perdeu elétrica Vertical - seV) e a técnica denominada de muito da sua razão de ser e o usuário fica com maior exploração horizontal (Perfil de Resistividade). liberdade na escolha do seu dispositivo de medição. sondagens elétricas Verticais (sevs) É importante, naturalmente, conhecer o método de cálculo do modelo disponível, para se poder adequar Na sondagem elétrica, mantém-se fixo o centro convenientemente o quadripolo. do quadripolo AMNB (ver figura 4.2.17) e realiza-se uma série de medições de resistividade aparente, Conceito de Resistividade Aparente aumentando-se o espaçamento AB a cada nova medição, simetricamente em relação ao centro. É praticamente impossível medir-se no campo Faz-se, assim, uma exploração vertical, pois, em resistividades verdadeiras das rochas, pois o volume de terreno envolvido nas medições contêm, geralmente, cada nova medição, a corrente elétrica circulará várias litologias diferentes. Assim, medem-se sempre mais profundamente que na medição anterior. Os resistividades aparentes cujos valores dependem das valores de resistividade aparente assim obtidos, resistividades verdadeiras presentes. plotados graficamente em papel bilogarítmico contra Resistividade aparente de um solo real é definida os respectivos valores de AB/2, permitem obter uma como sendo “a resistividade de um solo fictício, curva que é a representação gráfica da função ra(AB/2). homogêneo e isotrópico tal, que provocaria, em resposta Esta curva é comumente denominada de curva de à corrente i que lhe fosse injetada, a mesma diferença resistividades aparentes ou diagrama elétrico ou, de potencial DV observada entre os eletrodos M e N do simplesmente, sondagem elétrica vertical - seV. As quadripolo utilizado.” sondagens elétricas fornecem, portanto, informações As resistividades aparentes podem ser medidas, sobre a variação vertical das resistividades aparentes. entre outros, com o auxílio de quadripolos lineares Nos trabalhos de campo, além das SEVs sistemáticas simétricos, tais como o mostrado na figura 4.2.17, que vão constituir o estudo propriamente dito, é de utilizando-se a equação (4.2.33) a seguir indicada: fundamental importância a realização de sondagens elétricas centradas junto a poços de perfil litológico DV conhecido. Tais SEVs, ditas sondagens elétricas ra = K (4.2.33)I de aferimento, tornam possível correlacionar a seqüência elétrica à seqüência litológica e obter em que, r é a resistividade aparente (Ohm.m), K é estimativas das resistividades verdadeiras dos a a constante geométrica do quadripolo (m), DV é a diferentes horizontes elétricos. Um conjunto de diferença de potencial gerada pela corrente elétrica SEVs, criteriosamente interpretado, permite obter I e medida entre os eletrodos M e N (mV), I é a importantes avaliações da natureza e da estrutura do Intensidade de corrente injetada no solo entre os subsolo. A figura 4.2.18 mostra exemplos de curvas eletrodos A e B (mA). teóricas de sondagem elétrica. (2) Os primeiros ábacos foram calculados pela CGG no período 1933-1936. 225 Cap_4.2_FFI.indd 17 9/12/2008 21:24:23 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos • o novo espaçamento MN permanecerá fixo, por sua vez, durante um certo número de novas medições com comprimentos AB crescentes, até a próxima “embreagem”. Chamamos a atenção para o fato de que a cada par (AB/2, MN) corresponde um valor da constante geométrica K. O momento das “embreagens” é previsto na planilha de campo, sendo fruto da experiência anterior adquirida. Nada impede, entretanto, que se façam “embreagens” em outros momentos, se julgado necessário. Em decorrência do procedimento acima exposto, a curva de resistividades aparentes, ou curva de sondagem elétrica, é composta de segmentos, tal como mostrado na figura 4.2.19. figura 4.2.18 - Exemplos de sondagem elétrica. dispositivo schlumberger figura 4.2.19 - Curva Schlumberger teórica e sua correção O procedimento adotado para a realização de para MN igual a zero. uma sondagem elétrica utilizando o quadripolo Schlumberger é o seguinte: A curva acima diz respeito a duas camadas • a primeira medição de resistividade aparente homogêneas e isotrópicas de resistividades r1 e r2 faz-se, por exemplo, com linha AB de 2 metros e e espessuras h1 e h2, respectivamente. Como os espaçamento MN de 0,5 metros; espaçamentos MN são finitos, o campo elétrico DV/MN é uma aproximação do campo elétrico pontual • aumenta-se em seguida o comprimento da linha ∂V ∂r no centro do dispositivo, e nessas condições, AB e faz-se a segunda medição, mantendo-se o a profundidade de investigação torna-se algo menor. mesmo espaçamento MN; Este fato traduz-se teoricamente por um deslocamento • este procedimento continua, aumentando-se o para a direita dos segmentos de curva obtidos com comprimento AB a cada nova medição e mantendo- MN maior. Desde que a razão MN/AB não exceda 1/5, se o espaçamento MN constante. Como a relação é possível eliminar ou minimizar o efeito do MN finito, MN/AB diminui a cada nova medição, a diferença deslocando os segmentos para a esquerda, como de potencial DV medida entre os eletrodos M e N mostrado na figura 4.2.19. será cada vez menor; • chegará um momento em que a diferença DV se dispositivo Wenner fica muito pequena, tornando difícil ou mesmo O procedimento adotado para a realização de uma impossibilitando a medição. Repete-se então, antes sondagem elétrica utilizando o quadripolo Wenner é que isso aconteça, a medição da resistividade semelhante, em linhas gerais, ao anterior. Uma diferença aparente para o mesmo comprimento AB, mas fundamental, entretanto, é que a cada aumento do com um espaçamento MN maior. Os franceses espaçamento AB aumenta-se também o espaçamento chamaram este procedimento de embreagem, MN, mantendo-se sempre a condição AM = MN = NB = a termo que adotamos até hoje; (ver figura 4.2.14). Não existem, portanto, “embreagens”. 226 Cap_4.2_FFI.indd 18 9/12/2008 21:24:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Vantagens e desvantagens dos Quadripolos Wenner Cortes Geoelétricos e schlumberger O que se chama de corte geoelétrico é a Quadripolo schlumberger - Vantagens: “estratificação elétrica” do subsolo, expressa em • os pequenos espaçamentos MN tornam a razão termos das espessuras e resistividades das diferentes DV/MN mais próxima do campo elétrico teórico no “camadas elétricas” presentes. A figura 4.2.20 ilustra centro do dispositivo; este conceito. • esses pequenos espaçamentos MN captam menores potenciais parasitas, maximizando a razão sinal/ruído; • a possibilidade de fazer medições de resistividade aparente para várias distâncias AB, mantendo a distância MN fixa, aliada à repetição de medições para o mesmo AB e distâncias MN diferentes (“embreagens”), possibilita distingüir entre efeitos profundos e efeitos superficiais. Estes últimos ocorrem quando os eletrodos de corrente e, particularmente, os de potencial, passam por descontinuidades superficiais; figura 4.2.20 - Corte geoelétrico. • a imobilidade do par MN durante várias medições de resistividade, bem como sua menor dimensão relativa, nas grandes linhas AB, agilizam as Os cortes geoelétricos podem ser classificados operações de campo. segundo o número de camadas que apresentam, e subordinadamente, segundo a relação entre os valores Quadripolo schlumberger - desvantagem: das resistividades verdadeiras das camadas. Assim, diz-se por exemplo que um certo corte geoelétrico é • os pequenos espaçamentos MN acarretam menores de “duas camadas, do tipo resistivo/condutivo”, o que diferenças de potencial e, conseqüentemente, significa dizer que a resistividade da primeira camada tornam mais difíceis e menos precisas suas é maior que a resistividade da segunda. medições. Esta desvantagem avulta em presença Os geofísicos resistivistas lidam freqüentemente com de recobrimentos muito resistivos como areias três camadas elétricas, em estudos de pequena a média secas por exemplo, em decorrência da diminuição profundidade de investigação, o que motivou, talvez, um da sensibilidade do potenciômetro. Impõe-se, maior interesse dos investigadores por cortes geoelétricos assim, a utilização de equipamentos mais precisos deste tipo. Considerando as relações possíveis entres as e, conseqüentemente, mais caros. três resistividades presentes nesses casos, tem-se quatro tipos diferentes de cortes geoelétricos. Os pesquisadores Quadripolo Wenner - Vantagem: russos atribuíram letras latinas a esses tipos de corte, • mantendo-se a razão MN/AB sempre constante e conforme indicado a seguir: igual a 1/3, mantêm-se as diferenças de potencial • Corte Geoelétrico Tipo H: r > r < r DV sempre elevadas e de fácil mensuração. Podem 1 2 3 ser utilizados, assim, equipamentos mais simples • Corte Geoelétrico Tipo K r1 < r2 > r3 e menos onerosos. • Corte Geoelétrico Tipo Q r1 > r2 >r3 Quadripolo Wenner - desvantagens: • Corte Geoelétrico Tipo A r1 < r2< r3 • não permite distinguir entre efeitos profundos e Essa terminologia foi introduzida no ocidente eventuais efeitos devidos a heterogeneidades talvez no fim da década de 50 ou início da década superficiais. de 60, através dos escritos de Orellana (1965), Keller & Frischknecht (1966), Bhattacharya & Patra (1968) • torna as operações de campo mais lentas, nas e outros. Essa terminologia pode ser estendida para sondagens elétricas, uma vez que é necessário cortes geoelétricos de quatro ou mais camadas. No aumentar o espaçamento MN a cada aumento do caso de quatro camadas, mantém-se a letra que espaçamento AB. designa o tipo correspondente às três primeiras • os maiores espaçamentos MN captam maiores camadas e acrescenta-se a letra que designa o tipo potenciais parasitas, prejudicando a razão sinal/ correspondente às três últimas camadas. Assim, um ruído. Esta desvantagem contrabalança em parte corte do tipo resistivo-condutivo-resistivo-condutivo a vantagem oferecida pelos maiores sinais DV será designado de corte geoelétrico tipo HK, conforme gerados. ilustrado na figura 4.2.21. 227 Cap_4.2_FFI.indd 19 9/12/2008 21:24:23 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos figura 4.2 .21 - Nomenclatura russa para cortes geoelétricos. As combinações possíveis dos quatro tipos básicos de três camadas gera um máximo de oito cortes geoelétricos de quatro camadas: HK, HA, KH, KQ, QQ, QH, AK, AA. É fácil perceber que combinações tais como KK, HH, HQ, etc, não têm sentido uma vez que implicam em condições contraditórias. Tipos de Curvas de sondagem elétrica Orellana (1972), propõe tomarem-se os cortes geoelétricos como base para a classificação das curvas de sondagem elétrica três camadas, para quadripolos lineares simétricos. Ele considera, assim, quatro tipos básicos de curva (figura 4.2.22) e adota a mesma terminologia utilizada para designar os respectivos cortes geoelétricos. Assim, a curva tipo H por exemplo, representa o tipo de curva obtido sobre um corte geoelétrico tipo H. As variações da resistividade aparente, traduzidas pela curva tipo H, refletem as relações entre as resistividades verdadeiras das camadas presentes, isto é, r1 > r2 < r3. A extensão da terminologia russa para cortes geoelétricos de quatro ou mais camadas, faz-se de maneira idêntica àquela acima exposta para os cortes geoelétricos. Apresenta-se como exemplo, apenas, o caso de uma sondagem elétrica tipo HK, mostrada na figura 4.2.23. Ábacos O que se chama de ábacos são coleções de curvas teóricas de sondagem elétrica, que foram muito utilizadas no passado recente como padrões ou referenciais para análise das curvas experimentais de campo, com o objetivo de definir o número de camadas elétricas do subsolo estudado e avaliar as espessuras figura 4.2.22 -Tipos de sondagem elétrica três camadas. e resistividades dessas camadas. Três coleções principais de curvas teóricas foram e ainda são, em certa extensão, utilizadas pelos geofísicos europeus, americanos e também pelos especialistas brasileiros. Todas as curvas dessas coleções foram calculadas para o dispositivo Schlumberger, sendo apresentadas em escala bilogarítmica de módulo igual a 62,5 mm, utilizada internacionalmente. Essas coleções são as seguintes: • a coleção calculada pioneiramente pela CGG francesa no período 1933-1936 e publicada pela European Association of Exploration Geophysicists (EAEG) em 1955 e, em segunda edição, em 1963; figura 4.2.23 - Sondagem elétrica quatro camadas -Tipo HK. 228 Cap_4.2_FFI.indd 20 9/12/2008 21:24:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • a coleção de Orellana & Mooney, publicada em Como a base do prisma tem lados de dimensão 1966 pela Interciência; e unitária, a expressão acima fica: • a coleção holandesa do Rijkswaterstaat(3), preparada DR = r ⋅h (4.2.34) por J.C. Van Dam & J.J. Meulenkamp e publicada i i i em 1969, também pela EAEG. O produto (4.2.34) acima chama-se Resistência Hoje dispõe-se de eficientes modelos analíticos que Transversal Unitária da camada i. Esta resistência é calculam instantaneamente, em computador, curvas transversal porque diz respeito a uma corrente elétrica teóricas de sondagem elétrica – ou curvas teóricas de transversal em relação à extensão lateral da camada resistividade aparente - para qualquer corte geoelétrico. elétrica. Ela é, por outro lado, unitária, porque é definida por unidade de superfície horizontal da camada elétrica Esses modelos substituem com enormes vantagens, considerada. As dimensões da resistência transversal naturalmente, os antigos ábacos. As coleções acima unitária são, segundo (4.2.34), as de uma resistividade citadas, portanto, que desempenharam importante papel vezes um comprimento linear, isto é, (ohm.m) x m, o que na interpretação das SEVs, já constituem hoje raridades nos dá ohm.m2 (4). A resistência transversal total do históricas, uma vez que devem estar esgotadas e, supõe- corte geoelétrico exemplificado na figura 4.2.24 será, se, não deve haver grande interesse em reeditá-las. naturalmente: Resistência Transversal e Condutância Longi- R = ∑(ri ⋅ hi) (4.2.35) tudinal i Consideremos um corte geoelétrico qualquer, tal Se, no mesmo prisma considerado na figura 4.2.24, admitirmos agora a corrente elétrica fluindo paralelamente como o mostrado na figura 4.2.20, e suponhamos à estratificação, a resistência de uma camada i qualquer que este corte esteja submetido a uma corrente pode ser calculada, aplicando-se novamente a equação elétrica fluindo normalmente às camadas. Estas se (4.2.12), como mostrado a seguir: comportarão, então, como condutores em série e a resistência elétrica total do corte será a soma das r i resistências individuais de cada camada. Como o DR i = hi corte tem, teoricamente, extensão lateral infinita, isto significa uma seção transversal infinita com respeito Como, neste caso, as camadas do corte geoelétrico à corrente considerada, o que impossibilita o cálculo se comportam como condutores em paralelo, as da resistência. Para contornar esta dificuldade, suas resistências não são aditivas mas, sim, suas isolemos mentalmente, no corte, um prisma vertical condutâncias. É conveniente, assim, expressar a de seção quadrada unitária, isto é, lados iguais à equação acima em termos da condutância que é o unidade. Esse prisma é mostrado na figura 4.2.24. inverso da resistência, ou seja: Calculemos agora a resistência de uma camada i qualquer do prisma, aplicando a equação (4.2.12). hDCi = i r (4.2.36) h i DRi = r i ⋅ i DA A razão ac ima chama-se Condutânc ia Longitudinal Unitária da camada i. Esta condutância é longitudinal porque diz respeito a uma corrente elétrica longitudinal em relação ao corte considerado. Ela é, por outro lado, unitária, porque é definida para um condutor de comprimento unitário (lado do prisma mostrado na figura 4.2.24). As dimensões da condutância longitudinal unitária são, de acordo com a expressão acima, as de uma condutividade (inverso da resistividade) vezes um comprimento linear, isto é, (mho.m-1) x m, o que nos dá mho. A condutância longitudinal total do corte geoelétrico exemplificado na figura 4.2.24 será, naturalmente: ∑ hC = ir (4.2.37)i i Os conceitos de resistência transversal unitária e figura 4.2.24 - Prisma vertical de secção unitária (adaptado condutância longitudinal unitária são de fundamental de Orellana, 1972). importância no método de eletroresistividade. Esta (3) Serviço Público de Águas da Holanda (4) Na formalização desta unidade não se considera, naturalmente, a secção transversal, uma vez que a mesma é definida como unitária para qualquer sistema de unidades. 229 Cap_4.2_FFI.indd 21 9/12/2008 21:24:23 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos importância foi ressaltada pela primeira vez pelo físico ao eixo das abcissas, interceptando-o no valor log R. francês Raymond Maillet em um trabalho de valor Esta reta, mostrada na figura 4.2.25, é a representação decisivo, tanto para a teoria dos métodos geoelétricos gráfica da equação (4.2.39). Fazendo-se o mesmo como para a interpretação das medições (Maillet, 1947 com a equação (4.2.36) obteremos a equação (4.2.40) in Orellana, 1972). Maillet chamou essas grandezas de cuja representação gráfica é uma reta inclinada de 45o Parâmetros de dar Zarrouk, em alusão à localidade em relação ao eixo das abcissas, interceptando-o no onde ele trabalhou este tema, nas vizinhanças de valor log C. Cartago, na Tunísia. Posteriormente, alguns autores como Bhattacharya (1968) e Orellana (1972), passaram log ri = log hi − log C (4.2.40) a utilizar a notação T e s para, respectivamente, a O ponto de intersecção das duas retas define de forma resistência transversal e a condutância longitudinal. Na unívoca a resistividade e a espessura da camada para um presente obra, seguiremos Kunetz (1966), mantendo dado par (R, C). As inclinações dessas retas (135o para a notação original de Maillet, R e C, uma vez que a a resistência e 45o para a condutância) têm estreitas notação T e s já é consagrada no Brasil e outros países relações com as feições das curvas de sondagem como designação, respectivamente, dos parâmetros elétrica e servem de valioso guia na análise comparativa hidrodinâmicos Transmissividade Hidráulica e dessas curvas, no âmbito dos procedimentos que Coeficiente de Armazenamento. caracterizam a interpretação qualitativa. Exploremos agora um pouco mais os conceitos de Continuando nossa análise dos parâmetros de Dar- R e C. Se multiplicarmos e depois dividirmos (4.2.34) Zarrouk, examinemos suas variações em função da por (4.2.36), obteremos as seguintes expressões: resistividade verdadeira da camada elétrica. Na figura h = DRi ⋅ D C e r = DRi DC 4.2.26, os valores de R e C foram computados para i i uma camada de 10 metros de espessura e resistividade As notações DRi e DCi foram até aqui utilizadas para variando entre 0,5 e 4,0 ohm.m. Essa gama de designar, respectivamente, a resistência transversal variação foi escolhida em função da praticidade de unitária e a condutância longitudinal unitária de uma apresentação do gráfico, servindo perfeitamente bem, camada genérica i do prisma vertical de secção entretanto, aos nossos fins didáticos. unitária, mostrado na figura 4.2.24. Assim foi feito para O que se pretende mostrar na figura 4.2.26, é que evitar confundir esses parâmetros com a resistência em presença de baixas resistividades a condutância transversal unitária e a condutância longitudinal longitudinal é muito elevada, enquanto que a resistência unitária totais, de todo o prisma, que designamos transversal é pequena. Crescendo a resistividade, a respectivamente de R e C. Entretanto, por uma condutância longitudinal cai rapidamente, seguindo uma questão não apenas de comodidade, mas, também, lei potencial, enquanto que a resistência transversal cresce, de compatibilidade com outros autores, passaremos também rapidamente, mas, segundo uma lei linear. Nas agora a atribuir a notação R e C para camadas elétricas altas resistividades, a resistência transversal é muito genéricas. Assim sendo, as expressões acima serão grande, enquanto que a condutância longitudinal torna-se apresentadas como: ínfima. Em decorrência deste comportamento, pode- se dizer que a resistência transversal caracteriza os h = R ⋅C e r = R C (4.2.38) horizontes eletricamente resistivos, enquanto que a condutância longitudinal caracteriza os horizontes As equações (4.2.38) mostram que o par (R, C) eletricamente condutivos. de uma dada camada elétrica, define a espessura e a resistividade dessa camada ou, em outras palavras, a caracterização elétrica de uma dada camada exige a consideração dos dois parâmetros de Dar Zarrouk. Essa propriedade pode ser também demonstrada, fazendo-se uma representação gráfica das equações (4.2.34) (resistência transversal unitária) e (4.2.36) (condutância longitudinal unitária). Se, na equação (4.2.34) passarmos aos logaritmos: log R = log ri + log hi ou (4.2.39) log ri = − log hi + logR Se considerarmos, agora, eixos cartesianos em escala logarítmica e se atribuirmos valores para h no eixo das abcissas e assinalarmos os respectivos valores de r no eixo das ordenadas, para um dado figura 4.2.25 - Representação gráfica dos parâmetros de R, teremos uma reta inclinada de 135o em relação Dar Zarrouk (adaptado de Orellana, 1972). 230 Cap_4.2_FFI.indd 22 9/12/2008 21:24:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Sumariando a discussão acima pode-se dizer que, do ponto de vista prático, as camadas condutivas são caracterizadas pelos valores da sua condutância longitudinal, enquanto que as camadas resistivas são caracterizadas pelos valores da sua resistência transversal. Essa conceituação é grandemente importante na interpretação de sondagens elétricas, porque esses parâmetros podem ser obtidos sem ambigüidades a partir das curvas de resistividade aparente, o que não acontece com a obtenção de espessuras e resistividades verdadeiras, em decorrência do Princípio da eqüivalência elétrica e do Princípio da supressão elétrica, apresentados e discutidos nos itens seguintes. Neste ponto da discussão, o leitor mais atento deve estar se perguntando: a partir de que valor da resistividade verdadeira um horizonte elétrico pode ser considerado resistivo? Ou: abaixo de que valor dessa resistividade figura 4.2.26 - Variação dos parâmetros de Dar Zarrouk com um horizonte elétrico pode ser dito condutivo? A resposta a resistividade da camada. é que não existem valores absolutos de resistividade que caracterizem horizontes resistivos ou horizontes condutivos. Os conceitos de resistivo e condutivo são Esse comportamento é i lustrado no corte geoelétrico mostrado na figura 4.2.27, onde as conceitos relativos que independem totalmente dos relações entre as resistividades verdadeiras são as valores absolutos de resistividade. Assim, um dado seguintes: horizonte elétrico se comportará como condutivo se estiver situado entre horizontes elétricos de resistividades r1 > r2 < r3 > r4 significativamente maiores, no topo e na base. E esse mesmo horizonte, com a mesma resistividade, se Observa-se, nesse corte, que nas camadas comportará como resistivo se estiver situado entre condutivas as componentes horizontais do campo elétrico são maiores que as componentes verticais. horizontes elétricos de resistividades significativamente Isto significa dizer, em outras palavras, que as linhas de menores, no topo e na base. Isso significa dizer, em corrente se aproximam da horizontal nos condutivos(5) termos mais objetivos, que um mesmo arenito aqüífero, e, conseqüentemente, os valores da condutância com mesma espessura e mesma salinidade da água de longitudinal são mais importantes que os valores da saturação, pode constituir um horizonte condutivo numa resistência transversal, na caracterização elétrica da região e pode constituir um horizonte resistivo noutra camada. Nas camadas resistivas, por outro lado, as região, na dependência da natureza das formações da componentes verticais do campo elétrico são maiores capa e da lapa. A interpretação de medições elétricas que as componentes horizontais. Isto significa dizer, em do subsolo, portanto, é uma atividade que requer um outras palavras, que as linhas de corrente se aproximam bom conhecimento teórico do método, de um lado, mas da vertical nos resistivos e, conseqüentemente, os que não pode prescindir, de outro lado, de um acurado valores da resistência transversal são mais importantes senso geológico. Nunca é demais insistir, assim, que a que os valores da condutância longitudinal, na prospecção geofísica é “geo” e “física”, no mínimo em caracterização elétrica da camada. partes iguais. figura 4.2.27 - Linha de corrente em um meio estratificado. (5) Diz-se também “as camadas condutivas”, “os horizontes condutivos” ou, simplesmente,“os condutivos”. 231 Cap_4.2_FFI.indd 23 9/12/2008 21:24:23 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos Princípio da equivalência elétrica A análise do comportamento do conjunto de curvas Vamos inicialmente conceituar o Princípio da permite enfatizar os seguintes aspectos, de grande importância na interpretação: equivalência elétrica em termos da condutância longitudinal, analisando curvas a três camadas tipo H. Posteriormente, • as curvas teóricas 6 a 9, correspondentes a resistividades conceituaremos este princípio em termos da resistência r2 mais baixas, entre 60 e 2 ohm.m, têm resistividades transversal, analisando curvas a três camadas tipo K aparentes dos mínimos variando na estreita gama de (todas as curvas teóricas foram construídas utilizando- 120 a 90 ohm.m, ou seja, cerca de 30% de variação. se um modelo analítico de resolução do problema Em uma curva real de campo com parâmetros direto - RESE112 - devido ao Prof. José Márcio Lins idênticos ao da curva 8, por exemplo, verifica-se Marinho, da UFC). que as imprecisões inerentes ao método, devidas Consideremos inicialmente, portanto, o conjunto de a efeitos laterais, heterogeneidades superficiais, curvas tipo H mostrado na figura 4.2.28. Essas curvas razão sinal/ruído e sensibilidade do potenciômetro, têm as seguintes características: dificilmente permitem uma precisão melhor que • em todas elas, a primeira camada tem parâmetros 30% em relação ao modelo teórico. Esta curva constantes, ou seja, mesma espessura e mesma de campo admitirá, assim, um grande número de resistividade verdadeira (h = 10 m; r = 400 ajustes de curvas teóricas variando, pelo menos, 1 1 ohm.m); entre as curvas 6 e 9. Isso significa que é possível, através do ajuste de uma curva teórica, quantificar • a espessura e a resistividade da segunda camada espessuras da segunda camada variando entre variam proporcionalmente, como indicado na 1 e 30 metros, ou seja, uma variação de 3.000% figura 4.2.28, de modo que sua condutância entre um extremo e outro. Em suma, desde que a longitudinal se mantém constante e igual a 0,5 condutância longitudinal do horizonte condutivo se mho. Em outras palavras: mantenha constante, e desde que o contraste de resistividade r2/r1 seja suficientemente grande (r /rh h h 2 1 1 = 2 = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = n = C = 0,5 mho < 0,2 no exemplo), um grande número de curvas r1 r2 rn de sondagem elétrica é indistinguível na prática; • todas as curvas têm o mesmo ramo terminal • na medida em que diminui o contraste de resistividade ascendente, uma vez que a posição deste ramo r2/r1, as SEVs tornam-se mais individualizadas em é definida pela condutância longitudinal total relação ao conjunto anterior, mostrando mínimos do corte geoelétrico que, no presente caso, é menos pronunciados. Entretanto, para um certo constante. grupo de SEVs com essas características, como figura 4.2.28 - Princípio da equivalência em termos da condutância longitudinal. 232 Cap_4.2_FFI.indd 24 9/12/2008 21:24:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações as curvas 1, 2 e 3, por exemplo, também um As curvas tipo Q apresentam comportamento similar grande número de curvas de sondagem elétrica é às curvas tipo K, no que diz respeito à equivalência indistinguível na prática; elétrica da camada 2, intermediária. • o comportamento das SEVs tipo H, discutido nos tópicos acima, caracteriza o que se chama de Princípio da supressão elétrica equivalência elétrica. Essa é uma indeterminação O Princípio da supressão elétrica é ilustrado que foi balizada como Princípio da equivalência na figura 4.2.30. Esta figura mostra uma família de elétrica. As curvas tipo A apresentam comportamento curvas a 4 camadas, tipo QH (as curvas também foram similar às curvas tipo H, no que diz respeito à construídas utilizando-se o modelo - RESE112). As equivalência elétrica da camada 2, intermediária. camadas 1, 3 e o substrato resistivo têm parâmetros Em termos da resistência transversal, as curvas constantes. A camada 2 tem resistividade r2 constante, tipo K apresentadas na figura 4.2.29 mostram um igual a 50 ohm.m e espessura h2 variando entre zero e comportamento semelhante. Aqui, o Princípio da 100 metros. Para h2 = 0, a SEV reduz-se a uma curva a 3 camadas, tipo H. Observa-se que, para h2 variando Equivalência é expresso pela relação mostrada abaixo: entre 100 e 50 metros, a segunda camada manifesta- h ⋅ r = h ⋅ r = .......... = h ⋅ r = R = 10000 ohm.m2 se conspícuamente na SEV. Para h2 situada entre 50 e 1 1 2 2 n n 20 metros, essa manifestação torna-se menos clara, Para altos contrastes de resistividade (r /r >20), as chegando a ser extremamente sutil para valores abaixo 2 1 SEVs são absolutamente indiferenciáveis, admitindo, de 20 metros. Quando h2 atinge as vizinhanças de 10 entretanto, uma variação de espessura da camada metros, no exemplo apresentado (curva 3), a segunda resistiva entre 1 e 50 metros. camada não mais se manifesta eletricamente. Neste Chama a atenção, na equivalência elétrica de curvas caso, é possível ajustar perfeitamente uma curva tipo tipo K, o deslocamento para a direita do ramo terminal H à curva 3, como mostrado na figura 4.2.30, uma vez das SEVs, o que não ocorre nas curvas tipo H. Esse que a segunda camada, embora presente fisicamente deslocamento, nas curvas tipo K, deve-se unicamente no corte geoelétrico, está eletricamente suprimida. à diminuição da resistividade da camada resistiva, o que Em curvas tipo Q, QQ, A, AA e AK, o fenômeno ocorre condiciona um significativo aumento da sua condutância. também de forma semelhante. O Princípio da Supressão Tal efeito, entretanto, é pouco provável na prática. Os estabelece formalmente que uma camada elétrica de deslocamentos do ramo terminal das curvas tipo K resistividade intermediária entre as resistividades das são geralmente associados a variações da resistência camadas que a limitam, na capa e na lapa, requer uma transversal do resistivo ou a variações da condutância espessura mínima para se manifestar eletricamente. do recobrimento. A cuidadosa análise comparativa das Essa espessura depende da profundidade em que se SEVs permite discernir as causas desses deslocamentos encontra a camada e dos contrastes de resistividade e corrigi-los quando necessário. entre ela e as camadas limitantes. figura 4.2.29 - Princípio da equivalência em termos da resistência transversal. 233 Cap_4.2_FFI.indd 25 9/12/2008 21:24:24 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos figura 4.2.30 - Princípio da supressão em SEVs tipo QH. Anisotropia elétrica dois parâmetros que são: a resistividade transversal Consideremos uma seqüência geoelétrica (rt ), normal ao plano de estratificação, e a resistividade constituída por um empilhamento de camadas longitudinal (rl), paralela ao plano de estratificação. delgadas, alternadamente resistivas e condutivas. Não é considerada qualquer anisotropia no plano de estratificação, pois esta é muito pequena na maioria Um tal empilhamento ocorre, geralmente, em terrenos dos casos (Bhattacharya, 1968). Se quisermos substituir sedimentares onde haja uma alternância litológica como, eletricamente o empilhamento por uma camada única por exemplo, no caso de xistos, calcários laminados, com espessura igual à soma das espessuras das varvitos ou mesmo formações siltico-argilosas. Em camadas individuais e de modo a manter a resistência situações deste tipo constata-se, via de regra, que transversal e a condutância longitudinal totais do a resistividade verdadeira tomada transversalmente empilhamento, as seguintes condições são requeridas, aos planos de estratificação é maior que aquela de acordo com (4.2.41) e (4.2.42). tomada longitudinalmente. Este fato é naturalmente decorrente dos mecanismos deposicionais que, tanto R = r ∑ h na sedimentação clástica como na química, geram t i (4.2.41)i estruturas predominantemente horizontais e paralelas 1 aos contatos das diferentes litologias(8) C = ∑hi (4.2.42) Este fato caracteriza uma anisotropia elétrica, rl i denominada de pseudo-anisotropia (Maillet, 1947). Apliquemos estas condições, a título de ilustração, a Posteriormente, vários autores chamaram esta um pequeno caso prático. Seja, por exemplo, o seguinte anisotropia de macroanisotropia, para distingui-la corte geoelétrico de duas camadas (Orellana, 1972): bem da microanisotropia, condicionada pela estrutura íntima, molecular, do material. A macroanisotropia surge h1 = 10 m r1 = 20 ohm.m quando entram em jogo grandes volumes de um terreno h2 = 20 m r2 = 50 ohm.m constituído por empilhamentos como o acima descrito, mesmo que as camadas individuais sejam homogêneas A partir dos dados acima se pode calcular: e isotrópicas. Se as camadas do empilhamento se R1 = h1. r1 = 200 ohm.m 2 tornassem infinitamente delgadas e infinitamente repetitivas, R = h . r = 1000 ohm.m2 recairíamos, naturalmente, no caso da microanisotropia. 2 2 2R = R1+R2=1.200 ohm.m 2 e, conseqüentemente: Na prospecção elétrica é prática usual caracterizar eletricamente um meio estratificado pela adoção de rt = R / (h1 + h2) = 1200 / 30 = 40 ohm.m (8) Pelo mesmo motivo, a condutividade hidráulica longitudinal é maior que a transversal. 234 Cap_4.2_FFI.indd 26 9/12/2008 21:24:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Procedendo-se analogamente para as condutâncias, As expressões (4.2.47) e (4.2.48) mostram que uma obteremos: camada única, de espessura λh e resistividade rm, tem as mesmas R e C do empilhamento original. Assim, se C1 = 0,5 mhos desejarmos substituir um empilhamento anisotrópico C2 = 0,4 mhos por uma camada única, homogênea e isotrópica, eletricamente equivalente (mesmas R e C), esta deverá Então, C = C1 + C2 = 0,9 mhos e ter espessura λh e resistividade rm. Se desejarmos r = (h + h ) / C = 30 / 0,9 = 33,3 ohm.m manter a espessura total h, a camada equivalente será l 1 2 homogênea, mas anisotrópica, com coeficiente de A partir das definições de r t e r l, obtêm-se, anisotropia λ. O produto λh foi chamado de pseudo- inicialmente, os dois parâmetros descritos a seguir, espessura por Maillet (1947). As relações acima que são muito importantes na análise do problema demonstradas são de grande importância quando se da anisotropia. O primeiro é o Coeficiente de parte para quantificações de espessuras em terrenos Anisotropia, definido como: anisotrópicos, a partir de sondagens elétricas. λ = rt rl (4.2.43) Perfis de Resistividade Os autores costumam dizer que este coeficiente é maior A técnica do perfil de resistividade ou exploração que um e geralmente menor que dois. Orellana (1972), horizontal ou, ainda, caminhamento elétrico consiste diz, entretanto, que a macroanisotropia pode produzir em efetuar medições de resistividade aparente ao coeficientes λ maiores que aqueles da microanisotropia, longo de um perfil, deslocando-se o quadripolo como podendo chegar a valores entre 4,0 e 7,5 como um todo, a cada nova medição. Como o comprimento constatado, por exemplo, numa alternância de argilas da linha AB permanece sempre constante, este e anidrita no Colorado/USA. Poldini, um dos pioneiros procedimento permite investigar o subsolo lateralmente da escola francesa e um dos primeiros discípulos de a uma profundidade constante. Conrad Schlumberger, já apresentava, em 1947, a tabela Esta técnica é indicada para a pesquisa de 4.2.5, com base em sua vivência de campo. descontinuidades verticais, tais como falhas em regiões O segundo parâmetro é a Resistividade Média, sedimentares e zonas fraturadas em regiões cristalinas. definida como: Para amplos reconhecimentos, o dispositivo de Wenner pode fornecer resultados satisfatórios. Para estudos r = r ⋅ r (4.2.44) mais detalhados, entretanto, como a detecção de zonas m t l fraturadas no cristalino, são recomendados dispositivos De (4.2.43) e (4.2.44) obtém-se: de melhor resolução como o quadripolo Schlumberger. Neste, a medição é realizada de forma idêntica àquela r da sondagem elétrica, sendo obtida, entretanto, apenas r = ml λ (4.2.45) uma resistividade aparente em cada estação do perfil, utilizando-se também a equação (4.2.33). rt = λ ⋅ rm (4.2.46) A profundidade de investigação é extremamente variável, em função dos objetivos do estudo. Pode- Multiplicando-se, agora, (4.2.46) pela espessura se, por exemplo, investigar profundidades da ordem total do empilhamento, h = ∑hi, dividindo-se (4.2.45) de 30 a 50 metros com linhas AB da ordem de 200 pelo mesmo h, e levando-si e em conta (4.2.41) e metros, na pesquisa de zonas fraturadas no cristalino. (4.2.42), obteremos: Mas, pode-se, também, rastrear a configuração do R = λ ⋅h⋅ r embasamento cristalino sob uma cobertura sedimentar m (4.2.47) espessa, com linhas AB da ordem de 4.000 metros, 1 por exemplo. O limite da profundidade de investigação C = λ ⋅h r (4.2.48) é imposto, teoricamente, pelo equipamento utilizado. m Nas pequenas linhas a execução dos perfis é simples e rápida, demandando um máximo de seis ajudantes que conduzem o dispositivo de uma estação a outra λ observação simplesmente arrastando os fios. Nas grandes linhas, não sendo possível o arrasto dos fios, trabalha-se 1,06 Anisotropia fraca com bobinas em que se recolhem os segmentos 1,25 Anisotropia freqüentemente observada AB/2 que vão ficando para trás, e se os estendem à frente para o avanço do perfil. As operações são, aqui, 1,74 Anisotropia forte lentas e complexas e, conseqüentemente, mais caras, 2,35 Anisotropia muito forte, pouco comum demandando, geralmente, uma equipe de 10 ou mais ajudantes. O custo pode, entretanto, ser justificado pela Tabela 4.2.5 - Valores de anisotropia elétrica (adaptado de importância da obtenção da informação e pela sua Poldini, 1947). confiabilidade que, em muitas situações, é satisfatória. 235 Cap_4.2_FFI.indd 27 9/12/2008 21:24:24 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos A resolução do quadripolo pode ser considerada sondagens elétricas Verticais como a largura mínima de uma dada estrutura vertical Na ausência de sondagens elétricas de aferimento e (um dique, por exemplo) que o mesmo pode discernir. No quadripolo Schlumberger, a resolução depende do de outras informações de subsuperfície, devemos nos passo - espaçamento entre as estações de medição - limitar a uma interpretação qualitativa do conjunto de e, fundamentalmente, do comprimento MN, isto é, do SEVs obtido. Nessa interpretação distinguem-se três comprimento da linha de recepção. A resolução será etapas distintas que podem ser chamadas de análise tanto maior quanto menores forem o comprimento MN comparativa das medições, interpretação elétrica e o passo. Passos muito pequenos demandam mais e interpretação geológica. Essas três etapas são tempo de campo e, conseqüentemente, encarecem o discutidas a seguir. estudo. Comprimentos MN muito pequenos, por outro A primeira etapa da interpretação qualitativa, lado, captam diferenças de potencial muito pequenas análise comparativa das medições, envolve as que podem, eventualmente, se aproximar do limiar de seguintes atividades: sensibilidade do equipamento utilizado, acarretando • separação visual das diferentes famílias de curvas baixa precisão das medições. Ao resistivista cabe (ver item Cortes Geoelétricos - figuras 4.2.20 e programar adequadamente essas variáveis, em cada 4.2.21) e análise das relações entre elas. Essa situação específica, visando obter o máximo rendimento análise fornece uma primeira concepção da do estudo, ao menor custo possível. seqüência geoelétrica da área e uma primeira idéia Além dos quadripolos Wenner e Schlumberger, de como variam espacialmente os parâmetros de acima citados, existe uma vasta gama de outros Dar Zarrouk, que são a Resistência Transversal e a dispositivos, enfatizando diferentes propriedades Condutância Longitudinal; e destinadas a atingir mais efetivamente este ou aquele • análise da geologia de superfície e de perfis objetivo. Merecedores de citação são, por exemplo, os dispositivos penta-eletródicos que focalizam o fluxo de poços eventualmente existentes, buscando de corrente na vertical de um dos pólos de injeção de correlacionar a seqüência geoelétrica concebida à corrente, o outro pólo sendo rejeitado ao infinito, o seqüência litológica. que magnifica as anomalias elétricas. Ou, então, um A segunda etapa da interpretação qualitativa, conhecido dispositivo de Lee modificado, com dados interpretação elétr ica, prevê as at iv idades plotados em offset e superposição das medições, seguintes: designado de traîné à repetition pelos franceses. Esse dispositivo permite separar os efeitos devidos • obtenção de cortes geoelétricos para todas as a heterogeneidades superficiais daqueles devidos SEVs, utilizando-se um Modelo de Resolução a heterogeneidades profundas, facilitando, assim, do Problema direto ou um Modelo de Inversão a análise das medições. Do ponto de vista prático, (ver item 4.2.5). Este procedimento leva à eleição entretanto, a informação acrescida geralmente não de uma hipótese de corte geoelétrico padrão compensa as operações de campo mais complexas para a área em estudo, que podemos chamar de e mais lentas. modelo geoelétrico, o qual constitui, em outras Os perf is de resist iv idade discutidos nos palavras, uma hipótese de estratigrafia elétrica da parágrafos acima utilizam um único comprimento de área. Entretanto, em conseqüência do Princípio da linha AB, o que permite obter uma única resistividade equivalência e da pluralidade de soluções que podem aparente para cada estação de medição. Diz-se, fornecer os modelos acima citados, as resistividades assim, que esses perfis são unidimensionais ou verdadeiras do modelo geoelétrico eleito podem ser 1D. Quando se utilizam vários comprimentos de significativamente diferentes daquelas das unidades linha AB, tem-se vários valores de resistividade litológicas presentes. Esta característica é que impede aparente em cada estação de medição, cada um drasticamente qualquer tentativa de quantificação, na deles amostrando uma profundidade diferente. ausência de aferimentos; Esses perfis são ditos 2D e objetivam não apenas • a partir dos pares (h , r ) dos cortes geoelétricos a detecção de descontinuidades verticais, mas, i iobtidos (figura 4.2.24), obtêm-se as resistências também, seus mapeamentos num plano vertical ao transversais das camadas resistivas (equação longo do perfil. O principal objetivo aqui é avaliar 4.2.34) e as condutâncias longitudinais das também o mergulho das descontinuidades e suas camadas condutivas (equação 4.2.36). Em muitas variações em profundidade. situações, é válida a obtenção de valores de resistividade aparente tomados diretamente na Interpretação das Medições elétricas curva de sondagem elétrica e correspondentes a Da mesma forma que nos outros métodos, duas um determinado valor de AB/2 convenientemente alternativas se apresentam na interpretação das escolhido. Tais valores, de grande praticidade, são resistividades aparentes medidas: (1) interpretação de obtenção imediata e podem substituir, dentro de qualitativa; (2) interpretação quantitativa. certos limites, os parâmetros de Dar Zarrouk; e 236 Cap_4.2_FFI.indd 28 9/12/2008 21:24:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • elaboração de mapas e/ou perfis de parâmetros • na obtenção de cortes geoelétricos para as elétricos. São elaborados mapas e/ou perfis de SEVs de aferimento, através de um Modelo de resistência transversal, condutância longitudinal e, Resolução do Problema direto ou um Modelo de às vezes, de razões desses parâmetros. É comum, Inversão, citado no item 4.2.5, deve-se impor, nas também, a elaboração de mapas e/ou perfis de camadas elétricas, as espessuras das unidades resistividade aparente. litológicas que lhes sejam correspondentes, obtidas dos poços aferidos. Em face da anisotropia e Na terceira etapa da interpretação qualitativa, do Princípio da supressão, as resistividades interpretação geológica, busca-se, finalmente, verdadeiras dos cortes geoelétricos, obtidas pelo traduzir qualitativamente, em termos geológicos e/ ajuste de curvas teóricas às curvas de campo, ou hidrogeológicos, as variações dos parâmetros devem ser consideradas como resistividades elétricos cartografados. Os seguintes comentários são verdadeiras de camadas fictícias, homogêneas e pertinentes: isotrópicas, eletricamente equivalentes às camadas • sabendo-se, por exemplo, que as variações reais. Entretanto, a ampla gama de possibilidades da Resistência Transversal e da Condutância da estratigrafia elétrica, na ausência de aferimentos, Longitudinal integram variações de espessura fica agora muito restringida. O modelo geoelétrico, agora, em circunstâncias favoráveis, pode aproximar e variações de resistividade (equações 4.2.34 satisfatoriamente a estratigrafia elétrica real. Essa e 4.2.36), cabe ao intérprete julgar se está em aproximação, naturalmente, será tanto maior quanto presença de uma variação de espessura do maior for o número de SEVs de aferimento e quanto aqüífero, de uma variação de salinidade da água mais distribuídas na área em estudo elas forem; de saturação, de uma variação lateral de fácies, ou de falhamentos. É indiscutível que, neste • na obtenção de cortes geoelétricos para cada julgamento, têm grande peso o conhecimento da SEV ordinária, utilizando-se o mesmo Modelo de teoria do método, o conhecimento da geologia Resolução do Problema direto ou um Modelo de de superfície e de sub-superfície, e a experiência Inversão, deve-se impor nas camadas elétricas as profissional; resistividades verdadeiras do modelo geoelétrico obtido como indicado. Teoricamente, este • em bacias sedimentares é comum a alternância procedimento forneceria as espessuras das litologias de formações predominantemente argilosas e eletricamente diferenciadas nas SEVs. Não se pode, formações predominantemente arenosas. Essas entretanto, esquecer as possibilidades de variações últimas constituem, geralmente, aqüíferos que se laterais imprevistas, de resistividade e de anisotropia, manifestam freqüentemente nas SEVs como horizontes que podem acarretar erros muito significativos. Como elétricos resistivos, caracterizados, portanto, pela sua na maioria dos estudos dificilmente se pode dispor Resistência Transversal. Em um mapa de Resistências de mais de um ou dois aferimentos, os modelos Transversais, altos valores desse parâmetro significam geoelétricos são geralmente muito pontuais, não grandes espessuras e/ou baixo teor argiloso, enquanto prevendo essas variações; que baixos valores traduzem pequenas espessuras • em face dessas dificuldades, considera-se e/ou alto teor argiloso, de acordo com a equação mais sensato ater-se sempre às resistências (4.2.34). Verifica-se, assim, que mapas de Resistência transversais das camadas resistivas (equação Transversal têm enorme poder de diagnóstico 4.2.34) e às condutâncias longitudinais das qualitativo das transmissividades hidráulicas, o camadas condutivas (equação 4.2.36), obtendo- que constitui uma das mais eficazes aplicações da as, como já mencionado, a partir dos pares (h , resistividade na hidrogeologia. iri) dos cortes geoelétricos das SEVs. No que diz respeito à interpretação quantitativa das SEVs, as mesmas três etapas podem ser distinguidas: A terceira etapa da interpretação quantitativa, análise comparativa das medições, interpretação interpretação geológica, é análoga à interpretação elétrica e interpretação geológica. qualitativa, sendo elaborados, como anteriormente, A primeira etapa da interpretação quantitativa, mapas e/ou perfis dos Parâmetros de Dar Zarrouk. Aqui, análise comparativa das medições, segue os entretanto, é possível, a partir desses documentos, tecer mesmos passos da interpretação qualitativa. Aqui, considerações realísticas de ordem quantitativa, tais porém, as sondagens elétricas de aferimento são como espessuras máximas e mínimas, por exemplo. prioritárias na concepção da seqüência geoelétrica Perfis de Resistividade da área, e na correlação dessa seqüência à seqüência litológica. Para simplesmente detectar e mapear o traço A segunda etapa da interpretação quantitativa, de descontinuidades verticais, utilizam-se os perfis interpretação elétrica, segue também os mesmos 1D que são de execução mais simples, podendo, passos da interpretação qualitativa, mas com as portanto, cobrir rapidamente maiores distâncias. Nesse seguintes particularidades: caso, não havendo maior interesse em quantificação, 237 Cap_4.2_FFI.indd 29 9/12/2008 21:24:24 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos predomina sempre a interpretação qualitativa em que A presença de recobrimento sobre os meios de o intérprete vale-se basicamente da análise visual das resistividade r1 e r2, atenua a manifestação dos curvas de resistividade aparente versus distância ao pontos característicos, chegando mesmo a eliminá-la longo dos perfis. no caso de espessuras significativas. No limite, essas Nesta análise, algumas importantes propriedades espessuras sendo muito grandes, a linha AB utilizada das curvas de resistividade devem ser conhecidas para perde a capacidade de detectar a descontinuidade. que se possa identificar e posicionar corretamente as o Que esperar da eletroresistividade estruturas investigadas. Essas propriedades dizem respeito às variações abruptas da resistividade aparente Encerrando essa breve discussão sobre que ocorrem na passagem dos diferentes eletrodos do eletroresistividade, considera-se muito conveniente quadripolo pela descontinuidade que se quer detectar. sintetizar as possibilidades desse método, de uma Essas variações abruptas se manifestam no perfil de forma direta e objetiva que sirva de orientação geral, resistividade sob a forma de picos, denominados de certamente desnecessária aos especialistas, mas pontos característicos. provavelmente muito útil aos demais profissionais A figura 4.2.31 mostra esses pontos característicos das geociências, e sobretudo aos contratantes de para um quadripolo Schlumberger, interceptando serviços e estudos. Essa síntese das possibilidades da uma descontinuidade que separa lateralmente eletroresistividade, focada na interpretação qualitativa, meios de resistividades iguais a 100 e 200 ohm.m. é mostrada na tabela 4.2.6. O ponto onde se indica a letra B, por exemplo, representa o efeito da passagem do eletrodo de Métodos eletromagnéticos corrente B pela descontinuidade. As setas nos pontos característicos apontam para o lado em que se Os métodos eletromagnéticos de campo artificial encontra a descontinuidade. utilizam campos eletromagnéticos de baixa freqüência variantes no tempo, que são gerados no subsolo por indução, tendo como objetivo determinar os parâmetros eletromagnéticos das rochas. Nessa situação, existe uma forte analogia entre o trio transmissor, receptor, condutor enterrado e um trio de circuitos elétricos acoplados pela indução eletromagnética. Generalizadamente, um acoplamento indutivo é usado e, invariavelmente, o detector recebe esse sinal por indução (Telford et al., 1976). As quantidades medidas variam. Podem ser módulo e fase ou as partes em fase e em quadratura; diferença de potencial elétrico entre dois eletrodos ou diferença de potencial causada por fluxos magnéticos em bobinas; ou o gradiente da diminuição da intensidade de um campo magnético com o tempo. Em alguns figura 4.2.31 - Pontos característicos em perfil Schlumberger casos, medem-se os valores característicos da elipse (adaptado de Orellana, 1972). de polarização do campo magnético. INfoRMAÇÕes QUALITATIVAs IMPoRTANTes TéCNICA NÃo INfoRMA QUAse seMPRe eVeNTUALMeNTe Separa formações arenosas de Volumes armazenados formações argilosas Presença de água Vazões SEV Variações de espessura Profundidade do nível estático Teores salinos Transmissividades. Qualidade da água Litologia Feições do embasamento Falhas no sedimento Presença de água Zonas fraturadas no cristalino Perfis Qualidade da Água Profundidade do nível estático Separa água doce de água salgada Idem informações acima Generaliza informações das SEVs Tabela 4.2.6 - O que esperar da eletroresistividade. 238 Cap_4.2_FFI.indd 30 9/12/2008 21:24:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Para aplicações em hidrogeologia, além do VLf de mudança do fluxo magnético. A equação (4.2.50) - Very Low Frenquency, que utiliza fontes indutoras é a lei de Ampére e estabelece que todo fluxo de distantes, destacam-se dois tipos principais: o corrente elétrica produz um campo magnético em eletromagnético no domínio da freqüência, torno de si próprio e esse campo é proporcional que efetua medidas em um ou mais valores de ao total da corrente (condução+deslocamento). A freqüência, e o eletromagnético no domínio do equação (4.2.51) estabelece simplesmente que pólos Tempo (transiente), que faz medidas da diminuição magnéticos individuais não existem. A equação (4.2.52) da intensidade do sinal com o tempo. Destaca-se, é a lei de Coulomb e estabelece que as linhas de também, o Radar de Penetração no solo (GPR força de um campo elétrico começam e terminam em - Ground Penetrating Radar), para investigações cargas elétricas. As outras três relações conectando rasas de alta resolução e que emprega freqüências os campos vetoriais são: muito altas. D = εE (4.2.53) Teoria eletromagnética As propriedades elétricas e magnéticas dos B = mH (4.2.54) materiais são conhecidas desde a antiguidade, porém, as leis que vinculam essas propriedades J = sE (4.2.55) foram descobertas e formuladas separadamente por Ampére e Faraday no século XIX. Um campo onde, ε é a capacidade dielétrica, m a permeabilidade eletromagnético pode ser descrito por quatro magnética e s a condutividade elétrica. campos vetoriais. Os seus nomes, juntamente com as unidades SI são os seguintes (adaptado de Usando essas relações, é possível reduzir as Sharma, 1986): equações de Maxwell para apenas dois vetores, e e H. Assumindo para ambos uma dependência do tempo na E = intensidade do campo elétrico (V/m) forma H(t)=H eiwto , onde w=2pf é a freqüência angular H = intensidade do campo magnético (A/m) do campo. As equações vetoriais para e e H assumem as seguintes expressões: B = indução magnética, ou densidade de fluxo (Wb/m2 ou Tesla) ∇2H = iωmsH-εmω2H (4.2.56) D = deslocamento elétrico (C/m2). Esses campos vetoriais estão relacionados com ∇2E = iωmsE-εmω2E (4.2.57) suas fontes, considerando a distribuição da densidade de carga elétrica ñc (C/m 3) e a densidade de corrente J Essas são as equações básicas para a propagação (A/m2), pelas quatro equações de Maxwell: dos vetores campo magnético e campo elétrico em um meio isotrópico e homogêneo com as propriedades ∂B ∇ × E = − (4.2.49) físicas ε, m e s. ∂t ∂D eletromagnético no domínio da freqüência ∇ × H = J + (4.2.50) ∂t O método de indução eletromagnética no domínio da freqüência mede um campo magnético secundário ∇ • B = 0 (4.2.51) que é induzido em condutores elétricos no subsolo por uma fonte primária de energia eletromagnética. A fonte primária emite um sinal em uma freqüência periódica ∇ • D = r c (4.2.52) constante e o receptor geralmente mede as partes em-fase e em-quadratura (fora de fase) do campo onde, ∇xE e ∇xH são operações vetoriais, sendo secundário em relação ao primário (figura 4.2.32). o operador gradiente ∇ = i(∂/∂x) + j(∂/∂y) + k(∂/∂z), equipamentos, Aquisição e Processamento dos em coordenadas retangulares e i, j e k são vetores dados unitários ortogonais. ∇ • B e ∇ • D são os divergentes da densidade do fluxo magnético e da densidade do Os equipamentos são constituídos de uma bobina fluxo elétrico, respectivamente. transmissora, uma bobina receptora, um módulo de energia e um módulo de controle. O método consiste em A equação (4.2.49) é a Lei de Faraday e estabelece produzir um campo magnético primário associado com que na região de um campo magnético que varia uma corrente elétrica aplicada na bobina transmissora. com o tempo, existe um campo elétrico de tal forma Esse campo magnético induzirá correntes elétricas que o total de forças eletromagnéticas geradas em no condutor, que, em conseqüência, produzirá um um circuito fechado é proporcional à taxa negativa campo magnético secundário, que diferirá em direção, 239 Cap_4.2_FFI.indd 31 9/12/2008 21:24:24 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos superfície, enquanto que a configuração horizontal (dipolo vertical) é mais sensível à profundidade de 40% do espaçamento entre as bobinas. A vantagem do Geonics EM34 é a possibilidade de operar em baixo número de indução (low induction number). Segundo McNeill (1980), isso significa que mudando a freqüência, proporcionalmente muda a resposta da parte em quadratura (fora de fase), sendo possível determinar a variação da condutividade elétrica com a profundidade. Nessas condições, todas as respostas são das partes em quadratura (fora de fase), que é linearmente proporcional à condutividade elétrica do solo. Dessa forma, o equipamento pode medir diretamente a condutividade (McNeill ,1980). A profundidade efetiva de investigação em um terreno figura 4.2.32 - Modelo generalizado da indução estratificado é 1,5 da abertura para as bobinas na eletromagnética em um condutor elétrico no subsolo. TX configuração horizontal e 0,75 da abertura para as é a bobina transmissora e RX é a bobina receptora. Nesse bobinas na configuração vertical (McNeill, 1987). arranjo mede-se o dipolo vertical com bobinas horizontais O Apex MaxMin foi desenvolvido para operar em um (adaptado de Steensma & Kellet, 2000). arranjo fixo de bobinas na posição horizontal, porém, com a freqüência variando de 222 a 3.565 Hz. A variação intensidade e fase do campo primário. A bobina da freqüência muda a profundidade de investigação. receptora medirá as amplitudes das componentes em Como ele não opera em baixo número de indução, é fase e em quadratura do campo magnético primário necessário interpretar os dados obtidos através da gerado pelo transmissor e do campo magnético aplicação de modelos ou métodos de inversão para secundário produzido pelas correntes elétricas no obter os valores da condutividade elétrica. condutor. A escolha da orientação relativa das bobinas Para a maioria dos equipamentos, os procedimentos e do intervalo de freqüência é importante e depende das de campo são rápidos e podem ser executados por características dos condutores a serem prospectados. duas pessoas. Conseqüentemente, os custos de A configuração de bobinas mais utilizada é a horizontal operação são baixos. O espaçamento entre as leituras, (figura 4.2.33). Também é possível utilizar as bobinas na a freqüência utilizada e a configuração e aberturas posição vertical, em configuração alinhadas em relação das bobinas deverá variar em função das dimensões à direção do perfil de investigação. Quando a bobina e profundidade do alvo de interesse. está na posição horizontal, o dipolo magnético se orienta na posição vertical segundo o seu centro. Pela mesma Interpretação dos dados razão, o dipolo terá orientação horizontal com a bobina na A aplicação do método eletromagnético no domínio posição vertical. Um dipolo magnético é formado pelos da freqüência, além da sua tradicional aplicação na dois pontos opostos de um magneto (pólo positivo e pólo prospecção de minerais metálicos, é também indicada negativo) ao longo do qual as linhas de força magnética para a prospecção de água subterrânea em rochas estão orientadas e concentradas. A configuração cristalinas, ou seja, para a localização de estruturas horizontal é a mais indicada para a investigação de tectônicas frágeis preenchidas com água. condutores verticais, além de ter uma maior capacidade No método com bobinas horizontais (HLEM), de penetração no subsolo. Ela é conhecida como HLEM utilizado pelos sistemas Apex MaxMin e Slingram, (Horizontal Loop EM) ou método Slingram. Quanto maior são medidos valores das razões entre o campo a separação entre as bobinas, maior é a profundidade secundário e o primário (ou a porcentagem) das de investigação e, quanto maior a freqüência, menor partes em-fase e em-quadratura, Nesses sistemas, a é a profundidade de investigação. Os sistemas mais resposta eletromagnética de um condutor tem a ver utilizados são Slingram, Apex MaxMIn e Geonics EM34. com o indutância mútua entre os circuitos elétricos, ou Esses sistemas operam em freqüências que variam entre seja, com a capacidade de um circuito induzir forças 200 e 6.000 Hz, com as bobinas separadas em distâncias eletromagnéticas em um outro adjacente. A relação que variam entre 3 e 100 metros. matemática entre os campos primário e secundário O Geonics EM34 é um caso particular desses tipos tem uma dependência da distância entre o receptor de sistemas. Ele opera com as bobinas transmissora e o transmissor, da indutância, da profundidade, e da e receptora nas configurações horizontal e vertical condutividade elétrica da fonte (Telford et al., 1976). espaçadas de 10, 20 e 40 m, com freqüências de A geometria resultante da relação entre os campo 6.400, 1.600 e 400 Hz respectivamente (Geonics,1998). primário (Hp) e o campo secundário (Hs) em um perfil A configuração vertical (dipolo horizontal) é mais de medidas sobre um condutor vertical fino pode ser sensível à influência dos materiais próximos da observada na figura 4.2.33. 240 Cap_4.2_FFI.indd 32 9/12/2008 21:24:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 4.2.33 - Resposta eletromagnética típica sobre um condutor vertical no arranjo de bobinas horizontais (HLEM). Hp é campo magnético primário, Hs o campo magnético secundário, RX o receptor e TX o transmissor (adaptado de McNeill, 1987). De uma maneira generalizada, o perfil apresenta um pico negativo máximo e dois pequenos picos positivos nos flancos, quando o sistema receptor-transmissor está figura 4.2.34 - Perfil eletromagnético Geonics EM34-3 centralizado sobre o condutor. A amplitude e a inclinação indicando a presença de condutores verticais sob um manto dos máximos são indicadores da profundidade do de alteração de rochas cristalinas. A presença do condutor é identificada por um pico positivo no dipolo horizontal e um condutor. As amplitudes máximas aumentam com a pico negativo no dipolo vertical. As medidas foram feitas com condutividade para a componente em fase e diminuem intervalo de 20 m. A escala vertical do modelo geológico para a componente em quadratura. Dessa forma, a não está determinada (CPRM, maio/2002, Fazenda Brito, razão dos máximos em fase em relação aos máximos Irauçuba-CE). em quadratura é um diagnóstico da condutividade elétrica do condutor (Telford et al., 1976). por um campo magnético primário, enquanto elas No sistema Geonics EM34 são medidos valores se espalham e se difundem com a profundidade no da condutividade elétrica aparente. Nesse caso, o subsolo. O desenvolvimento desse tipo de investigação pico negativo é observado no arranjo com bobinas foi uma inovação em relação aos sistemas no domínio horizontais. No arranjo com bobinas verticais ocorre, da freqüência, sobretudo porque as medidas no mas nem sempre, um pico positivo (figura 4.2.34). receptor, sendo realizadas sem a influência do Para essa situação é possível especular algumas campo primário, são menos afetadas pelos fatores hipóteses, tais como, aumento da umidade, variações geométricos e topográficos (Nabighian, 1979). na espessura do manto de alteração, aumento da quantidade de argila ou aumento da salinidade da equipamentos, Aquisição e Processamento dos água. Além das aplicações clássicas desse sistema, dados no estudo de aqüíferos fraturados sob coberturas ou mantos de alteração pouco espessos, ele tem sido As operações no domínio do tempo são realizadas usado nos estudo de intrusões salinas e poluição de por meio de um receptor e um transmissor unidos a um aqüíferos (Monteiro & Costa, 2001). circuito ou uma bobina receptora (receiver loop) e um É importante para o hidrogeólogo perceber circuito transmissor (transmiter loop), respectivamente. claramente as características ambíguas de todo O transmissor emite uma corrente constante que produz levantamento geofísico. Uma assinatura eletromagnética um campo magnético primário (figura 4.2.35). Em típica de um condutor poderá oferecer uma série de seguida, desliga-se a corrente que alimenta o circuito interpretações geológicas, desde uma fratura com transmissor. Satisfazendo a Lei de Faraday, entretanto, água até um corpo de grafita. Os controles geológicos as correntes induzidas no subsolo sustentam por alguns observados na fotografia aérea e no mapeamento instantes o campo primário, além de gerar um campo geológico são indispensáveis e provavelmente magnético secundário. As mudanças com o tempo no fornecerão a palavra final. campo magnético secundário induzem uma voltagem na bobina receptora. Pelo fato da magnitude e da eletromagnético no domínio do Tempo distribuição da intensidade da corrente dependerem da resistividade do solo, a voltagem dá informação sobre O método de indução eletromagnética no domínio a resistividade das rochas. Com o passar do tempo, o do tempo mede o gradiente da diminuição da espalhamento das correntes, para baixo e para longe intensidade de um campo magnético secundário com do circuito transmissor, fornece informações de regiões o tempo, produzido por correntes elétricas geradas cada vez mais profundas (Nabighian, 1979). 241 Cap_4.2_FFI.indd 33 9/12/2008 21:24:25 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos bobina receptora centralizada no interior do circuito transmissor (in-loop). A mais utilizada consiste de uma pequena bobina receptora centralizada (in- loop) em um grande circuito de cabos elétricos de dimensão quadrada (transmiter loop), cujo tamanho lateral varia com os objetivos do trabalho (100, 200, 400 m) (figura 4.2.35). Esse arranjo é deslocado ao longo do perfil de medidas e cada estação, após o processamento, corresponderá a uma curva de sondagem de resistividade aparente. Um conjunto de curvas ao longo de um perfil poderá ser convertido por técnicas de modelagem matemática em uma seção de resistividade elétrica versus profundidade. Interpretação dos dados Nas pesquisas hidrogeológicas, os sistemas no domínio do tempo são indicados para o estudo de aqüíferos porosos em bacias sedimentares (Fontes et al., 1997; Meju et al., 1999). Aplicações nos estudos de rochas cristalinas, utilizando um transmissor de pequena dimensão (small loop), são reportadas por Meju et al. (1997). Os métodos transientes também apresentam uma boa resolução em situações de investigação de poluição de água subterrânea e intrusões salinas. Uma das grandes dificuldades na interpretação da resposta eletromagnética transiente é a grande variação nos valores da condutividade elétrica das rochas. Convencionalmente, os dados de resistividade figura 4.2.35 - Modelo generalizado de um impulso eletro- das sondagens elétricas obtidas nos levantamentos magnético transiente. A configuração é com uma bobina são apresentados em um diagrama de resistividade receptora central. TX é o transmissor e RX é o receptor. As cor- rentes circulares se propagam para longe e em profundidade aparente versus tempo ou freqüência. Os valores com o tempo, enquanto o TX está desligado; assim, o RX mede do gradiente da diminuição da intensidade de um o campo magnético secundário sem interferência do primário campo magnético secundário, com o tempo, podem (adaptado de McNeill, 1987 e Steensma & Kellet, 2000). ser convertidos para resistividade aparente como uma função do tempo, a partir dos quais, um modelo geoelétrico em camadas pode ser interpretado de Os sistemas mais utilizados são o Geonics EM37 maneira semelhante às tradicionais SEVs (McNeill, da série Protem, o australiano SIROTEM e o UTEM 1987). O método tem uma boa capacidade de desenvolvido na Universidade de Toronto por Yves identificar a espessura de camadas condutivas sobre Lamontagne e Gordon West. um embasamento cristalino, porém, enquanto é fácil A dimensão do circuito transmissor (transmiter loop), mapear uma camada condutiva, existem dificuldades os tempos de saturação e corte, a quantidade e o intervalo para mapear camadas resistivas intercaladas ou em das medidas e a intensidade da corrente diferenciam um contato com o embasamento. Por essa razão, ele é sistema de outro. As profundidades de investigação dos sistemas excelente para mapear alvos tal como uma intrusão no domínio do tempo variam de dezenas até milhares salina (Fitterman & Stewart, 1986). Com a aplicação de metros. Os arranjos geralmente são grandes e a da técnica é possível determinar profundidade, execução dos trabalhos exige algum tempo e um grupo espessura e resistividade de aqüíferos localizados em de ajudantes. No entanto, no caso de investigações camadas sedimentares de grandes bacias, no entanto, profundas, leva vantagens significativas, em termos os resultados indicam dificuldades na identificação de custo e de tempo em relação ao tradicional das resistividades das camadas mais superiores em método de sondagem elétrica vertical. A configuração função de ruídos e problemas instrumentais (Fitterman receptor-transmissor varia de acordo com o tipo de & Stewart, 1986). Em relação às sondagens elétricas sistema empregado e com os objetivos da pesquisa. Schlumberger, a principal vantagem é a boa resolução Ela pode ser com circuitos transmissor e receptor lateral em conjunto com a baixa sensibilidade às coincidentes (coincident loops), deslocados (displaced heterogeneidades elétricas superficiais localizadas loops), separados (separated loops) ou com uma (McNeill, 1987). 242 Cap_4.2_FFI.indd 34 9/12/2008 21:24:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Radar de Penetração no solo Na última década, houve um incremento significativo do uso da técnica de Radar de Penetração no Solo (GPR - Ground Penetrating Radar) em aplicações de interesse da hidrogeologia. Apesar de ter algumas limitações importantes, o método tem apresentado resultados significativos, sobretudo nos estudos em formações sedimentares, em poluição ambiental e nos aqüíferos fraturados (Ceia et al., 2001; Castro et al., 2001; Silva et al., 2001). Sua grande vantagem é a capacidade de distinguir estruturas e litologias com um bom grau de resolução, se figura 4.2.36 - Representação esquemática de um levanta- bem que em profundidades rasas. O método tem uma mento de radar de penetração de solo (GPR) pelo método de reflexão simples (adaptado de Annan, 1992). semelhança muito próxima com a sísmica de reflexão e as ferramentas de tratamento de dados e interpretação podem ser as mesmas (Popini, 2001). função da profundidade. A profundidade efetiva de investigação resulta de uma relação complexa entre equipamentos, Aquisição e Processamento dos desempenho do sistema, atenuação e propriedades dados elétricas das rochas (Davis & Annan, 1989). O princípio físico do método está baseado no Interpretação dos dados conceito da constante dielétrica (K), que corresponde à permissividade dielétrica (ε) normalizada pela Os dados brutos de levantamentos com GPR permissividade dielétrica do vácuo e representa requerem uma boa quantidade de processamentos a medida da capacidade de um meio tornar-se antes de poderem ser interpretados. Isso significa polarizado. Ela descreve as propriedades elétricas dos que o usuário necessita de habilidade computacional materiais em altas freqüências (Davis & Annan, 1989). e conhecimentos matemáticos para executar os Baseado nesse princípio, ondas eletromagnéticas procedimentos de edição, análise, correção, filtragem, originadas em um transmissor são propagadas através ajuste e migração dos dados. A interpretação dos da subsuperfície até serem refletidas ou refratadas dados também requer habilidade e experiência. Se em uma interface onde ocorrem mudanças abruptas existem bons controles geológicos, fica mais fácil da velocidade (ou da constante dielétrica). Essas identificar contatos, separar unidades estratigráficas e mudanças podem indicar a presença de estruturas reconhecer estruturas. Caso contrário, a possibilidade ou variação litológica. Na execução dessas tarefas os de cometer enganos aumenta. Por outro lado, como sistemas operam com freqüências no intervalo de 10 a constante dielétrica da água é grande, fica fácil a 1.000 MHz (Davis & Annan, 1989). delimitar o nível freático em uma formação sedimentar Os sistemas mais utilizados são o PulseEkko da ou em um manto de alteração de rochas cristalinas. Sensor Software Inc., fabricado no Canadá, os sistemas Da mesma forma, estruturas preenchidas com água, GSSI (Geophysical Survey Systems Incorporated) tais como, fraturas, falhas e canais preenchidos e GeoRadar, fabricados nos Estados Unidos e o com areia, podem apresentar bons contrastes no sistema Ramac, da Mala-Geoscience, de fabricação radargrama. sueca. As formas de aquisição dependem do tipo de sistema utilizado. Na forma mais tradicional, as antenas o Método VLf (Very Low Frequency) conectadas a um computador são fixadas em suportes de madeira e deslocadas a intervalos constantes sobre Os métodos eletromagnéticos pertencem à o alvo da pesquisa. A intensidade da freqüência do grande categoria de métodos de campos variáveis, conjunto de antenas, a parametrização e o método isto é, utilizam corrente alternada. A utilização de de levantamento são escolhidos em função do tipo de correntes alternadas oferece grandes possibilidades alvo que se quer investigar. à prospecção geoelétrica, particularmente no que diz A técnica de levantamento mais utilizada é a respeito ao seguinte: reflexão simples, que consiste em transportar duas antenas (transmissora e receptora) separadas por uma • é possível aplicar a corrente ao solo por indução, distância fixa ao longo do perfil (figura 4.2.36). Como em eliminando a necessidade dos procedimentos todo levantamento geofísico, é importante ter um bom galvânicos (introdução de eletrodos no solo); controle geológico da área de pesquisa e conhecer • é possível efetuar investigações verticais (sondagens antecipadamente possíveis fontes de ruído de origem eletromagnéticas - SEM), variando apenas a antrópica . O resultado do levantamento é apresentado freqüência, sem necessidade de ampliar as na forma de radargramas, que correspondem ao dimensões do dispositivo de medição, como no empilhamento dos perfis de tempo de trânsito em caso das SEVs; 243 Cap_4.2_FFI.indd 35 9/12/2008 21:24:25 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos • além do campo elétrico, mede-se também o campo magnético, o que torna a informação obtida mais rica; Como contrapartida às maiores possibilidades acima indicadas, destacam-se as seguintes desvantagens dos métodos eletromagnéticos: • maior complexidade e, conseqüentemente, maior custo do equipamento requerido; • maior complexidade da teoria; e • menor profundidade de investigação. Uma das variantes dos métodos eletromagnéticos figura 4.2.37 - Princípio do método VLF (adaptado de Philips que vem se destacando recentemente nas pesquisas & Richards, 1975). de zonas fraturadas no cristalino, principalmente na região semi-árida do Brasil, é o VLF (Very Low Frequency). A principal característica do VLF é a utilização de ondas eletromagnéticas de rádio como campo primário indutor. A literatura cita o geólogo alemão Cloos (Orellana, 1973) como o primeiro que teve a idéia de explorar a possibilidade das ondas de rádio na prospecção geológica. Esta idéia lhe teria ocorrido em 1934, durante uma viagem no seu automóvel equipado com rádio, ao correlacionar alterações na qualidade da recepção de uma mesma emissora, com a litologia das zonas percorridas. Durante as décadas de 50 e 60, o método tornou-se operacional, sendo, então, conhecido pela designação de método hertziano. Algumas técnicas específicas ficaram conhecidas como método de rádio comparação, goniometria e radiokip. A designação de VLF é devida a autores bem mais recentes, tendo surgido após significativos refinamentos introduzidos, tanto na parte instrumental como na teoria e nos procedimentos de interpretação. No VLF moderno, o campo eletromagnético primário utilizado é gerado por emissoras militares de grande potência, operando na faixa de 15 a 30 kHz figura 4.2.38 - Princípio do método VLF (adaptado de Philips de freqüência. Na tecnologia de radiotransmissão, & Richards, 1975). essas freqüências são chamadas de freqüências Muito Baixas (Very Low Frequencys) em face máximo, uma vez que são atravessados, normalmente, das freqüências, pelo menos dez vezes maiores, pelo vetor campo eletromagnético primário. Nessas comumente usadas pelas estações comerciais condições, o campo primário induzirá, no interior do ordinárias. Freqüências elevadas não permitem uma condutor, a circulação de uma corrente elétrica a qual, penetração satisfatória das ondas eletromagnéticas por sua vez, criará um novo campo eletromagnético no solo, não sendo, portanto, utilizáveis. A figura designado de campo secundário, que difere do 4.2.37 mostra esquematicamente o princípio básico campo primário em direção, intensidade e fase. Este do método. A antena vertical das emissoras VLF campo secundário se somará vetorialmente ao campo emite uma onda eletromagnética que se propaga primário, dando origem a um campo resultante. horizontalmente, gerando o campo primário, tal como Assim, o vetor campo eletromagnético total, que era mostrado na figura 4.2.38. horizontal longe do corpo condutivo (fratura), sofrerá Numa pequena área, a uma grande distância da uma inclinação nas vizinhanças deste último, por antena, um eventual corpo condutor será, portanto, influência do campo secundário. A “montante” do vetor submetido a um campo magnético horizontal campo eletromagnético a inclinação é positiva, isto é, homogêneo. Condutores verticais, tais como c1 na para cima em relação à horizontal. Para o lado oposto, figura 4.2.38 (uma fratura com água, por exemplo), cuja isto é, na direção do vetor campo eletromagnético direção é paralela à direção de propagação das ondas primário, a inclinação é negativa. Este comportamento de rádio, serão permeados por um fluxo magnético é mostrado na figura 4.2.39. 244 Cap_4.2_FFI.indd 36 9/12/2008 21:24:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 4.2.39 - Inclinação do campo total. Em condutores verticais tais como c2, na figura 4.2.38, dispostos perpendicularmente à direção de propagação das ondas eletromagnéticas irradiadas a partir da emissora, devido a relações geométricas, não surgirão correntes elétricas induzidas nem, conseqüentemente, campo secundário. Assim, não haverá anomalias de inclinação do campo total o qual permanece horizontal e igual ao campo primário. figura 4.2.40 - Componentes do vetor campo resultante. Do acima exposto, conclui-se que só as fraturas paralelas à direção de propagação das ondas de rádio podem ser detectadas pelo VLF. Considerando, a execução de um perfil VLF é extremamente rápida, entretanto, o grande número de estações de baixa em 40 minutos é possível percorrer 1 km, ao passo freqüência existentes e sua distribuição na superfície que, a exemplo da eletroresistividade, 1 km de perfil do globo, é sempre possível selecionar uma fonte consome quase um dia todo de trabalho, dependendo emissora que seja adequada à situação local. do espaçamento das estações de medições. O Uma outra maneira de avaliar a anomalia devida processamento das informações também é rápido, a um corpo condutivo, é medir a intensidade do o próprio equipamento, em sua tela de cristal líquido, campo resultante, expressando-a sob a forma de um fornece uma idéia das anomalias encontradas ao longo percentual do campo primário. É procedimento habitual do perfil, porém, o recomendado é ter um notebook, a medição das duas componentes temporais do vetor para o qual são transferidos todos os dados e a análise campo resultante, ou seja, a componente em fase com é feita de forma mais refinada. Apesar da simplicidade o campo primário (também chamada de componente de manuseio do equipamento, o método requer uma real) e a componente exibindo uma diferença de série de cuidados essenciais, descritos a seguir, que fase de p/2 radianos em relação ao campo primário devem ser observados, para que os resultados obtidos (também chamada de componente imaginária). A não sejam apenas ruídos, ou sinais, que nada têm a figura 4.2.40 ilustra este procedimento. ver com as condições geológicas locais. Os dados de campo podem, neste caso, ser apresentados sob a forma de perfis constituídos o Posicionamento do Perfil - como mostrado de duas curvas, sendo uma delas a variação da na teoria, os corpos tabulares a serem investigados componente real e sendo a outra a variação da devem estar alinhados com a estação emissora, componente imaginária. A razão entre as duas caso contrário nenhuma anomalia será detectada. É componentes, incluindo os respectivos sinais, é admitida uma variação de 20º, para um lado ou para importante na interpretação, fornecendo informações outro. Na prática, a determinação correta da posição sobre a natureza e espessura do recobrimento, bem do perfil é feita posicionado-se na direção que se como sobre alguns atributos da fratura detectada. pretende realizar o caminhamento e se faz a sintonia da estação VLF mais adequada. Uma vez sintonizada Aquisição dos dados a estação, gira-se lentamente 90º, é indiferente se no sentido horário ou anti-horário. Completado o Uma das características do método VLF é a giro, a intensidade do sinal tem que ser mínima. facilidade e praticidade da sua utilização. Uma única Demetrio (2002) analisou possíveis variações de pessoa é capaz de operar o equipamento e realizar o posicionamento quando não se consegue realizar um perfil (figura 4.2.41). Comparada a outros métodos, perfil na direção indicada pela intensidade do sinal. 245 Cap_4.2_FFI.indd 37 9/12/2008 21:24:25 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos As cercas de arame também podem interferir nos resultados. Uma cerca que cruza perpendicularmente um perfil VLF, com apenas dois fios de arame, interfere nos resultados do perfil. Com relação a cercas dispostas paralelamente à direção do perfil, não foi percebida qualquer influência, mas, por precaução, é recomendado um afastamento de pelo menos 5 metros, entre o perfil e a cerca. Portanto, deve-se evitar a realização de perfis VLF que cruzem cercas de arame e fios elétricos. Repetição do Perfil - como o método é rápido, é fortemente recomendado repetir o perfil, para se ter absoluta certeza de que as medições foram feitas de forma correta. O perfil de repetição deve ser feito no sentido oposto ao do perfil inicial. A comparação dos dois perfis deve ter diferenças mínimas. Interpretação Os equipamentos VLF, em geral, medem a razão entre as intensidades dos campos horizontais e verticais em relação ao campo primário, na superfície do terreno. Essa relação é, então, expressa em percentagem, sendo, portanto, os gráficos do tipo % versus distância. figura 4.2.41 - Utilização do VLF no campo. Há duas maneiras de analisar um perfil VLF, utilizando os dados obtidos diretamente do equipamento sem tratamento ou após uma filtragem. A vantagem de Intensidade do sinal Primário no Local da filtrar os dados é que o perfil fica mais fácil de ser Investigação - outra observação importante, que o interpretado, por isso, praticamente só se trabalha com operador deve fazer, no momento da realização dos perfis os dados filtrados. Dois filtros são bastante utilizados, VLF, é a intensidade do sinal do campo primário, que não o filtro Fraser (1969) e o Karous & Hjelt (1983), sendo deve ser inferior a 10 e superior a 50. Tanto a intensidade este último mais utilizado na atualidade, pois, além de do sinal quanto o posicionamento do perfil devem ser facilitar a análise da curva, permite elaborar pseudo- conferidos algumas vezes ao longo do perfil. seção vertical de densidade de corrente, indicando as Cercas e Rede de energia - toda rede de energia zonas mais condutivas do subsolo. interfere no perfil VLF. As redes monofásicas interferem Na figura 4.2.43, é apresentada uma comparação menos do que as trifásicas, mas ambas interferem. entre os resultados de um perfil VLF utilizando o A figura 4.2.42. mostra um perfil VLF, que cruzou filtro Karous & Hjelt e o mesmo perfil com os dados perpendicularmente uma rede de energia elétrica. brutos sem filtragem. O filtro aplicado utiliza como Percebe-se que entre as estações 110 e 210 m, as princípio a determinação da densidade de corrente informações obtidas refletem apenas os efeitos da equivalente que produziria resultados idênticos aos indução da corrente elétrica da linha de transmissão. obtidos em campo. figura 4.2.42 - Efeito de linha de energia em um perfil VLF. 246 Cap_4.2_FFI.indd 38 9/12/2008 21:24:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 4.2.43 - Comparação de perfis VLF com os dados filtrados (filtro Karous & Hjelt) e dados brutos. Na prática, a aplicação do filtro Karous & Hjelt é feita altura, nos terrenos cristalinos, e 2 a 4 km de espaçamento de forma bastante simples. Na verdade, não passa de e 300 metros de altura, nos terrenos sedimentares, uma média ponderada onde um valor filtrado é calculado indicando os seus objetivos de reconhecimento (CPRM, com a seguinte expressão: 1994). Levantamentos de eletromagnetometria aérea F = – 0 ,102H + 0,059H – 0,561H têm sido executados há muitas décadas por empresas 0 -3 -2 -1 mineradoras e são restritos a regiões geológicas com + 0,561H1 – 0,059H2 + 0,102H3 uma clara vocação para minerais metálicos. sendo, f o valor filtrado e H até H os dados brutos As referências ao uso de levantamentos de 0 -3 3 do equipamento VLF. magnetometria e eletromagnetometria aérea em trabalhos de hidrogeologia não são muito freqüentes. Na comparação dos dois gráficos da figura 4.2.43 Na maioria dos casos de que se tem conhecimento, ,a anomalia no gráfico dos dados brutos é quando esse uso teve objetivos secundários. Por outro lado, a componente real cruza a linha do zero, enquanto merecem atenção dos hidrogeólogos os benefícios que que no gráfico dos dados filtrados apresenta-se na os levantamentos existentes podem fornecer, tais como forma de um pico, ficando bem mais evidente a sua a identificação de alinhamentos e estruturas tectônicas ocorrência. Outra vantagem do filtro é que é possível regionais, em levantamentos de magnetometria, elaborar pseudo-secções verticais. e de alinhamentos eletricamente condutivos, em Finalizando, vale ressaltar que o método VFL eletromagnetometria aérea. Recentemente, um não dispensa as atividades complementares de convênio de cooperação Brasil-Canadá realizou fotogeologia e geologia de campo. levantamentos conjuntos de magnetometria e eletromagnetometria aérea de detalhe em três áreas de 4.2.4 Levantamentos Aerogeofísicos testes para o estudo de aqüíferos fraturados na região Nordeste (LASA S.A., 2001). Os resultados desses Os levantamentos aerogeofísicos tiveram um grande levantamentos ainda estão sendo avaliados. impulso no Brasil nos anos 70. Eles ocorreram pela necessidade de reconhecimento de um território muito Planejamento e Aquisição grande e pela demanda de recursos minerais que as altas taxas de crescimento da economia requeriam na época. Os conceitos e métodos de levantamento são Nas regiões de terrenos cristalinos, os maiores alvos os mesmo descritos nos itens Magnetometria, foram os minerais metálicos e os minerais radioativos, Eletromagnético no Domínio da Freqüência e e nas áreas sedimentares, o alvo foi o petróleo. Os Eletromagnético no Domínio do Tempo. métodos mais empregados foram a magnetometria No entanto, na geofísica aérea, a complexidade e a aérea e a gama-espectrometria aérea. Os parâmetros tecnologia de amostragem, de registro, de controle e de de levantamento mais usados foram 1 a 2 km de monitoramento são muito maiores, sendo fundamental a espaçamento entre as linhas de vôo e 150 metros de escolha do tipo de plataforma, se asa fixa (avião) ou asa 247 Cap_4.2_FFI.indd 39 9/12/2008 21:24:26 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos móvel (helicóptero). A parametrização do levantamento Os s is temas aerogeof ís icos d isponíve is é uma etapa fundamental que implica a escolha da c o m e r c i a l m e n t e p a r a l e v a n t a m e n t o s d e direção, espaçamento das linhas e altura do vôo. Nessa eletromagnetometria aérea são, segundo MacNae & fase de planejamento, os objetivos do levantamento e Raiche (2002): as dimensões do alvo são informações imprescindíveis. • helicóptero (domínio do tempo): Hoistem, Them, Outro aspecto importante é o posicionamento Explorhem, Flairtem, Aerotem; horizontal e vertical, atualmente muito facilitado pelo uso do sistema de posicionamento global (GPS). • helicóptero (domínio da freqüência): Dighem, Os levantamentos são executados em linhas de Hummingbird, UTS, Aerodat, High Sense; vôo preferencialmente orientadas transversalmente à • avião (domínio do tempo): Geotem, Magatem, direção das estruturas que constituem alvos geológicos. Questem, Tempest, Spectrem; Linhas de controle são levantadas em posição ortogonal • avião (domínio da freqüência): GSF-99, GSF-95, às linhas de produção. Elas servem para correções e Midas 750, Tridem. ajustes, evitando desnivelamentos. Essas linhas são executadas com espaçamentos que variam de 5 a 10 Redução e Apresentação dos dados vezes os espaçamentos das linhas de produção. Os equipamentos de aquisição de magnetometria Nos levantamentos de magnetometria aérea, aérea consistem de um magnetômetro transportado mede-se a componente total do campo magnético da pela aeronave, um magnetômetro fixo na base, Terra. Para a apresentação e interpretação dos dados, para monitorar as variações temporais do campo é importante a retirada do campo geomagnético de geomagnético, e o sistema de registros. O magnetômetro referência (IGRF - International Geomagnetic Reference é transportado a uma distância segura da aeronave, Field). Só assim é possível a geração do campo para evitar o efeito da carcaça metálica desta última nas magnético anômalo residual. medições. Os levantamentos de eletromagnetometria Nos levantamentos de eletromagnetometria aérea aérea exigem sistemas mais complexos, que incluem no domínio da freqüência, mede-se a intensidade o reboque, pela aeronave, do sistema de bobinas ou a fase do campo eletromagnético secundário. transmissoras e receptoras. A figura 4.2.44 apresenta No domínio do tempo, mede-se a diminuição com esquematicamente um sistema de aquisição por o tempo, do gradiente da intensidade de um campo helicóptero no domínio da freqüência (HEM). magnético secundário. Esses levantamentos são acompanhados de uma série de procedimentos que incluem o controle da amostragem, ensaios e testes de consistência, remoção da deriva instrumental, remoção dos ruídos produzidos por flutuações atmosféricas naturais do campo eletromagnético com freqüências entre 1 e 105 Hz, relacionados com relâmpagos, e remoção de ruídos artificiais (Valleau, 2000). Após a redução, os dados são, inicialmente, interpolados para a sua apresentação espacial, em um processo em que se determina o valor de uma função em um ponto interno de um intervalo, a partir dos valores dessa função nas fronteiras desse intervalo. Esse procedimento é executado com o objetivo de transformar dados discretos em um mapa de registro contínuo, mais adequado à interpretação. Após a interpolação, os dados são filtrados com o objetivo de manter as componentes com significado geológico e eliminar os ruídos espúrios, tais como alinhamentos segundo as linhas de vôo, relacionados com a distribuição dos erros de interseção entre perfis de produção e de controle. São também eliminados os ruídos de alta freqüência. Ao final dessa etapa, os dados estarão prontos para serem interpretados e apresentados em mapas na escala compatível com o levantamento. Nas figuras 4.2.45 e 4.2.46, são apresentados dois figura 4.2.44 - Esquema simplificado de levantamento exemplos de produtos referentes a levantamentos eletromagnético no domínio da freqüência com helicóptero aerogeofísicos realizados pelo Serviço Geológico (adaptado de Steensma & Kellet, 2000). do Brasil. 248 Cap_4.2_FFI.indd 40 9/12/2008 21:24:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 4.2.45 - Detalhe do mapa de condutividade elétrica aparente sombreada da área piloto de Juá, Irauçuba- CE, apresentando eixos condutivos N-S. O levantamento eletromagnético foi realizado com helicóptero no domínio da freqüência, em linhas espaçadas de 100 m e sensor a 30 m do solo. A condutividade foi calculada a partir da freqüência de 4.500 Hz (LASA S.A., 2001). figura 4.2.46 - Detalhe do mapa de magnetometria aérea sombreada do Projeto Aerogeofísico Baixo São Francisco na região oeste do Estado de Alagoas. O levantamento foi realizado com avião, em linhas espaçadas de 2 km e sensor a 150 m do solo (ENCAL S.A; DNPM; CPRM, 1978). Observa-se um proeminente alinhamento NE-SW, relacionado com uma zona de fratura da crosta, produzida pela intrusão de diques básicos mesozóicos. Os dados originais foram reprocessados pela CPRM em maio/2002. 249 Cap_4.2_FFI.indd 41 9/12/2008 21:24:32 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos 4.2.5 Quantificação em Geofísica Na f igura 4.2.47, procura-se enfat izar as características essenciais do Problema direto e A bem da clareza dos conceitos que serão aqui da Inversão, que devem ser levadas em conta na discutidos, torna-se importante elucidar melhor o utilização dos respectivos modelos nos procedimentos significado do termo modelo, em geofísica, o qual de interpretação. Foi ut i l izado o método de é utilizado pelos especialistas em duas acepções eletrorresistividade como exemplo, por se tratar de distintas, a seguir explicitadas. um método muito difundido entre os profissionais de • Hipótese sobre a estrutura e a distribuição água subterrânea. espacial dos parâmetros físicos de um sistema O Problema Direto é unívoco, ou seja, admite geológico natural. O termo é utilizado nessa apenas uma solução. Isso significa dizer que, dado acepção, por exemplo, quando falamos modelo um corte geoelétrico, um modelo de resolução do gravimétrico ou modelo geoelétrico (ao longo problema direto calcula uma e somente uma curva de deste capítulo utilizou-se mais freqüentemente sondagem elétrica, sem ambigüidades. o termo corte geoelétrico). Neste último, para O Problema Inverso, por outro lado, é plurívoco, exemplificar, estamos nos referindo a uma hipótese admite múltiplas soluções. Isso significa dizer que, de estratificação elétrica em que se propõe um certo dada uma curva de sondagem elétrica, um modelo número de camadas elétricas com suas espessuras de inversão gera um corte geoelétrico que constitui e resistividades. uma dentre inúmeras possibilidades de solução. Como a interpretação consiste, em última análise, • Em outra acepção, o termo modelo é comumente em obter um modelo geológico realista a partir das utilizado quando nos referimos a duas categorias medições geofísicas, a ambigüidade que caracteriza distintas de programas de computador, abaixo a inversão constitui, sem dúvida, o grande desafio discriminadas: com que se defrontam os profissionais que utilizam (i) programas capazes de simular teoricamente a esta metodologia. obtenção de medições físicas em presença de uma dada hipótese de estrutura e distribuição espacial dos parâmetros físicos de um sistema geológico natural. Trata-se, em última análise, de se determinar a resposta fornecida por um meio físico conhecido, a um estímulo que lhe seja provocado. Programas dessa categoria são chamados de modelos de resolução do problema direto. O que caracteriza o problema direto portanto, tomando-se a resistividade como exemplo, é a obtenção de uma curva teórica de sondagem elétrica vertical, a partir de um dado corte geoelétrico. Aqui, o estímulo provocado é a imposição de um campo elétrico artificial e a resposta é a SEV; e (ii) programas capazes de gerar uma hipótese de estrutura e distribuição espacial dos parâmetros físicos de um sistema geológico natural, a partir de uma resposta conhecida desse sistema a um dado estímulo. Trata- se, em última análise, de se determinar um modelo físico do subsolo a partir das medições efetuadas sobre o mesmo, o que significa um procedimento inverso em relação ao anterior. Em decorrência dessa característica, programas dessa categoria são chamados de modelos de resolução do problema inverso ou, mais simplesmente, modelos de inversão. O que caracter iza o problema inverso, portanto, tomando-se ainda a resistividade como exemplo, é a obtenção de um corte geoelétrico a partir de uma dada curva teórica de sondagem elétrica vertical. figura 4.2.47 - Problema direto e problema inverso. 250 Cap_4.2_FFI.indd 42 9/12/2008 21:24:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Conceituação Matemática Elementar do verossímil, isto é, um modelo com valores dos Problema Direto parâmetros a e b considerados realistas. A resposta y desse modelo a um estímulo x, é calculada por Admitamos que um determinado modelo geofísico meio de um computador e comparada aos dados de (modelo geoelétrico, modelo gravimétrico etc.) possa campo. Se ela não se ajustar satisfatoriamente a esses ser representado por uma função do tipo mostrado dados, o intérprete modifica convenientemente os abaixo. parâmetros do modelo inicial e faz o computador gerar uma nova resposta, a qual é novamente comparada y = ax + b (4.2.58) aos dados de campo. O processo continua até que No problema direto, os parâmetros a e b são se obtenha uma resposta que o intérprete considere constantes e conhecidos, o que torna possível o satisfatoriamente ajustada a esses dados. O modelo conhecimento da variável dependente y para um geofísico que gerou a resposta satisfatória é, então, determinado x. A tabela 4.2.7 apresenta o significado considerado como uma interpretação compatível dos parâmetros a e b e das variáveis x e y, tomando-se com os dados de campo, dentre inúmeras outras a eletroresistividade como exemplo. interpretações que são possíveis em decorrência dos princípios da Equivalência e da Supressão e Conceituação Matemática Elementar do por efeitos de anisotropia. Fica evidente que algum Problema Inverso conhecimento da geometria do alvo e de algumas das suas propriedades, tais como densidade, Admitamos que um determinado modelo geofísico susceptibilidade magnética, resistividade elétrica (modelo geoelétrico, modelo gravimétrico etc.) possa etc, será fundamental para a obtenção de uma boa ser, mais uma vez, representado pela mesma função modelagem. mostrada na equação (4.2.58). As técnicas de modelagem inversa, por sua vez, No problema inverso, os parâmetros constantes a constituem um tema complexo na análise de dados e b não são conhecidos. Eles constituem, portanto, geofísicos (West & Baley, 1987; Menke, 1989). a incógnita do problema, uma vez que agora y é que Formalmente, é necessário se ter uma idéia da é conhecido para um determinado x. Tomando-se dimensão do conjunto de dados e dos parâmetros mais uma vez a eletroresistividade como exemplo, o do modelo geofísico que se espera como solução. significado dos parâmetros a e b e das variáveis x e y, Se este é simples, de tal forma que o número de é o mesmo mostrado na tabela 4.2.7. parâmetros que o caracteriza é menor que o número de dados, ele é dito sobredeterminado (overdetermined). Procedimentos de Modelagem Utiliza-se, então, um método de melhor ajuste (best fit). Caso contrário, o modelo é dito subdeterminado O que se chama comumente de modelagem, em (underdetermined). Nessa situação, o modelador geofísica, é o ajuste de curvas teóricas às curvas de necessitará decidir qual modelo geofísico deverá campo, visando à obtenção de um modelo geológico ser aceito como solução, dentre um grande número que seja o mais possível realista. A modelagem pode daqueles que satisfazem aos dados (West & Baley, ser realizada com o auxílio de Modelos de Resolução 1987). Novamente aqui, os conhecimentos geológicos do Problema Direto ou de Modelos de Inversão. disponíveis a priori são importantes para a obtenção O procedimento de modelagem pelo método direto de bons resultados. segue um roteiro simples denominado tentativa e erro. Parte-se, inicialmente, de um modelo geofísico (modelo gravimétrico, modelo geoelétrico etc.), considerado Modelos de Inversão - O Papel do Intérprete Parâmetros e Variáveis Significado Uma das premissas básicas para o uso de técnicas de quantificação é o conhecimento dos procedimentos Número de camadas, Parâmetros a e b matemáticos envolvidos no processamento dos dados, espessuras e resistividades. bem como um bom conhecimento da teoria e das Campo elétrico artificial limitações do método utilizado. Variável x imposto. O avanço das técnicas computacionais vem permitindo a criação de programas de inversão cada Distribuição de potenciais vez mais eficientes e automáticos, minimizando elétricos na superfície, gerados pelo campo elétrico consideravelmente a intervenção do intérprete. Variável y imposto e geralmente Atualmente, quase todos os sistemas modernos expressos como resistividades de aquisição de dados geofísicos incluem, em sua aparentes. comercialização, um programa de computador para interpretação quantitativa. Esta facilidade, entretanto, Tabela 4.2.7 - Conceituação matemática do problema direto. deve ser encarada com cautela. Pelo fato de constituírem 251 Cap_4.2_FFI.indd 43 18/12/2008 09:22:51 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos modernos e atraentes instrumentos automáticos de Referências interpretação física das medições, os modelos de inversão podem ter – e freqüentemente isso acontece - ABEM. Simple, state-of-the-art water and mineral sua validade excessivamente extrapolada pelos menos prospecting instrument, Wadi Instruction Manual. avisados. Embora já existam programas que aceitam S.l.]: ed. Bromma; ABEM AB, 1990. 47 p. informações geológicas disponíveis, fazendo diminuir ANGELIM, L. A. A. Programa Levantamentos a ambigüidade dos resultados, deve ser enfatizado que Geológicos Básicos do Brasil: carta geológica/ seu maior mérito reside sempre na interpretação física metalogenética previsional, (Folha SC.24-V-A-III das medições. Uma vez obtida essa interpretação, sua Santa Filomena), Estados de Pernambuco e do Piauí. tradução em termos geológicos realistas transcende de Brasília: DNPM; CPRM, 1988. 146 p., il., 2 mapas, muito a frieza e a impessoalidade dos procedimentos Escala 1:100.000. automáticos digitais, requerendo, forçosamente, a decisiva intervenção do intérprete. ANNAN, A. P. Ground penetrating radar workshop Em hidrogeologia, os programas de inversão notes. Mississauaga: Sensors & Software Inc., 1992. mais conhecidos são aqueles para interpretação de ASTIER, J. L.; PATERSON, N. R. Hydrogeologi- sondagens elétricas. São, geralmente, fáceis de usar cal interest of aeromagnetic maps in crystalline e a implementação da técnica pode ser compreendida and metamorphic areas. In: EXPLORATION ’87 sem muita dificuldade. Além disso, são obtidos a baixo PROCEEDINGS: Applications of Geophysics and custo ou mesmo gratuitamente com pesquisadores Geochemistry. Ontario: Geological Survey, 1987. de universidades. Comercialmente, um dos mais special volume. [Canadá], 1987. v. 3, p. 732-745. conhecidos no Brasil é o RESIX-IP da INTERPEX. BHATTACHARYA, P. K; PATRA, H. P. direct Current Geo- Mais complicadas são as técnicas de modelagem de electric sounding. Amsterdam: Elsevier, 1968. 135 p. dados de pseudo-seções de resistividade elétrica. Comercialmente, os programas mais conhecidos BRUHAT, G. électricité. 8. ed. Paris: Masson et Cie, no Brasil são o RESIX-2DI da INTERPEX e o RES2DINV. 1967. Eles permitem a inversão de dados 2D de resistividade CASTRO, D. L.; CASTELO BRANCO, R. M. G. Mapea- elétrica, usando uma rotina de elementos finitos (Rijo, mento de pluma contaminante de hidrocarbonetos a 1977) e métodos rápidos de inversão por mínimos partir de seções GPR em um posto de abastecimento quadrados (Loke & Barker, 1995). O resultado são em Fortaleza - Ceará. In: INTERNATIONAL CON- seções quantificadas de resistividades e profundidades, GRESS OF THE BRAZILIAN GEOPHYSICAL SOCIETY, a partir das quais, o intérprete pode construir modelos 7., 2001, Salvador. expanded Abstracts… Salvador, geológicos e inferir possibilidades hidrogeológicas, tais 2001. 1 CD-ROM. GPR: Geophysical Applications como a existência de fraturas com água e de coberturas saturadas. Apesar de permitirem uma implementação CEIA, M.; CARRASQUILLA, A.; TRAVASSOS, J. da técnica com relativa facilidade, é importante ter Levantamentos de GPR em afloramentos turbidíti- bastante cuidado, caso contrário os resultados podem cos da Bacia de Almada - BA. In: INTERNATIONAL ser duvidosos ou extremamente incoerentes. CONGRESS OF THE BRAZILIAN GEOPHYSICAL De um modo geral, a experiência recomenda SOCIETY, 7., 2001, Salvador. expanded abstracts… que os procedimentos de quantificação só devem Salvador, 2001. 1 CD-ROM. GPR: Geophysical Ap- ser executados quando o pesquisador tiver boas plications informações geológicas, conhecer os conceitos COMPAGNIE GÉNÉRALE DE GÉOPHYSIQUE. básicos da técnica aplicada e tiver um bom modelo Abaques de sondage electrique. 2. éd. rev. The de interpretação qualitativa, que permita dar Hague: European Association of Exploration Geo- consistência ao resultado da quantificação. Em physicists, 1963. suma, embora os modelos analíticos automáticos de COMPANHIA DE PESQUISA DE RECURSOS MINE- inversão tenham refinado e otimizado a interpretação RAIS. Catálogo geral de produtos e serviços: física das medições, a passagem desta última para geologia, levantamentos aerogeofísicos: base de a interpretação geológica quantitativa não pode dados AERO. Rio de Janeiro: Diretoria de Geologia e prescindir de procedimentos calcados em fatos Recursos Hídricos, 1994. 136 p. concretos. Com este pensamento em mente, não se pode evitar a tentação de concluir essas linhas COMPANHIA DE PESQUISA DE RECURSOS MINE- repetindo as palavras de Louis Cagniard (1951), RAIS. Projeto Baixo são francisco, levantamento autor de importantes contribuições no campo da aeromagnetométrico e aerogamaespectrométrico: interpretação das sondagens elétricas: “pour ma relatório final. Rio de Janeiro: CPRM; DNPM, 1978. part, je préfere ne recourir qu’à un empirisme sans Texto e Anexos; Convênio: ENCAL S. A.; DNPM; CPRM. grandeur, mais m’appuyer uniquement sur des COMPANHIA DE PESQUISA DE RECURSOS MINE- constatations de fait”. RAIS. Projeto Aerogeofísico Água subterrânea no 252 Cap_4.2_FFI.indd 44 9/12/2008 21:24:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Nordeste do Brasil, Blocos Juá (Ce), samambaia São Raimundo Nonato, Piauí state. In: CONGRES- (Pe) e serrinha (RN): relatório final do levantamento e SO INTERNACIONAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA processamento dos dados magnetométricos e eletro- DE GEOFÍSICA, 5., 1997, São Paulo. expanded magnetométricos e seleção das anomalias eletromag- abstracts... São Paulo: [s.n.], 1997. v. 2, p. 766-769. néticas. Brasília: CPRM, 2001. 3 v., 3 CD-ROM FRASER, D. C. Contouring of VLF-EM data. Geo- DAVIS, J. L.; ANNAN, A. P. Ground penetrating physics, v. 34, n. 6, p. 958-967, 1969. radar for high resolution mapping of soil and rock FRISCHKNECHT, F. C.; KELLER, G. V. electrical stratigraphy. Geophysical Prospecting, v. 37, p. methods in geophysical prospecting. 2. ed. Lon- 531-535, 1989. don: Oxford Pergamon , 1970. 517p. DEMETRIO, J. G. A.; LIRA, H. M. P. Importância do GEONICS. operating instructions. Ontario:[s.n.], posicionamento dos perfis de VLF na pesquisa de 1998. água subterrânea em terrenos cristalino do semi- árido do Brasil. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE KAROUS, M.; HJELT, S. E. Linear filtering of VLF ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 32., 2002, Florianópolis. dip-angle measurements. Geophysical Prospect- Anais… Florianópolis: ABAS, 2002. CD-ROM. ing, v. 31, p. 782-794, 1983. DOBRIN, M.B. Introduction to geophysical pros- KREYSZIG, E. Matemática superior. Rio de Janeiro: pecting. 3. ed. USA: McGraw-Hill Book Company, Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda, 1969. v. 1 1976. 630 p. KUNETZ, G. Principles of direct current resistivity DUPRAT, A.; SIMLER, L.; UNGEMACH, P. Contri- prospecting. Berlim: Gebruder Borntraeger, 1966. bution de la prospection electrique a la recherche 103 p. des caractéristiques hydrodynamiques d’un Milieu LASFARGUES, P. Prospection èlectrique par cou- Aquifère. Terres et eaux, [França], v. 23, n.62, [s.d.]. rants continus. Paris: Masson et Cie., 1957. 290p. FEITOSA, E. C. Cachoeirinha-Pe: caracterização de LIRA, H. M. P. o efeito elétrico das argilas nos zonas fendilhadas no cristalino através do método meios porosos: contribuição ao estudo da cor- geofísico de eletroresistividade. Recife: COMPESA, relação resistência elétrica transversal x transmis- 1996. Relatório Inédito. sividade hidráulica. 2001. Dissertação (Mestrado) _______. Avaliação qualitativa da transmissividade de - Universidade Federal de Pernambuco, Recife, aqüíferos pelo método geofísico de resistividade. In: 2001. SIMPÓSIO DE GEOLOGIA DO NORDESTE, 7., 1975, LOKE, M. H.; BARKER, R. D. Least-square decovo- Fortaleza. Resumos ... Fortaleza: [s.n.], 1975. p. 56. lution of apparent resistivity pseudosection. Geo- _______. Contribuição à interpretação qualitativa physics, [S.l.] v. 60, n. 6, p.1682-1690, 1995. dos diagramas de sondagem elétrica. Recife: LUIZ; J. G.; SILVA, L. M. C. Geofísica de Sudene/DD, 1969. (Série Hidrogeologia, 25). prospecção. 1. ed. Belém: Universidade Federal do _______. Geofísica aplicada à hidrogeologia. Pará; CEJUP, 1995. v. 1 Recife: UFPE/CGT, 1997. Notas de Aula. MACNAE , J.; RAICHE, A. A practical course on _______. Investigação estrutural da porção eletromagnetic for the geophysicist and geologist. ocidental da Bacia Potiguar/RN através de sonda- Belo Horizonte: AMIRA International Limit., 2002. 1 gens elétricas. São Paulo:[s.n.], 1978. IPT: São CD-ROM. Paulo, Relatório Inédito. MCNEILL, J. D. Advances in electromagnetic meth- _______. Transmissividade hidráulica versus resistên- ods for groundwater studies. In: EXPLORATION´87 cia transversal: pesquisa experimental. In: CON- PROCEEDINGS: applications of geophysics and GRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, geochemistry, 1987, Ontario. special volume. 1.,1980, Recife. Resumos... Recife: ABAS, 1980. Ontario, Canada: Geological Survey, 1987. v. 3, p. 678-702. FIGUEIREDO, I. Investigação magnetotelúrica nas serras do sudeste brasileiro (RJ/MG): uma propos- MCNEILL, J. D. eletromangetic terrain conductiv- ta de modelo crustal. 1997. 163 f. Tese (Doutorado) ity measurement at low induction numbers. [S.l.]: - Observatório Nacional-CNPQ, Rio de Janeiro, 1997. GEONICS, 1980. Technical Note TN-6 FITTERMAN, D. V.; STEWART, M. T. Transient electro- MEJU, M. A. et.al. Regional aquifer mapping using magnetic sounding for groundwater. Geophysics, v. VES-TEM-AMT/EMAP methods in the semiarid east- 51, n. 4, p. 995-1005, Apr. 1986. ern margin of Parnaiba Basin, Brazil. Geophysics, v. 64, n. 2, p. 337-356, 1999. FONTES, S. L. et al. Geophysical investigation of major structural controls on groundwater distribution, north of MEJU, M. A. et.al. Geoelectrical and magnetic 253 Cap_4.2_FFI.indd 45 9/12/2008 21:24:32 Capítulo 4.2 - Métodos Geofísicos profiling for fracture-zone aquifers in a crystalline POPINI, V. F. M. Processamento de dados de GPR basement terrain in Piauí state, Northeast Brazil. In: utilizando métodos da sísmica de reflexão. 2001. CONGRESSO INTERNACIONAL DA SOCIEDADE 69 p. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Geociên- BRASILEIRA DE GEOFÍSICA, 5., 1997, São Paulo. cias, Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2001. expanded abstracts... São Paulo: [s.n.], 1997. v. 1, PURCELL, Edward M. Curso de física de Berkeley. p. 441-444. In: eLeTRICIdAde e Magnetismo. São Paulo: Ed. MENKE, W. Geophysical data analysis: discrete Edgard Blücher , 1970. v. 2. inverse theory. [S.l.]: Ed. Academic Press, 1989. RIJKSWATERSTAAT THE NETHERLANDS: Stan- 289 p. dard graphs for resistivity prospecting. Netherlands: MONTEIRO, A. C.; COSTA, R. G. S. Levantamento European Association of Exploration Geophysicists, geofísico no depósito de lixo de Bangu na zona 1969. oeste da cidade do Rio de Janeiro. In: INTERNA- RIJO, L. Modelling of electric and electromagnetic TIONAL CONGRESS OF THE BRAZILIAN GEO- data. 1977. Thesis (PhD) - University of Utah, Michi- PHYSICAL SOCIETY, 7., 2001, Salvador. expanded gan, 1977. abstracts… Salvador: SBGf, 2001. 1 CD-ROM. Environmental Geophysics. SÁ, N. C.; BLITZKOW D. Uma tentativa de homoge- neizar os dados gravimétricos existentes no Brasil. NABIGHIAN, M. N. Quasi-static transient response of Revista Brasileira de Geofísica, v. 4, p. 73-77, a conducting half-space: an approximate representa- 1986. tion. Geophysics, v. 44, p. 1700-1705, 1979. SCHLUMBERGER WELL SURVEYING CORPORATION. NETTLETON, L. L. elementary gravity and mag- Introduction to schlumberger Well Logging. USA: netics for geologists and seismologists.Tulsa: [s.n.], 1962. (Schlumberger Document Number 8) Society of Exploration Geophysicists, 1973. 121 p. (Monograph Series, 1) SHARMA, P. V. Geophysical methods in geology. 2. ed. New York: Elsevier Science Publishing, 1986. OLIVEIRA, R. G. Levantamento gravimétrico da área 442 p. sedimentar da região metropolitana do Recife: Projeto SINGRE. Recife: CPRM ; FIDEM, 1994. 38 p. SILVA, C. C. N. Imageamento com GPR de fraturas (Série Cartografia Temática, 2) em aqüíferos fissurais: o caso de Equador/RN. In: INTERNATIONAL CONGRESS OF THE BRAZILIAN ORELLANA, E. Prospección geoelectrica en cor- GEOPHYSICAL SOCIETY, 7., 2001, Salvador. ex- riente continua. Madrid: Paraninfo, 1972. 523 p. panded abstracts…. Salvador: [s.n.], 2001. 1 CD- _______. Propiedades de medios estratificados apli- ROM. GPR: Geophysical Applications cadas a la prospección geoelectrica: primera parte. STEENSMA, G.; KELLETT, R. short course: ap- Revista de Geofísica, Madrid, n. 94, 1965. plications of geophysics in groundwater studies. _______. Propiedades de medios estratificados apli- Natal: Komex International ; Geological Survey of cadas a la prospección geoelectrica: segunda Parte. Canada, 2000. Revista de Geofísica, Madrid, n. 95, 1965. TELFORD, W. M. et al. Applied geophysics. Cam- ORELLANA, E.; MOONEY, H. M. Master tables and bridge: Ed. Cambridge Un. Press, 1976. 860 p. curves for vertical electrical sounding over layered VALLEAU, N. C. HEM. Data processing: a practical structures. Madrid: Interciência, 1966. overview. exploration Geophysics, v. 31, p. 584-594, PATNODE, H. W.; WYLLIE, M. R. J. The Presence 2000. of conductive solids in reservoir rocks as a factor in VAN NOSTRAND, R. G.; COOK, K. L. Interpretation electric log interpretation. Petroleum transactions, of resistivity data. U. s. Geological survey Profes- USA, v. 189, 1950. sional Paper, Washington, n. 499, 1966. PATTEN, E. P.; BENNETT, G. D. Application of elec- VITORELLO, I.; PADILHA, A. L. Perfis de resistivi- trical and radioactive well logging to ground-water dade AMT: contribuição ao conhecimento estrutural hydrology. U. s. Geological survey. Water supply da borda sudeste da Bacia do Parnaíba. Revista Paper, Washington, n. 1544-D, 1963. Brasileira de Geociências, São Paulo, v. 23, n. 1, p. PHILLIPS, W. J.; Richards, W. E. A study of effective- 81-91, mar. 1993. ness of the VLF method for the location of narrow- WEST, G. F.; BAILEY, R. C. Inverse Method in mineralised fault zones. Geoexploration, 13, p. geophysical exploration. In: GARLAND, G.D. 215-226, 1975. Proceedings of exploration´87. 3. ed. Ontário: POLDINI, E. La prospection èlectrique du sous-sol. Ontario Geological Survey, 1989. p. 191-212 Lausanne: F. Rouge & Cie, 1947. (Special Report, v. 3). 254 Cap_4.2_FFI.indd 46 9/12/2008 21:24:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações capítulo 4.3 MéToDos IsoTópIcos Marlúcia Freitas Santiago Horst Frischkorn Carla M. S. Vidal Silva 4.3.1 Introdução Entretanto, esta nomenclatura é redundante. Porque bastam o símbolo químico e o número de massa, A, Uma das importantes contribuições da ciência para designar uma espécie nuclear, pois permitem moderna para o conhecimento das reservas identificar Z e N. hídricas é o desenvolvimento de técnicas São chamados de isótopos os nuclídeos com nucleares aplicadas para medir a concentração mesmo número de prótons e diferentes números dos isótopos ambientais nas águas. Estas técnicas, de massa (isos = igual; topos = lugar, na tabela juntamente com dados convencionais, permitem dos elementos químicos). Os isótopos podem ser obter informações que não são acessíveis por divididos em estáveis e instáveis ou radioativos. São outros métodos ou são difíceis de serem obtidas. conhecidos cerca de 270 nuclídeos estáveis e mais Elas se aplicam aos recursos hídricos superficiais e de 1.700 instáveis, como podemos observar na tabela subterrâneos e às interações entre estes. dos nuclídeos. É grande a contribuição dos isótopos ambientais, São chamados de isótonos os nuclídeos com o mas é também importante o uso dos isótopos como mesmo número de nêutrons e diferentes números de traçadores artificiais em Hidrologia. Este capítulo prótons (isos = igual; tonos = pressão nuclear exercida restringe-se aos isótopos do oxigênio (18O), do hidrogênio pelos nêutrons sobre os prótons para compactá-los). (2H ou D - deutério e 3H - trítio) e do carbono (13C e São chamados de isóbaros os nuclídeos com o 14C). O 3H e o 14C são isótopos radioativos e os demais mesmo número de massa e diferentes números de estáveis. Para uma exposição mais completa dos prótons e nêutrons (isos = igual; baros = massa). métodos e isótopos ambientais usados, recomendam- se o livro Environmental Isotopes in Hydrogeology (Clark & Fritz, 1997) e as publicações da Agência Internacional 4.3.3 Isótopos Estáveis de Energia Atômica - IAEA (IAEA, 1995; 1981), que Isótopo estável é aquele que nunca se transforma patrocina mundialmente trabalhos com isótopos. Para em outro por decaimento radioativo. Eles (ou melhor, a usar os resultados das medidas isotópicas é necessário, razão isotópica deles) são excelentes traçadores para no entanto, conhecer definições e princípios básicos, acompanhar a água no ciclo hidrológico, a partir da assim como suas possíveis contribuições. Por isso, formação das chuvas, durante sua permanência em este capítulo começa com conceitos básicos, para que superfície e na infiltração, até chegar aos aqüíferos, o iniciante nesta técnica possa adquirir o alicerce que pois os diversos estágios do ciclo imprimem neles as permita obter todas as informações que estes dados suas marcas. possam dar. 4.3.2 Fundamentos Teóricos e Abundâncias Definições Na natureza, os isótopos de um elemento sempre se apresentam nas mesmas proporções, o que é Nomenclatura conhecido como Regra das Proporções Constantes. Os nuclídeos são usualmente representados por: Consideramos, por exemplo, as abundâncias relativas dos isótopos do magnésio. A X 24Mg : 25Mg : 26Z N Mg = 78,70 : 10,13 : 11,17 (%) onde, X é o símbolo químico, Z é o número de Os isótopos 23Mg, 27Mg, e 28Mg também são prótons, N é o número de nêutrons, A = Z + N é o conhecidos, porém são instáveis, com meia-vida número de massa. curta.Em muitos elementos predomina um dos 255 Cap_4.3_FFI.indd 1 9/12/2008 21:26:29 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos isótopos, e os outros aparecem somente como no oxigênio e de D no hidrogênio, respectivamente. traços. É o caso dos elementos formadores da água, Por isso, valem para estas razões isotópicas todas as hidrogênio e oxigênio, cujos isótopos aparecem nas regras de cálculo para concentração. seguintes proporções: 1H : 2H (ou D) : 3H (ou T) = 99,984 : 0,016 : ≈10-16 (%) 4.3.4 oxigênio-18 e Deutério (em águas jovens) 18 1H : 2H (ou D) : 3H (ou T) 99,984 : 0,016 (%) O O e o D são os isótopos estáveis mais pesados = (em águas velhas) do oxigênio e do hidrogênio. São traçadores perfeitos, pois não “acompanham” a água, como acontece com 16O : 17O : 18O = 99,759 : 0,037 : 0,204 (%) um corante, mas são constituintes da própria água, Desprezando os isótopos 17O e 3H e usando D tendo as mesmas propriedades químicas da água (deutério) em lugar de 2H, a água é composta das “comum”. A abundância relativa destes isótopos na seguintes moléculas: água varia levemente em função de sua história no 16 18 16 16 18 18 ciclo hidrológico.H2 O , H2 O, HD O, D2 O, HD O, D2 O As proporções médias (realizadas em água do mar) Valor δ das principais moléculas são: As abundâncias de isótopos estáveis são medidas H 16O : HD16O : H 182 2 O por espectrometria de massa. Porém, a determinação 997.640 : 320 : 2.040 precisa da razão isotópica, R, é de grande dificuldade. Por isso, prefere-se medir o enriquecimento ou Porém, em águas de origem diversa (plantas, empobrecimento de um isótopo em uma amostra chuva, lagos etc.), estes valores variam (ferindo a Regra em relação a um padrão. Seja R a razão isotópica de Proporções Constantes). Para as moléculas mais da amostra (por exemplo, 18O /16O ou D/H) e R a do pesadas as faixas são: 0padrão. Então se define: HD16O : 180 a 340 ppm R − R 18 δ = 0 = R − 1 H2 O : 1.900 a 2.040 ppm R0 R0 Razão Isotópica Como, normalmente, δ é da ordem de 0,001, expressa-se o seu valor em delta por mil : A variação das abundâncias dos isótopos estáveis decorre, principalmente, da água sofrer processos 0 δ R  / 300 =  −1.10 (4.3.2) físicos de mudança de fase, como evaporação e  R0  condensação. Processos químicos, biológicos ou de Erros típicos (em termos de 2σ) nas medidas de troca produzem menores variações. 18O e de D são da seguinte ordem: Para descrever tais influências, define-se a razão isotópica, R, como a relação entre o número de átomos ∆δ 18O = ± 0,15 ‰ do isótopo 1 (N1) (e. g. 18O) em relação ao número de ∆δ D = ± 1,0 ‰ átomos do isótopo 2 (N2 ) (e.g. 16O) Constata-se, ainda, que na mistura de duas águas N1 com valores δ1 e δ2, o valor da mistura, δ3, é a média R = N (4.3.1) ponderada das contribuições:2 Para as águas, as razões para o D e para o 18O δ3 = (aδ1 + bδ2 ) (a + b) (4.3.3) são, respectivamente:  D 0,016 D padrões R  = =   0,00016002 ≈ 0,00016 = R  H 99,984  H + D O primeiro padrão usado internacionalmente foi água do oceano, o SMOW (Standard Mean Ocean  18O 0,204 R = = 0,0020449 Water), escolhido por Craig (1961a) por serem os  16O 99,759 oceanos os maiores reservatórios de água. Portanto, sua composição isotópica média representa a  18O  composição mundial das águas. Atualmente, está ≈ 0,00204 = R 18 17 16  em uso o padrão V-SMOW, uma mistura sintética de  O + O + O H 162 O, HD 16O e H 182 O, imitando o SMOW original. Este É importante observar que estas razões, 18O/16O e padrão é distribuído pela IAEA (Agência Internacional D/H, são numericamente iguais à concentração de 18O de Energia Atômica) em Viena/Áustria. 256 Cap_4.3_FFI.indd 2 9/12/2008 21:26:29 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Outro padrão, de amostras naturais, utilizado em medidas de 18O e de 13C, é o PDB (Belemnitella δ 0 (α −1) 3líq ( ) =(f −1).10 (4.3.5) Americana da formação Peedee do Cretácio) que é 00 uma belemnita de um calamar pré-histórico. Esta relação descreve o progressivo enriquecimento da água em isótopos pesados quando sujeita à Reta Meteórica Mundial evaporação. Assim, águas que sofreram evaporação são reconhecidas pelo δ elevado em relação à água A primeira observação sistemática das concentrações de origem. A figura 4.3.2 ilustra o efeito da evaporação de 18O e 2H em amostras de águas meteóricas foi feita para experiências de tanques evaporimétricos classe A, por Craig (1961b), analisando mais de 400 amostras um à sombra, dentro de um galpão, e o outro ao ar livre, coletadas mundialmente. Ele verificou que estes dois ao sol,demonstrando a forte influência da evaporação isótopos guardam uma relação simples, chamada de sobre a composição isotópica da água, especialmente Reta Meteórica Mundial (GMWL - Global Meteoric quando exposta diretamente à insolação. Water Line), pois se baseia em amostras de grande Em reservatórios vazantes, e.g. açudes com variedade de condições climáticas: perdas por percolação, estas curvas sofrem um δ D = 8 δ18O + 10 (4.3.4) deslocamento horizontal, já que a percolação reduz o volume sem alterar a composição isotópica. Este Rozanski (1993) determinou uma reta mais efeito permite a separação das perdas por evaporação precisa: das perdas por percolação (ver item 4.3.7). δ D = 8,17 (± 0,07) δ18O +11,27 (± 0,65) ‰ (VSMOW) Efeitos que Marcam Águas Meteóricas Águas que sofreram pequeno grau de evaporação apresentam uma relação linear entre δ D e δ 18O, mas A composição isotópica das águas de chuva os parâmetros da reta são diferentes daqueles da depende da altitude orográfica, da longitude geográfica, reta meteorológica mundial. O coeficiente angular é da distância à costa e está sujeita a efeitos de sempre mais baixo que 8, como visto na figura 4.3.1. temperatura e de quantidade pluviométrica. Discute-se Conseqüentemente, em clima seco, onde ocorre a seguir estas dependências. evaporação durante a queda da chuva, resulta uma reta meteórica local com inclinação menor que 8. Efeito da Evaporação As moléculas H 162 O são mais leves que as moléculas H 18O e HD162 O e, por isso, evaporam mais facilmente (Kehew, 2001). Estas diferenças fazem com que a água sujeita à evaporação fique enriquecida em moléculas dos tipos H 182 O e HD 16O (isotopicamente mais pesada). Combinando, na evaporação, o balanço de volume, descrito pela fração de água remanescente, f = V/V0, com o balanço isotópico, caracterizado pelo quociente das razões isotópicas (18O/ 16O ou D/H) na fase líquida e na gasosa, α = Rliq/Rgas (α > 1), deduz-se: Figura 4.3.1 - δ D versus δ18O em amostras de tanque classe Figura 4.3.2 - δ18O e δ D versus fração d’água remanescente na A para clima semi-árido (Santiago,1972). água evaporando em um tanque classe A (Santiago, 1972). 257 Cap_4.3_FFI.indd 3 9/12/2008 21:26:29 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos Efeito de Temperatura os efeitos de temperatura, quantidade e de evaporação A formação de chuva é um processo de equilíbrio durante a queda das gotas numa atmosfera seca termodinâmico, chamado de processo de Rayleigh. (pseudo-efeito de altitude). Apesar da complexidade Nele, a separação isotópica é função da temperatura, do fenômeno, os valores encontrados em diferentes sendo mais forte a temperaturas baixas. locais e condições mostram a mesma tendência. A Dansgaard (1964), analisando chuvas de mais ou figura 4.3.5. mostra o efeito continental sobre as chuvas menos 40 lugares, com temperaturas médias anuais na Chapada do Araripe, no estado do Ceará. variando numa faixa de - 50 oC até +25 oC, verificou que as equações: δ 18 t O ( 0 ) = 0,69 a − 13,6 00 o (4.3.6)C t δD( 0 ) = 5,6 a − 100 00 o (4.3.7) C apresentam boa concordância com os resultados experimentais. Nestas equações, a temperatura média anual é expressa em grau centígrado (oC), ou ta ( oC) Assim, o efeito da temperatura da atmosfera sobre δ18O e δD pode ser aproveitado para a determinação da temperatura atmosférica em tempos passados, analisando a composição isotópica de paleoáguas Figura 4.3.3 - δ18O versus precipitação mensal de Fortaleza, (identificadas por medidas de radiocarbono, ver item construída com dados da IAEA (1979). Carbono-14 e Trítio, mais adiante). Efeito de Quantidade Durante a condensação, o vapor remanescente fica progressivamente empobrecido em isótopos pesados e, com ele, a água produzida. Assim, a chuva no início de um evento é mais pesada do que no final, e chuvas menos intensas são mais pesadas do que chuvas abundantes (efeito de quantidade). Sob o aspecto isotópico, chuva pesada é aquela que tem valores mais elevados de δ18O e de δD em oposição ao termo chuva leve que se refere a chuvas com valores de δ18O e de δD mais baixos. Em lugares de pequena variação da temperatura, o efeito de quantidade é responsável por até 76% da Figura 4.3.4 - δ18O versus distância à costa no Ceará, a partir variação sazonal no valor δ18O. O efeito de quantidade de Fortaleza (Santiago, 1984). nas chuvas de Fortaleza está exemplificado na figura 4.3.3, através da comparação entre a pluviometria mensal e δ18O. Efeito continental Durante seu caminho do mar para o interior, massas úmidas perdem água e empobrecem em isótopos pesados. O efeito continental descreve o decréscimo dos valores de δ na chuva quando a distância ao mar cresce. A figura 4.3.4 mostra valores de δ18O em quatro localidades do Ceará a diferentes distâncias à costa. Efeito de Altitude A concentração de isótopos pesados numa massa Figura 4.3.5 - δ18O nas chuvas em diferentes altitudes na de ar úmido que ascende numa elevação orográfica Chapada do Araripe na região do Cariri, Ceará (Frischkorn decresce com a altitude. Para este efeito contribuem et al., 1990). 258 Cap_4.3_FFI.indd 4 9/12/2008 21:26:29 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 4.3.5 Isótopos Instáveis 4.3.6 carbono-14 e Trítio Isótopo instável ou radionuclídeo é aquele que Os isótopos radioativos de carbono e de hidrogênio, em algum tempo vai se transformar em outro, que 14C e 3H (ou T), são amplamente utilizados para datação pode ser estável ou radioativo como ele. Por ser, da água por causa de suas adequadas meias vidas, estatisticamente, relacionado com o tempo, o fenômeno que definem as faixas acessíveis de datação. Como o da radioatividade se presta para a determinação do 3H tem uma meia-vida de 12,43 anos, ele é usado para 14 tempo de permanência ou idade de um traçador datar amostras na faixa de 0 - 50 anos. O C, que tem radioativo no aqüífero ou, em outras palavras, serve uma meia-vida de 5.730 anos, pode ser utilizado para para fazer a datação da água. datar amostras na faixa de 500 a 40.000 anos. Estes dois isótopos ambientais são de origem secundária, como podemos deduzir de suas meias- Lei do Decaimento Radioativo vidas extremamente pequenas em relação à idade da Terra. Eles são produzidos em reações nucleares de A transformação radioativa segue uma lei estatística nêutrons (n) da radiação cósmica secundária com o simples. Quanto maior o número N de núcleos nitrogênio da atmosfera em reações do tipo: radioativos observados, maior a taxa de transformação (dN/dt): 14N + n → 14C + p dN/dt ~ N ou dN/dt = -λN 14N + n → 3H + 12C onde, λ é chamada de constante de decaimento. A A física nuclear adota um modo diferente de integração fornece: escrever estas reações: N(t) = N0 exp (-λt) 14N (n, p) 14C (4.3.9) onde N0 é o número inicial de núcleos. 14N (n, 3H)12C (4.3.10) Chamando de atividade , A , o número de Na equação (4.3.9), nêutrons são absorvidos por transformações por unidade de tempo, então vale 14N e é produzido 14C com liberação de prótons e também: na equação (4.3.10), a absorção de nêutrons por A(t) λ N(t) A exp(-λt) 14= = N produz 3H e 12C. A primeira reação acontece, 0 de preferência, com nêutrons de baixa energia, a Definindo a meia-vida, T1/2, através de: segunda de alta energia. A(T ) = A /2 Estes isótopos são emissores β-, sofrendo os 1/2 0 decaimentos do tipo: obtém-se: 14C → 14N + β- (Emax = 156 keV)λ = ln 2/ T1/2 e Desta maneira, a lei do decaimento radioativo 3 3 escreve-se como: H → He + β - (Emax = 18,6 keV) 14 3 A(t) = A exp (- ln 2 . t/T ) (4.3.8) O C e o H são medidos através de detecção 0 1/2 de radiação β- emitida. O 14C na atmosfera fica sob a Esta relação é mostrada na figura 4.3.6. Medindo ação dos processos de produção e de decaimento, A/A , determina-se a “idade” t da amostra (datação). atingindo uma condição de equilíbrio, de modo que se o mantém constante a quantidade do radioisótopo. A taxa de produção de 14C é de aproximadamente 0,25 átomos/cm2.s = 15 átomos/cm2.min, o que corresponde a um total de cerca de 75 toneladas na Terra e uma concentração 14C/12C de 1,2 x 10-12. A quantidade de 3H natural é de somente alguns kg, com uma concentração 3H/1H de aproximadamente 10-18. Apesar da concentração ínf ima destes radionuclídeos, sua medida quantitativa é possível através da radiação emitida. O método de datação de material orgânico por 14C foi imaginado por Libby (1952) já antes da descoberta de 14C na natureza. Depois da produção, em laboratório, através da reação (4.3.9), Libby supôs que o mesmo processo deveria ocorrer na alta atmosfera Figura 4.3.6 - Lei de decaimento radioativo. 259 Cap_4.3_FFI.indd 5 9/12/2008 21:26:29 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos e calculou que haveria uma produção de 14C que leva O cálculo da idade é feito utilizando a equação a uma atividade específica (por grama) de 18 dpm a seguir, onde λ é igual a 0,693/T1/2, sendo T1/2 o (decaimentos por minutos) por grama de carbono valor da meia-vida do radioisótopo: em todo material orgânico vivo (i.e, interagindo com o CO2 da atmosfera). Quando medida, encontrou-se A At(anos) = 1 ln 0 = 8.033 ln 0 uma atividade específica de 13,6 dpm por grama (4.3.11)λ A A de carbono. Foi Münnich (1957) quem aplicou o radiocarbono para águas através da datação dos Observa-se que, neste caso, é usada T1/2 = 5.567 bicarbonatos nelas dissolvidos. anos, a meia vida convencional, em vez da correta de 5.730 anos (os laboratórios de datação optaram carbono-14 nas Águas subterrâneas por continuar o cálculo com o valor menos preciso, o convencional, em vez de trocá-lo pelo mais recente, Embora não fazendo parte das moléculas de pois esta mudança resultaria em idades que diferem água, o carbono, nas suas três espécies isotópicas, das convencionais por menos que 3%, insignificante 12C, 13C e 14C, está presente nas águas naturais considerando as incertezas metodológicas e na forma de bicarbonato e de CO2 dissolvido. A estatísticas). Idades assim determinadas são chamadas concentração percentual (em relação ao material de convencionais. “vivo”) de radiocarbono nestas espécies químicas é Medindo A, a atividade do material, e conhecendo usada para caracterização de águas subterrâneas e A0, podemos calcular desde quanto tempo atrás a sua datação. interação da amostra com a atmosfera foi cortada. Idades de radiocarbono são citadas com um erro Datação com carbono-14 σ obtido da estatística do decaimento radioativo. O princípio da datação com 14C é muito simples Depende da idade e da quantidade de material para material orgânico. O 14C produzido se oxida medida. Valores típicos de idade ± erro, para 1g de formando CO e é incorporado nos organismos através carbono medido, são:2 da respiração e assimilação. A figura 4.3.7 representa 1.000 ± 90 anos, 10.000 ± 200 anos, 40.000 ± 5.000 anos esquematicamente o caminho do 14C. Assim, todo material vivo entra em equilíbrio Os erros aqui dados são “estatísticos”. Eles são com a atmosfera e fica com a mesma atividade baseados na incerteza inerente do método devido o específica A . Quando a amostra deixa de interagir, caráter probabilístico da radioatividade. Assim, a repetição 0 a partir do momento da morte, a atividade específica de uma (correta) contagem de eventos de radioatividade cai de acordo com a seguinte equação: não necessariamente resulta no mesmo número, pois os resultados seguem uma distribuição estatística de Poisson A = A −λ to e ou de Gauss (para grandes números de contagem). Determina-se, então, o valor médio da contagem por repetição, interpretando-o como o “mais provável”, e caracterizando sua incerteza pela largura (desvio padrão, σ) da distribuição dos resultados individuais. Desta maneira, aproximadamente 68% das repetições caem no intervalo valor médio ± σ. Constatamos, ainda, que a função logarítmica na equação 4.3.11 resulta em uma assimetria dos erros, sendo o erro positivo maior que o negativo. Despreza-se este detalhamento aqui. O grande problema na datação é o conhecimento da atividade inicial, A0. No caso mais simples, considera-se A0 independente da idade da amostra, o que é possível se supõe-se que: • a taxa de produção de 14C ficou constante durante pelo menos duas vezes a idade máxima detectável de 50.103 anos. Isso significa que ficaram constantes o fluxo da radiação cósmica, o momento dipolo magnético da Terra e a atividade solar; • ficou constante durante os últimos 105 anos a distribuição do 14C nos três reservatórios oceanos, biosfera e atmosfera. Estes pressupostos são satisfeitos somente com limitações. Por isso, o relógio de 14Figura 4.3.7 - Princípio de datação da água subterrânea C mostra com 14C. desvios da escala absoluta do tempo, determinada 260 Cap_4.3_FFI.indd 6 9/12/2008 21:26:29 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações com a Dendrocronologia (que é a datação através a) Modelo Hidroquímico da contagem dos anéis de crescimento de árvores). Os bicarbonatos dissolvidos nas águas são A correlação entre as escalas com 14C e com a formados com contribuição do carbono do CO na Dendrocronologia, determinada para os últimos 7.000 2atmosfera e na zona não saturada do solo, e, também, anos, mostra que o 14C acumulou um atraso de 700 de carbono proveniente da dissolução de rochas anos neste período. calcárias. Consideramos os seguintes processos de A partir do meio do século retrasado (1850), a formação de bicarbonatos: queima de combustível fóssil passou a produzir CO2 isento de 14C, dando uma contribuição de 10% ao CO2 H O + C*O → H+ + HC*O - na atmosfera. O efeito produzido na atmosfera foi de 2 2 3 somente 2 - 3% devido à amortização pelos oceanos, que absorvem a maior parte do CO2. Este fenômeno foi H ++HC*O - -3 +CaCO3 → HCO3 +HC*O - 3 +Ca ++ (4.3.13) descrito pela primeira vez por Suess (1954), passando a ser conhecido como Efeito suess. Nestas equações, C* se refere ao carbono vindo da Os testes de bombas nucleares na atmosfera, atmosfera e do CO2 do solo. O bicarbonato formado entre 1952 e 1962, poluíram a atmosfera com grande com este carbono tem uma atividade A0. quantidade de 14C e também com 3H, atingindo um O calcário como rocha sedimentar antiga, não máximo em 1964 para 14C e em 1963 para 3H. Desde contém mais 14C. Por isso, o bicarbonato formado por 1964 (devido à moratória dos testes na atmosfera), a dissolução deste mineral tem atividade nula. Assim, atividade específica de 14C está caindo continuamente. quando há dissolução de calcários, de acordo com a Mas, para voltar ao mesmo valor anterior aos testes equação (4.3.13), ocorre mistura de 1 mol de carbono nucleares, vai demorar cerca de 12.000 anos. proveniente da atmosfera, com atividade A0, com 1 Por todos estes motivos, a atividade atual da mol de carbono antigo proveniente da dissolução de atmosfera não serve como valor inicial para a calcários, com atividade A = 0. O bicarbonato que datação na faixa de 500 – 50.000 anos. Por isso, marca a água de recarga tem, então, a metade da usa-se como valor inicial a atividade medida em atividade do carbono da atmosfera: árvores de 1950 (que é igual à atividade da atmosfera naquele ano), corrigida pelo Efeito de Suess. Assim, A CO2água 0 CO2 (4.3.14) a atividade inicial é A0 = = qA2 0 A0 = A0 (1950) onde q é um fator de correção, neste caso igual a ½, Para fins práticos, reproduz-se A 0 (1950) a partir de um indicando que o carbono orgânico e o carbono mineral padrão de ácido oxálico fornecido pela IAEA. Com este contribuíram com partes iguais. padrão, não há necessidade de cada laboratório ter uma Nestas condições, a equação (4.3.14) calcula madeira padrão de 1950 disponível. uma idade da água 5.568 anos menor do que de uma A atividade específica em relação à A (1950) é amostra orgânica de mesma atividade:0 apresentada em termos de percentagem de carbono Moderno (Percentage of Modern Carbon): qA At = 8.033 ln 0 = 8.033 ln 0 − 5.568 (4.3.15) A A A pMC = A (1950) .100%moderno (4.3.12) Infel izmente, o processo hidroquímico de 0 dissolução do carbonato de cálcio no solo e no Então, 100 pMC corresponde à atividade da aqüífero não é simples como propõe a equação atmosfera de 1950. (4.3.13), pois além do bicarbonato existe CO2 dissolvido na água em proporções que não são Modelos de correção predetermináveis. Por isso, a equação (4.3.13) deve A aplicação do método do radiocarbono na ser modificada para: datação de água tem, em comparação com o material “Combinado" “Livre” orgânico, uma dificuldade grave: a atividade inicial (4.3.16)x(CaCO3+H2O)+(x+ y)CO2⇔xCa(HCO3)2+ yCO2 dos bicarbonatos dissolvidos, em geral, não é igual àquela da atmosfera, A , pois, depende do ambiente onde, y é a contribuição do CO2 livre e x do combinado.0 hidrogeoquímico na área de recarga e do aqüífero. Neste caso, a atividade inicial do carbono na Faz-se necessário determinar um fator (na faixa de 0,5 água é dada pela média ponderada das atividades a 1,0) para correção da atividade inicial. individuais: Os modelos para tal, discutidos a seguir, consideram os diferentes processos de formação dos carbonatos e água (x + y) A CO20 + x A CaCO30 propõem metodologias diferentes para determinação A0 = (4.3.17)2 x + y desta correção. 261 Cap_4.3_FFI.indd 7 9/12/2008 21:26:29 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos Como em carbonatos antigos, a atividade de 14C 1970; Salomons & Mook, 1976). Estes calcários é nula: secundários são ricos em 14C devido à evaporação (x + y) nos sedimentos porosos e são dissolvidos na época A água = A CO2 = qA CO2 de recarga. Por isso, as idades calculadas com 0 2 x + y 0 0 ACaCO3 = 0 são mais baixas por até 15%; e • o mesmo efeito influi também no valor de δ13C, que nos carbonatos secundários pode ser bem q = x + y (4.3.18) diferente de zero; 2 x + y • a recarga de um aqüífero é feita através da zona não saturada (com água). Portanto, há uma A faixa de valores possíveis para o fator de correção troca isotópica entre o CO do ar nos poros e o é de q = 1, para ausência de carbonatos (x = 0), e 2bicarbonato da água nos poros. Esta contribuição q = 0,5, para y = 0. As concentrações x e y podem é muito difícil de avaliar. ser determinadas medindo em campo, no momento da amostragem, a concentração de HCO -3 , através de c) Modelo Exponencial titulação com HCl usando metilorange (pH = 4,0) como indicador, e a concentração de CO , através de titulação Geyh & Mairhofer (1970) descrevem um método de 2 com NaOH, usando fenolftaleína como indicador. estudar aqüíferos em equilíbrio (recarga anual igual à descarga) e sem estratificação da água estocada, através do b) Modelo Isotópico radiocarbono. Neste caso, tem-se de considerar, também, Um outro método para determinar o fator q as contribuições “modernas”, com elevada atividade devido consiste em utilizar as medidas do isótopo 13C, pois aos testes nucleares depois da 2a Guerra Mundial. sua concentração é diferente para a contribuição Descreve-se a atividade específica de 14C no orgânica e mineral. Como o 13C é um isótopo estável, aqüífero no ano n, A(n), como mistura de todas as seu enriquecimento é expresso em valor de δ13C, atividades de recarga qA0. No aqüífero com água com determinado por espectrometria de massa. O valor tempo de residência ta as atividades são modificadas de δ13C nos bicarbonatos da água é, então, a média pela diluição por recargas posteriores descritas pela ponderada das contribuições (equação 4.3.3): função exponencial e-i/t e pelo decaimento radioativo, com constante λ, em i anos de permanência no (x + y)δ13 CO213 água C + x δ13CCaCo3 aqüífero, descrito pela função exponencial e-λi.δ C = 2 x + y q ∞ A (n) = ∑ A CO20 (n − i)e−i/ t e−λ i (4.3.20) Nas medidas de 13C é usado como padrão o PDB ta i=0 (calcário mineral da Formação Peedee Belemnite da Usando-se a equação (4.3.20) para águas Carolina do Sul - Estados Unidos). Portanto, em relação subterrâneas jovens, cuja atividade foi medida durante a este padrão, vale para o carbonato de cálcio: vários anos, é possível determinar q e ta, adaptando a 13 CaCO curva teórica aos valores experimentais.δ C 3 = 0 É possível determinar estes dois parâmetros e separadamente, tomando, simultaneamente, medidas x + y de 14C e de 3H, pois, para o 3H, q = 1. Com o δ13Cágua = δ13CCO2 = qδ13CCO2 (4.3.19) pressuposto que estes dois parâmetros, q e ta, não 2 x + y mudaram significantemente na faixa de datação, Porém, δ13CCO2 depende do ciclo de assimilação pode-se usar este valor de q também na datação de do carbono nas plantas, que pode ser dos tipos C3 águas velhas. É importante ressaltar que o tempo (ciclo tipo Calvin) ou C4 (ciclo Hatch-Slack), que de residência ta, é dado pela razão entre volume do produzem diferentes valores de δ13C no solo. Em aqüífero e a taxa de recarga. clima moderado, com vegetação principalmente C3, considera-se que é igual a -22‰. Plantas C4 (entre Trítio Ambiental elas cana de açúcar e gramíneas) produzem valores O 3H, como o 14C, é produzido na atmosfera de -10‰ a -16‰. Assim, medindo a razão isotópica através da interação com os raios cósmicos. O 3H δ13C nos carbonatos dissolvidos na água, pode-se tem meia vida de 12,43 anos, e sua produção, como calcular o fator q. Este procedimento é conhecido também a do 14C, foi postulada por Libby (1949) e, como Método de pearson (1965) e, como outros, posteriormente, foi detectado por Grosse et al.(1951). tem limitações discutidas a seguir: Sua medida é feita através da radiação β- emitida, • a atividade do calcário é considerada nula determinando-se sua concentração através da (ACaCO3 = 0), por causa da idade do calcário. Mas, atividade específica, usando como unidade TU (tritium sabe-se que em clima moderado, com as chuvas do unit), que corresponde a 7,2 desintegrações por verão, formam-se calcários nas superfícies (Geyh, minuto para cada quilograma de água. 262 Cap_4.3_FFI.indd 8 9/12/2008 21:26:29 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Em conseqüência dos testes nucleares, a Ex is tem do is mode los de in te rpre tação concentração de 3H na atmosfera aumentou em amplamente usados. Num extremo, o modelo várias ordens de grandeza, quase atingindo 104 TU de fluxo de pistão, que se baseia em recargas no Hemisfério Norte, em 1963. Desde a moratória discretizadas no tempo, que se deslocam sem se dos testes em 1964, a atividade da atmosfera vem misturar, e no outro extremo das possibilidades, decaindo, sem alcançar, porém, os níveis naturais o modelo exponencial, que parte da mistura devido à emissão continuada por usinas nucleares. de todas as recargas no aqüífero. Um modelo Em princípio, o 3H pode ser usado para datação de celular, proposto por Frischkorn, foi aplicado por águas da mesma maneira que o 14C, porém, devido à Silva (1992) no estudo do aqüífero Feira Nova no meia vida mais curta, o seu uso limita-se a idades até Cariri-CE. Neste modelo, o aqüífero é dividido em aproximadamente 50 anos. No entanto, a forte variação pequenos compartimentos interligados por fluxos da atividade atmosférica desde os anos 50 do século horizontais e verticais que determinam o balanço passado dificulta a interpretação. de massa em cada célula. Na prática, o uso do 3H natural é limitado à observação da marca que os testes nucleares Modelo de Fluxo de pistão imprimiram na atmosfera, à aplicação do modelo exponencial (equação 4.3.21, com q = 1) e à Este modelo, ilustrado na figura 4.3.9, se aplica interpretação qualitativa para detecção de recarga aos aqüíferos confinados com área de recarga recente. localizada. A água se desloca no aqüífero com Atualmente, no Hemisfério Norte, as concentrações velocidade v sem dispersão longitudinal. De acordo de trítio em precipitações são de algumas dezenas de com este modelo, uma amostra de água tomada de TU (diminuindo para baixas latitudes). Já no Hemisfério um poço a uma distância x da área de recarga, é a Sul, o valor é de algumas TU somente. Considerando água que entrou no aqüífero em um tempo x/v antes que o limite de detecção é, rotineiramente, da ordem da coleta, chamado de tempo de trânsito ou idade de 1 TU, constata-se que o uso do 3H ambiental no da amostra. Para usar este modelo, é necessário Brasil é limitado. considerar que: Medidas de 3H foram usadas por Silva (1992) para • as linhas de fluxo têm velocidades iguais; determinar, através do modelo exponencial, o tempo • a dispersão hidrodinâmica e a difusão molecular de trânsito das águas subterrâneas na Chapada do são desprezíveis; e Araripe (sul do Ceará) que alimentam as fontes na escarpa (figura 4.3.8). • o traçador se move com a velocidade média da água. 4.3.7 Modelos de Interpretação Para usar a equação (4.3.10), é necessário conhecer A0, a atividade da atmosfera no momento A entrada do 3H atmosférico e do 14C biosférico da recarga. Como o modelo de fluxo de pistão para através da recarga dos aqüíferos significa uma 14C é usado somente para amostras bem mais velhas marcação da água com estes traçadores radioativos que 50 anos, A0 é tomado como constante e igual a que, através da lei de decaimento, possuem um 100 pMC. Já para 3H, aplicado para amostras jovens, a relógio embutido. Porém, para a interpretação do sinal marcação da atmosfera pelos testes nucleares tem que temporal é necessário conhecimento prévio sobre o ser considerada, e A0 é função do ano e da localização funcionamento dos aqüíferos amostrados. geográfica. Figura 4.3.8 - Concentração de 3H (TU) em função do tempo de residência no aqüífero superior da Chapada do Araripe, Ceará. A concentração de 0,67 TU indica um tempo de residência de 180 anos (adaptado de Mendonça, 2001). Figura 4.3.9 - Modelo de fluxo de pistão. 263 Cap_4.3_FFI.indd 9 9/12/2008 21:26:30 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos Modelo Exponencial Este modelo (figura 4.3.10), já mencionado como instrumento na determinação da correção q, parte do pressuposto de um aqüífero em equilíbrio, com recarga anual igual à descarga e sem estratificação. Para seu uso é necessário considerar que: • a taxa de descarga é igual à taxa de recarga; • as duas taxas são constantes no tempo; • a concentração isotópica na descarga é igual à concentração média no reservatório; e • a única mudança na concentração isotópica Figura 4.3.11 - Modelo de dispersão. no reservatório ocorre por recarga, descarga e decaimento. 4.3.8 o Uso de Isótopos Ambientais Neste caso, o aqüífero conserva a memória de na Hidrogeologia todas as recargas anteriores, porém, corrigidas pelo decaimento radioativo (e-λt) e pela diluição Identificação de Diferentes Aqüíferos de no aqüífero, descrita, também, por uma função uma Bacia sedimentar exponencial [(1/t )e–t/taa ], que contém como parâmetro característico o tempo de residência, t , dado pela Muitas vezes, as condições de recarga de a razão entre o volume do aqüífero e a taxa de aqüíferos marcam as águas neles armazenadas recarga. com uma impressão isotópica (em analogia à impressão digital para a identificação de pessoas), ∞ 1 que pode servir para caracterizar e identificar estes A (t) = ∫ qA −λt −t/ ta0 (t − t)e e dt (4.3.21) aqüíferos. Especialmente, na área central de bacias 0 ta sedimentares, a ascensão de paleoáguas (ver item Paleoáguas e Paleoclimas) com idade maior do A equação (4.3.20) discretiza a expressão acima que 10.000 anos, leva a uma mistura de águas para intervalos anuais. Pelos próprios pressupostos, pleistocênicas com águas holocênicas (idade menor na aplicação do modelo exponencial, a atividade inicial que 10.000 anos) que permite identificar as águas de tem que considerar as fortes influências impostas pelos diferentes aqüíferos pela impressão isotópica. testes nucleares, tanto para trítio como para 14C. Uma situação deste tipo encontra-se na Bacia Sedimentar do Araripe, sul do Ceará, cuja estratigrafia indica a seguinte seqüência de aqüíferos em ordem cronológica: Mauriti, Abaiara, Missão Velha e Rio da Batateira. Esses aqüíferos podem ser identificados por retas de mistura de águas velhas com águas mais novas (figuras 4.3.12 e 4.3.13). Outra situação semelhante é a do armazenamento de água subterrânea na região de Limoeiro do Norte, onde a relação entre δ18O e a condutividade elétrica separa águas armazenadas nos aluviões, na Formação Açu e no cristalino (Santiago et al., 2001). Figura 4.3.10 - Modelo exponencial. Identificação de Interação entre Aqüíferos Modelo de Dispersão A caracterização das águas de um aqüífero pode ser feita utilizando os isótopos 18O e 14C associados Finalmente, menciona-se um modelo intermediário à condutividade elétrica (CE). Esta metodologia (figura 4.3.11), no qual a idade das recargas anteriores foi aplicada no aqüífero Rio da Batateira, na Bacia é mascarada por uma função de dispersão, g(t), Sedimentar do Cariri, em amostras d’água coletadas na que descreve as contribuições de linhas de fluxo bateria de poços que abastece o município de Juazeiro variadas.: do Norte (Silva, 1996). Como mostra o perfil geológico da figura 4.3.14, ∞ os poços estão relativamente próximos, possuem A (t) = ∫ qA0 (t − t)e−λtg(t) dt (4.3.22) profundidades entre 83 e 200 m e aparentemente 0 explotam apenas o aqüífero superior Rio da Batateira. 264 Cap_4.3_FFI.indd 10 9/12/2008 21:26:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Desta forma, foi possível quantificar, para cada poço, a contribuição percentual da água ascendente do aqüífero Missão Velha para o Rio da Batateira, obtendo-se um quadro detalhado do funcionamento do sistema aqüífero na área da bateria. Finalmente, foi constatado que a componente mais velha e também mais mineralizada, por sua vez, certamente já é produto de mistura de águas de formações mais profundas (Abaiara e Mauriti), e os valores entre o máximo e o mínimo são médias ponderadas da mistura. Identificação de Interação entre Água superficial e subterrânea As águas superficiais, expostas à evaporação, Figura 4.3.12 - δ18O versus condutividade elétrica na Bacia exibem valores mais elevados de δ18O e δD do que as Sedimentar do Cariri. RB = aqüífero Rio da Batateira; MV = águas subterrâneas. Esta elevação depende do grau aqüífero Missão Velha; Mau = aqüífero Mauriti (adaptado de de vaporização sofrido pela água. Especialmente em Santiago et al., 1997). clima tropical, esta marcação é forte. Em águas de açudes no Nordeste, encontra-se valores de δ18O de até 8‰, muito superior ao valor médio das chuvas regionais que fica em torno de -3‰. Considerando um erro de somente ± 0,15‰ para este tipo de medida, esta diferença é muito elevada (73 vezes o erro). As águas subterrâneas, normalmente, se formam a partir de águas pluviais. Porém, a recarga de aqüíferos é uma amostragem viciada destas águas, por preferir eventos de alta pluviosidade, marcada pelo efeito de quantidade (ver item Efeitos que Marcam Águas Meteóricas). Por isso, é comum encontrar águas subterrâneas com valores δ18O e δD levemente mais Figura 4.3.13 - pMC versus condutividade elétrica na Bacia baixos que o valor médio ponderado das chuvas. Em Sedimentar do Cariri. RB = aqüífero Rio da Batateira; MV = aqüíferos profundos, protegidos da evaporação, estes aqüífero Missão Velha; Mau = aqüífero Mauriti (adaptado de valores são conservados. Santiago et al., 1997). Como são evidentes as diferenças entre os valores de δ18O e δ D para águas superficiais e para as águas No entanto, a sinopse dos resultados obtidos das subterrâneas, fica fácil identificar contribuições de um análises isotópicas e de cE, vista nas curvas sobre o tipo de água no outro e quantificá-las através do cálculo perfil geológico desta figura, constata que estes poços de mistura para valores δ (ver item Razão Isotópica). produzem águas diferentes, resultantes de conexões Esta técnica também pode ser empregada para: hidráulicas entre os aqüíferos superior, Rio da Batateira, e o inferior, Missão Velha. • avaliar perdas em trânsito, especialmente em se É possível entender os três parâmetros medidos, tratando de rios perenizados a partir de açudes em cada um dos poços, como resultado de mistura de (como acontece no Ceará e em outros estados do águas recentes (pMC = 90 e δ18O = -3,0‰), pouco Nordeste); mineralizadas (CE = 150 mS/cm), com águas mais • identificar contribuições de aqüífero para rio, como velhas (pMC = 10), mais mineralizadas (CE = 650 e.g. do aqüífero Serra Grande para o rio Gurguéia, mS/cm) e com o 18O (δ18O = -4,3‰) característico de no Piauí, onde esta contribuição pôde ser detectada paleoáguas oriundas de clima mais frio. Isto é, para em trechos de forte tectonismo (Santiago et al., cada poço, os valores dos parâmetros pMC, δ18O e 1999); e CE são as médias ponderadas das contribuições de água velha e água nova. Por ser uma mistura, estes • avaliar a recarga de aqüíferos por açudes. valores devem satisfazer às retas: Na avaliação da recarga de aqüíferos por açudes, cita- CE = a(CE ) + b(CE ); se, como exemplo, o estudo realizado por Frischkorn et al. água velha água nova pMC = a(pMC ) + b(pMC ); (1989) em poços no cristalino ao redor do açude Araras/água velha água nova Ceará, onde, devido à falta de conexão hidráulica entre δ18O = a(δ18O 18água velha) + b(δ Oágua nova); as fraturas da rocha e o açude, não foram detectadas com os mesmos valores de a e de b e a + b = 1. contribuições do açude para os poços. 265 Cap_4.3_FFI.indd 11 9/12/2008 21:26:30 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos Figura 4.3.14 - δ18O, pMC e condutividade elétrica da bateria de poços em Juazeiro do Norte, junto com as formações atravessadas e indicação das conexões hidráulicas (adaptado de Mendonça et al., 1997). Determinação da Idade das Águas • no poço jorrante Violeta, que capta os aqüíferos subterrâneas Serra Grande e Cabeças, na Bacia Sedimentar do Parnaíba, produzindo águas de mais de O tempo de permanência da água no aqüífero é um 30.000 anos; parâmetro de grande importância para entender o seu • em poços pioneiros que captam os aqüíferos funcionamento. A distribuição espacial das idades no Missão Velha e Mauriti, na Bacia Sedimentar aqüífero permite determinar: (a) a direção e a velocidade do Araripe, onde foram identificadas águas de do fluxo; (b) a área de recarga; e (c) a taxa de recarga. percolação profunda através de fraturas existentes No caso de águas antigas, a idade em si já é no aqüiclude Santana da Chapada do Araripe, uma informação importante. É claro que um recurso caracterizadas como paleoáguas. que levou dezenas de milhares de anos para sua acumulação, muito provavelmente não renovável, deve Águas recentes, com idades menores que 200 ser explotado com máxima racionalidade, o que, muitas anos (pMC = 97,6 %), não podem ser datadas com 14 vezes, não acontece. Águas com idade até o limite de C, usando a equação (4.3.11) pois, por causa detecção pelo método de carbono-14 (cerca de 40.000 da sua meia-vida de 5.730 anos, a precisão para tempos curtos é insatisfatória. No entanto, usando o anos) foram encontradas em bacias sedimentares do modelo exponencial, é possível determinar tempos de Nordeste do Brasil: residência de algumas décadas. Já o 3H, por possuir • em poços que explotam o aqüífero Açu, na região de uma meia-vida de somente 12,43 anos, pode ser Mossoró, na Bacia Potiguar, produzindo paleoáguas usado na identificação de recargas no horizonte de (Frischkorn et al., 1988); alguns anos. 266 Cap_4.3_FFI.indd 12 9/12/2008 21:26:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Esta metodologia foi aplicada em aqüíferos temperatura por cerca de +5oC. Estas medidas foram fissurais do cristalino cearense, onde foram feitas a primeira prova que a mudança de temperatura na coletas sistemáticas em 15 poços durante cinco anos transição pleistocênico/holocênico aconteceu na (Frischkorn et al., 1989). Os resultados das medidas mesma medida tanto nos trópicos como em locais de de 14C, expressos em pMC, e de 3H, expressos em TU, maiores latitudes. estão apresentados na figura 4.3.15. Para utilizar o modelo exponencial para 14C, Frischkorn et al. (1989) utilizaram uma função de entrada baseada em valores nas chuvas no hemisfério sul, obtidos por Nydal & Lovseth (1983), ponderada para os meses mais chuvosos, março, abril e maio. Estes valores representam A0 na equação (4.3.21). Esta equação foi utilizada para simular a atividade de saída A(n), onde n é a data da coleta, considerando cinco valores para o fator q de correção (equação 4.3.15) (1,0; 0,95; 0,90; 0,85; 0,80) e os tempos de residência de 2 a 100 anos. A comparação entre os valores obtidos na simulação e os tempos de residências obtidos com as amostras, mostrou que o fator q de correção se situa no intervalo 1 > q > 0,95 e que as 18 águas no aqüífero fissural possuem tempos de residência, Figura 4.3.16 - δ O versus idade de águas da Bacia Sedimentar na maioria dos casos, de algumas décadas. do Parnaíba. O degrau de 3,4‰ corresponde a um aumento na temperatura atmosférica de quase 5oC, ocorrida há cerca de 12.000 anos (adaptado de Geyh et al., 1991). Determinação da Taxa de Infiltração e Evaporação de Açudes A utilização de isótopos no estudo da interação de açudes com águas subterrâneas foi tratada no item Identificação de Interação entre Água Superficial e Subterrânea. Neste tópico serão abordadas as aplicações de isótopos no estudo da taxa de infiltração e evaporação analisando-se apenas a água de açudes. A evaporação causa um aumento do valor δ (para 18O e D) na água remanescente, de acordo com a Figura 4.3.15 - Trítio versus 14C em águas subterrâneas equação (4.3.5). Já a infiltração e a tomada d’água do armazenadas no cristalino. A presença de 3H em todas as reservatório produzem uma redução no volume sem amostras indica águas jovens. Com exceção de poucas causar mudanças isotópicas. Esta diferença entre os amostras, as águas são claramente marcadas pelos testes dois processos permite separar o volume evaporado nucleares na atmosfera (adaptado de Frischkorn et al., 1989). do volume infiltrado na redução volumétrica. Tomando um tanque classe A como modelo de reservatório sem infiltração, mede-se o enriquecimento paleoáguas e paleoclima em isótopo pesado, δ, em função da fração V/V0 Com a iminência de uma mudança no clima mundial, = f, sendo V0 o volume inicial e V o volume final o passado climático na Terra desperta grande interesse. remanescente de água (figura 4.3.17). Observa- Neste tipo de pesquisas, as medidas isotópicas são se que os valores de δ crescem até atingirem um utilizadas como instrumento importante, principalmente patamar, considerado como saturação isotópica, onde no estudo de sedimentos e de gelo meteórico dos permanecem constantes. A função que relaciona a pólos. Como δ18O em chuvas é função da temperatura variação de δ com a fração f é dada por: atmosférica (item 4.3.4, equação 4.3.6), medidas de 18O n em paleoáguas, datadas com 14C, permitem reconstituir  δ − δ sat  = V (4.3.23) o clima local para os últimos 40.000 anos.  δ0 − δsat  V0 Um estudo de paleoáguas e paleoclima foi feito no aqüífero Serra Grande, na região de Picos, sudoeste sendo δsat o valor do patamar, ou seja, na saturação e do Piauí (Frischkorn et al., 1984; Geyh, 1991). A figura δ0 o valor inicial. O expoente n descreve as influências 4.3.16 apresenta os resultados de δ18O em função ambientais (especialmente insolação, umidade e vento) da idade para as amostras. A mudança brusca no sobre a evaporação. As curvas que atingem o δsat, na 18O há cerca de 12.000 anos indica uma elevação da figura 4.3.17, representam este processo. 267 Cap_4.3_FFI.indd 13 9/12/2008 21:26:30 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos Identificação de Área de Recarga e do Tempo de Residência A resposta s(t) de um aqüífero a uma recarga marcada f(t) é dada pela integral de convolução: t s(t) = ∫ f(t, )g(t − t, )dt, −∞ sendo g(t) a função característica do aqüífero que descreve a modificação sobre a marca no aqüífero. Figura 4.3.17 - δ18O versus fração de volume remanescente. Para um aqüífero sem estratificação com recarga anual (modelo exponencial): Em reservatórios com perdas por infiltração, acontece, simultaneamente com a evaporação, uma 1 (−t / ta ) redução do volume sem mudança isotópica, pois na g(t) = eta infiltração a água é retirada com a composição isotópica que tenha nesse momento. Assim, os pontos da curva sendo ta o tempo de residência. de evaporação (curva vermelha) são deslocados, Para uma recarga com marcação sazonal do tipo produzindo a curva azul, que não atinge a saturação. senoidal: Adaptando a equação à curva, obtém-se um expoente m que descreve estas influências (m > n): f (t) = A sen2πν t  mδ − δsat  V sendo ν = 1/ano. A resposta do aqüífero também é  = (4.3.24)δ − δ  V senoidal, porém, com amplitude amortecida e com  0 sat  0 defasagem (α). Desta forma: Como Santiago (1984; 1986) mostra, a razão dos expoentes permite determinar o volume evaporado, E, s(t) = Bsen(2π ν t − α) e o volume infiltrado, I, através das equações (4.3.25) sendo: e (4.3.26), que estão detalhadamente deduzidas nestas referências: B = A  e tanα =2πν tm ( ) 1+ 2πν t= −  ( a ) 2  a E V0 V (4.3.25) n Obtém-se, portanto, o tempo de residência tanto =  n −  da relação entre as amplitudes de estimulação e I  1E (4.3.26) m  resposta (equação 4.3.27), como pela defasagem da resposta (equação 4.3.28): Santiago (op. cit.) aplicou este método ao açude Pereira de Miranda em Pentecostes/Ceará. Os valores de A B − 1 δ18O e dos volumes do açude, associados à precipitação ta (anos) = (4.3.27)2π mensal na área, estão mostrados na figura 4.3.18. Figura 4.3.18 - Variação do volume e de δ18O do açude Pereira de Miranda e as chuvas mensais em Pentecostes – Ceará de 1979 a 1983 (adaptado de Santiago, 1984). 268 Cap_4.3_FFI.indd 14 9/12/2008 21:26:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações tanα Exercícios propostos ta (anos) = 2π (4.3.28) 1) Como distinguir água de torneira, com sal do mar, de Estas equações são, inequivocamente, usáveis água do mar? apenas para α no intervalo de 0 a 3 meses 18 correspondendo a, no máximo, ta ≈ 1 ano). 2) A água subterrânea de uma região tem δ O = -4,0‰ Este método foi aplicado por Frischkorn (1984) no enquanto a média ponderada das chuvas é de - 3‰. freático de Fortaleza. A figura 4.3.19 mostra os valores Que se pode deduzir sobre a recarga do aqüífero? de δ18O de dois poços, um na zona norte (Aldeota) e 3) Uma água originada de chuvas apresenta δ18O = outro na zona sul (Pajuçara) de Fortaleza, em resposta -6,0‰. Qual é o valor de δD esperado pela GMWL? à recarga pelas chuvas, caracterizadas na figura 4) Considerando um erro de 0,1‰ para medidas e δ18O, 4.3.20. A relação das amplitudes revela um tempo de qual é a precisão na determinação da elevação da área residência de poucos anos somente. de recarga de um aqüífero através do efeito de altitude É importante a diferença de 1,6‰ entre os poços. O (0,20 ‰/100 m)? valor de -1,6‰ (Aldeota) é compatível com as chuvas 5) A água subterrânea é, via de regra, isotopicamente da costa (-1,8‰), já o de -3,2‰ de Pajuçara, não. mais leve que as chuvas que a geram. Por quê? Como Levando em conta um efeito continental de δ18O/∆x = esta diferença pode ser usada no hidrograma de um rio 0,02‰/km, onde ∆x é a distância à costa, sobra uma para determinar, separadamente, as contribuições de diferença de 1,2‰ a ser explicada. Nesse caso, a água subterrânea e de escoamento superficial (hyrograph presença de serras na zona sul da cidade oferece uma separation)? solução. O efeito de altitude de 0,2‰/100 m, como encontrado em outras regiões do mundo, indica chuvas 6) Para as chuvas de um dado local, a média ponderada de δ18O é de -4,0 ‰ e de δD = -22,0‰. Calcular: orográficas a elevações em torno de 600 m como fonte 18 de recarga dos aqüíferos de Pajuçara. a) δ O e δD para um aumento da temperatura média por 3 oC. b) δ18O e δ D para um resfriamento por -5 oC. 7) Na evaporação, o coeficiente de enriquecimento para 18O é de 1,0083 (para 30oC). Qual é o valor δ18O, em relação à água inicial, após 50% de evaporação? 8) Quais são os parâmetros que distinguem paleoáguas (mais de 10.000 anos de idade) de águas modernas? 9) Calcular as idades (não corrigidas: q = 1) “convencional” e correta para uma água com pMC = 13. Comparar a diferença com o erro de medida. 10) Mistura-se água velha (pMC = 3) com água nova (pMC = 100) na razão volumétrica 4 para 1. Calcular: Figura 4.3.19 - δ18O nas águas subterrâneas de dois poços a) a pMC da mistura; na região metropolitana de Fortaleza, Ceará - um em Aldeota b) as idades dos componentes; e um em Pajuçara (adaptado de Frischkorn,1984). c) a idade aparente da mistura. 11) A água subterrânea de uma região não contém 3H. Que se pode deduzir da recarga do aqüífero? 12) Uma amostra de água subterrânea do semi-árido brasileiro apresenta pMC = 20 e δ13C = -12,0 ‰. Determinar a idade corrigida. 13) A atividade específica (Ao) do “carbono vivo” é de 13,6 dpm/gC. Determinar a concentração de 14C/12C. 14) Um copo com água contém uma solução de 100 g de sal em 1 litro de água. A cada minuto troca-se 1 mL da solução por água destilada. Pede-se: a) determinar o tempo de residência do sal no copo; b) determinar a “meia-vida” do sal; Figura 4.3.20 - δ18O nas chuvas mensais de Fortaleza c) desenhar a concentração C(t) do sal no reservatório (adaptado de Frischkorn,1984). e marcar os dois parâmetros na curva. 269 Cap_4.3_FFI.indd 15 9/12/2008 21:26:31 Capítulo 4.3 - Métodos Isotópicos Referências _______. stable isotope hydrology. Viena: IAEA, 1981. (Technical Reports Series no 210). CLARK, I. D.; FRITZ, P. Environmental isotopes in hydrogeology. Boca Raton, FL: CRC Press, 1997. _______. Environmental isotope data nº. 6. World 328 p., il. survey of Isotope concentration in precipitation (1972-1976). Viena : IAEA, 1979. (Technical Reports CRAIG, H. Standard for reporting concentrations of Series, n. 192). deuterium and oyygen-18 in natural waters. science, [New York], v. 133, n. 3467, p. 1833 – 1834, 1961a. KEHEW, A. E. Applied chemical hydrogeology. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 2001. 368p. ______. Isotopic variations in meteoric waters. science, [New York], v. 133, n. 3465, p. 1702-1703, May 1961b. LIBBY, W. F. Radiocarbon dating. [Chicago]: The University of Chicago Press, 1952. 124 p., il. DANSGAARD, W. Stables isotopes in precipitation. Tellus, [S.l.], v. 16, n. 4, p. 436, 1964. LIBBY, W. F. et al. Age determination by radiocarbon content, word-wide assay of natural radiocarbon. FRISCHKORN, H. Medidas isotópicas para a determi- science, [S.l.], v. 169, p. 227-228, 1949. nação da origem da água e seu tempo de residência no lençol de Fortaleza. In: CONGRESSO BRASILEIRO MENDONÇA, L. A. Recursos hídricos da chapada DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 3., 1984, Fortaleza. do Araripe. 2001. 193 f. Tese (Doutorado)-Departa- Anais... São Paulo : ABAS, 1984. p. 111- 121. mento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, Univer- sidade Federal do Ceará, [Fortaleza], 2001. FRISCHKORN, H. et al. Aspectos hídricos do Cariri. In: SIMPÓSIO SOBRE A BACIA DO ARARIPE E BA- MENDONÇA, L. A. et al. Detecção de conexão CIAS INTERIORES DO NORDESTE, 1., 1990, Crato. hidráulica entre aqüíferos utilizando modflow. SIM- Anais... [S.l.]: DNPM, 1990. p.99-110. PÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS, ______. Isotope study of wells in crystalline rock of 12.,1997, Vitória/ ES. Anais...São Paulo: ABRH, 1997. the semi-arid Northeast of Brazil. In: ISOTOPE Hy- 4v. v.2, p. 93-101. drology Investigation in Latin America. Viena: IAEA, MÜNNICH, K. O. Messungen des 14C-Gehalts von 1989. p. 73-79. (IAEA- TECDOC – 502). hartem Grundwasser . Die Naturwissenschaften, ______. Dados isotópicos e hidroquímicos da porção Berlin, v. 44, p. 32-39, 1957. oriental da Bacia Potiguar. In: CONGRESSO BRASILEI- NYDAL, R.; LÖVSETH, K. Tracing bomb 14C in the RO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 5., 1988, São Paulo. atmosphere. J. Geophys. Rev., [S.l.], v. 88, n. 6, p. Anais... São Paulo: ABAS, 1988. p. 144-153. 36-42, 1983. ______. Medidas isotópicas em aqüíferos profundos PEARSON, F. J. Use of 13C/12C ratios to correct radio- na região centro-leste do Piauí. In: CONGRESSO carbon ages of materials initially diluted by limestone. BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 3., 1984, In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON RADIOCAR- Fortaleza. Anais... São Paulo : ABAS, 1984. p. 42-51. BON AND TITIUM DATING, 6., 1965, Pullman, WA. GEYH, M.A. Carbon-14 concentration of lime in soils [proceedings...]. [S.l.:s.n.], 1965. p.357-66. and aspects of the carbon-14 dating groundwater. ROZANSKI, K.; ARAGUÁS-ARAGUÁS, L.; GONFIAN- In: ISOTOPE HYDROLOGY 1970. Viena : IAEA, 1970. TINI, R. Isotopic patterns in modern global precipita- p. 215-23. tion. In: SWART, P. K. et al. (Ed.). climate change GEYH, M.A.; MAIRHOFER, J. Der natürliche 14C und in continental isotopic records. Washington, D.C.: 3H-Gehalt der Wässer. steyr. Beitr. Hydrogeol., American Geophysical Union, 1993. p.1-36. (Geo- Berlin, v. 22, p. 63-81, 1970. physical Monograph Series, 78). GEYH, M.A. et al. Contribuição para a história climá- SALOMONS, W; MOOK, W. G. Isotope geochemistry tica do Nordeste do Brasil. In: HOHLEIN, H. (Org.). of carbonate dissoltion and reprecipitation in soils. Bases para o futuro: 20 anos de cooperação cientí- soil science, Baltimore, v. 122, p. 15-24, 1976. fica e tecnológica. Jülich: Ed. KFA, 1991. p. 159-165. SANTIAGO, M. F. Fracionamento isotópico da água GROSSE, A. V. Estudios de hidrologia isotópica en durante o processo de evaporação. 1972. 65 f. America Latina 1994. Viena: IAEA, 1995. (TECDOC- Dissertação (Mestrado) - Universidade de São Paulo, 835). São Paulo, 1972. GROSSE, A. V. et al. Tritium in nature. science, ______. Mecanismos de salinização em regiões [New York] v. 113, n. 2923, p. 1-2, 1951. semi-áridas: estudo dos açudes Pereira de Miranda INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Es- e Caxitoré‚ no Ceará. 1984. 176 f. Tese (Doutorado) – tudios de hidrologia isotópica en America Latina Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, 1994. Viena: IAEA, 1995. (IAEA-TECDOC-835). São Paulo, 1984. 270 Cap_4.3_FFI.indd 16 9/12/2008 21:26:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações SANTIAGO, M. F. et al. The recharge mechanisms in an alluvial aquifer zone in Northeast Brazil. Ground Water, 2001. Worthington, Ohio, v. 39, n. 1, p. 18-23. SANTIAGO, M. F. et al. Estudo hidroquímico das águas subterrâneas do aqüífero Cabeças no Vale do Gur- guéia – PI. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS, 13., 1999, Belo Horizonte. Resumos... Belo Horizonte: ABRH, 1999. p. 119. SANTIAGO, M. F. et al. Fracionamento isotópico da água (18O e D) do açude Santo Antônio de Russas durante a evaporação. R. bras. Geoc., São Paulo, v. 5, p. 106-112, 1975. SANTIAGO, M. F. et al. Characterization of groundwater in the Cariri (Ceará/Brazil) by environmental isotopes and electric conductivity. Radiocarbon, New Haven, v. 39, n. 1, p. 49 – 60, 1997. SILVA, C. M. S. V. Estudo da dinâmica da água sub- terrânea no cariri com base em dados de trício. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Física, Universidade Federal do Ceará, [Fortaleza], 1992. ______. Modelo fenomenológico para circulação da água na bacia sedimentar do cariri com base em isótopos e hidroquímica. Tese (Doutorado) - Departamento de Física, Universidade Federal do Ceará, [Fortaleza], 1996. SUESS, H. E. Natural radiocarbon measurements by acetylene counting. science, Washington, D. C., v. 120, n. 3105, p. 5-7, jul. 1954. 271 Cap_4.3_FFI.indd 17 9/12/2008 21:26:31 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 4.4 SENSORIAMENTO REMOTO Carlos Eduardo Sobreira Leite 4.4.1 Introdução para essa missão, com uma lente de 80 mm, conduziu o primeiro programa formal de fotografias aéreas desenvolvimento tecnológico de sensores dirigidas para a geologia. A cobertura incluiu fotografias Od e grandes altitudes a bordo de satélites, aproximadamente verticais e parcialmente sobrepostas que conseguem enxergar e registrar do sudoeste dos Estados Unidos, nordeste do México radiações eletromagnéticas emitidas por corpos na e outras áreas da América do Norte, África e Ásia, superfície do planeta, permitiu que diversos ramos da proporcionando descobertas nas áreas de tectônica, ciência pudessem incorporar em suas pesquisas uma vulcanologia e geomorfologia. nova e poderosa ferramenta de auxílio à interpretação O primeiro experimento controlado, envolvendo a e compreensão da dinâmica dos nossos recursos aquisição de fotografias multi-espectrais para pesquisas naturais. na superfície da terra foi realizado em um dos vôos da Por ter como principal característica proporcionar uma missão Apollo (Apollo 9), preparado prioritariamente análise integrada de grandes áreas e permitir que regiões para a exploração da lua. Naquela nave espacial foi de difícil acesso possam ser trabalhadas, a geologia é implantado um conjunto de 4 câmeras Hasselblad uma das ciências que mais proveito tem tirado desses 70 mm e obtidas cerca de 140 coleções de imagens, produtos, principalmente na área da hidrogeologia. cobrindo parte do sudoeste, centro-sul e sudeste dos Nesse capítulo são discutidos os princípios Estados Unidos, bem como parte do México. básicos do Sensoriamento Remoto e as técnicas de Em função dos bons resultados obtidos, a NASA processamento digital de imagens orbitais que melhor - National Aeronautics and Space Administration, em se aplicam às pesquisas hidrogeológicas, procurando cooperação com o Departamento do Interior dos ressaltar a identificação e entendimento de feições de Estados Unidos, idealizou, em 1967, o programa de interesse à explotação de água subterrânea. lançamentos de satélites específicos para pesquisas da terra (Earth Resources Technolology Satellite – 4.4.2 Evolução do Conhecimento ERTS), com a proposta de 7 lançamentos, tendo sido o primeiro realizado em 23 de julho de 1972, Em muitos aspectos, os esforços iniciais para o ERTS-1, seguido dos lançamentos dos ERTS-2 e imageamento da superfície do nosso planeta, a partir ERTS-3. A partir de então, o programa foi renomeado de satélites, podem ser considerados como um acaso para LANDSAT (Land Satellite), consolidando a era das provocado pelos satélites meteorológicos. Através aquisições de imagens digitais. Os bons resultados do refinamento dos sensores, os meteorologistas produzidos por esse primeiro programa específico de começaram a receber imagens mais distintas da imageamento orbital da superfície do planeta levaram superfície da terra e, a partir de então, iniciaram a diversos pesquisadores, em centros distintos, a pensar coleta de dados de água e neve na superfície terrestre, em novos programas, incluindo novos sensores em lançando a idéia de não olhar para, mas também, faixas espectrais específicas, melhorando, inclusive, através da atmosfera. a resolução espacial das imagens. O LANDSAT-7 foi Os programas americanos Mercury, Gemini e Apollo, lançado em 15 de abril de 1999, tendo sua operação a partir de 1960, foram os responsáveis por uma nova em órbita administrada pela NASA e a comercialização era no campo do sensoriamento remoto, sendo que em dos seus produtos administrada pelo Serviço Geológico maio de 1961, no programa Mercury, foram obtidas 150 Americano (United States Geological Survey - USGS). fotografias, entretanto, em função da trajetória da nave, Em fevereiro de 1986, o CNES - Centre National as fotos registraram apenas o céu, nuvens e oceano. d’Études Spatiales, órgão do Governo Francês, Dentro do mesmo programa, durante a missão MA-6, lançou o primeiro satélite da série SPOT (Satellite foram obtidas 48 fotografias coloridas com uma câmera Pour l’Observation de la Terre), cujos produtos são, em 35 mm. A missão GT-4, do programa Gemini, com conjunto com os produtos da série LANDSAT, os mais uma câmera Hasselblad especificamente modificada utilizados em pesquisas hidrogeológicas no Brasil. O 273 Cap_4.4_FFI.indd 1 9/12/2008 21:28:36 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto quinto satélite dessa série, o SPOT-5, foi lançado em Neste tópico, são discutidos os conceitos e 4 de maio de 2002, do centro espacial de Kouro, na fundamentos básicos do Sensoriamento Remoto, Guiana Francesa. enfocando a energia utilizada, sua propagação e suas No início dos programas de aquisição de imagens interações com a atmosfera e com o alvo de interesse digitais, dois principais fatores contribuíram para a na superfície da terra. pequena disseminação das técnicas de processamento Em Sensoriamento Remoto, o termo alvo refere-se a dessas informações: o custo dos produtos e o suporte um objeto, feição ou área na superfície terrestre sobre computacional necessário. Por conta desses fatos, apenas o qual se pretende obter algum tipo de informação e os grandes centros desenvolveram pesquisas específicas que é imageado pelo sensor a bordo de satélites. nas diversas áreas da ciência e, principalmente, na Geologia. Entretanto, a partir dos primeiros bons Fonte de Energia e o Espectro Eletro- resultados obtidos, tornou-se evidente o interesse de diversas instituições, tanto na produção como no magnético uso dessas informações, proporcionando pesquisas Uma necessidade básica em Sensoriamento específicas com a finalidade de melhoria da sua qualidade Remoto é que se tenha uma fonte de energia que e alternativas de menor custo. Esse fato, aliado ao rápido ilumine ou forneça energia eletromagnética ao alvo de desenvolvimento na área da informática, que, por sua interesse (a menos que esse alvo emita sua própria vez, possibilitou a utilização de equipamentos com maior energia). Os sensores que têm sua própria fonte de capacidade de armazenamento e processamento de energia e que a emitem ao alvo registrando a energia dados a custos mais compatíveis, permitiu a instalação que é refletida, são denominados de ativos, enquanto de grupos de pesquisa em processamento digital de aqueles que se utilizam de uma fonte externa de imagens orbitais, proporcionando inúmeros trabalhos energia são denominados de passivos. nas mais diversas áreas do conhecimento. Os sensores utilizados em satélites de pesquisa Na área de Hidrogeologia, as técnicas de dos recursos naturais da terra são do tipo passivos, processamento digital são cada vez mais aplicadas utilizando o sol como fonte de emissão de energia. na identificação de feições geológicas de interesse Deve ser lembrado, entretanto, que qualquer material à prospecção de água subterrânea, principalmente com temperatura acima do zero absoluto (0oK ou quando se faz necessário o conhecimento regional do -273oC) emite radiação eletromagnética em função comportamento estrutural. de oscilações atômicas e moleculares. Assim, a Pode-se encontrar, atualmente, na literatura, quantidade de energia que um corpo pode emitir diversos exemplos de aplicações de sensoriamento é, dentre outros fatores, principalmente função da remoto orbital em pesquisas hidrogeológicas, desde temperatura de sua superfície. a utilização de técnicas simples para identificação A radiação eletromagnética consiste de um preliminar de descontinuidades geológicas de grande campo elétrico que varia em magnitude na direção e média extensão, não tão visíveis em fotografias perpendicular à direção de propagação da radiação aéreas convencionais, até aplicações de técnicas mais e de um campo magnético perpendicular ao anterior complexas para identificação de relações do tipo áreas (figura 4.4.1). A velocidade de propagação da onda de umidade preservada e fraturas. A interpretação e eletromagnética no vácuo é igual à velocidade da luz o tratamento estatístico de feições estruturais lineares (c = 3 x 108 m/s). ou fotolineamentos (quando identificadas em imagens) As duas principais características da radiação permitem, por exemplo, a definição de áreas potenciais eletromagnética são o comprimento de onda e a à pesquisa posterior de detalhe, objetivando a locação freqüência. A primeira é definida como sendo a de poços em aqüíferos descontínuos. Pelo fato de distância entre dois picos sucessivos de ondas e é proporcionarem pesquisas preliminares a baixo custo, usualmente representada pela letra grega lâmbda (l) e além de serem, por vezes, a única fonte de dados em regiões do planeta onde mapas, pesquisas geológicas e outras informações não existem ou não são precisas, a geologia é uma das ciências que mais utiliza imagens orbitais para desenvolvimento de suas atividades. 4.4.3 Conceitos e Fundamentos Básicos O Sensoriamento Remoto pode ser definido como sendo a obtenção de informações sobre um objeto ou sobre um fenômeno através da análise de dados recolhidos por um equipamento ou sensor sem contato direto com aquele objeto ou fenômeno. Figura 4.4.1 - Onda eletromagnética. 274 Cap_4.4_FFI.indd 2 9/12/2008 21:28:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações medida em metros (m). A freqüência (f) é definida como Unidade Símbolo Equivalência sendo o número de ondas que passa por um ponto fixo em um determinado tempo e é normalmente medida centímetro cm 1 cm = 0,01 m em hertz (Hz), que equivale a um ciclo por segundo. milímetro mm 1 mm = 0,001 m A freqüência e o comprimento de onda podem ser 1 µm = 0,000001 m micrômetro µm relacionados pela seguinte equação: 1 µm = 0,001 mm 1 hm = 0,000000001 m c = l . f (4.4.1) nanômetro hm 1 hm = 0,001 hm sendo c a velocidade da luz, l o comprimento de onda angstrôn Å 1 Å = 0,1 nm (m) e f a freqüência (Hz). Tabela 4.4.1 - Unidades métricas. A radiação eletromagnética pode ser encontrada em infinitas faixas de comprimentos de onda ou freqüências. O espectro eletromagnético (figura 4.4.2) Interação da Radiação Eletromagnética é subdividido em faixas que representam regiões com com a Atmosfera características semelhantes em termos de processos físicos geradores de energia ou dos mecanismos Antes da radiação eletromagnética, independente físicos de detecção dessa energia. da fonte de energia, alcançar um alvo na superfície A luz que nossos olhos, ou nossos sensores remotos, da terra, ela necessariamente deve percorrer um certo podem detectar corresponde à faixa de 0,4 µm a 0,7 µm. caminho na atmosfera interagindo com partículas As cores azul, verde e vermelha são as cores primárias e gases ali existentes que podem afetar o seu e são assim definidas porque todas as outras cores comportamento. Esses efeitos são conhecidos por podem ser formadas pela combinação dessas, em espalhamento, reflexão e absorção. várias proporções. O espalhamento se dá quando partículas ou Outra faixa de interesse em Sensoriamento gases interagem com a radiação desviando-a do Remoto é a do infravermelho, que pode ser dividido seu caminho original e depende, principalmente, do comprimento de onda, quantidade e tamanho das em três categorias: infravermelho próximo (0,7 µm partículas e da distância que essa radiação tem de a 1,3 µm), infravermelho médio (1,3 µm a 3 µm) e percorrer até o alvo e pode, ainda, ser de 3 tipos: o infravermelho termal ou distante (3 m a 1 mm). Rayleigh, Mie e não seletivo. Apenas o infravermelho termal é associado com a O tipo Rayleigh é o dominante na atmosfera e se temperatura. dá quando o tamanho das partículas é bem menor Os comprimentos de ondas maiores correspondem que o comprimento de onda da radiação incidente. à faixa das microondas (1 mm a 1 m) e ondas de rádio Quanto menor o comprimento de onda, maior o efeito e televisão (acima de 1 m), enquanto as menores desse espalhamento. Esse fenômeno é o responsável correspondem às faixas ultravioleta (10 nm a 400 pela cor azul do céu já que grande parte da energia nm), raios X (1 Å a 10 nm) e raios ϒ (inferiores a 1 da radiação solar está no intervalo do visível, entre Å). É importante ressaltar que não existe um limite o vermelho e o violeta, como apresentado na tabela exato e perfeitamente definido entre uma faixa e 4.4.2. Por ter o comprimento de onda pequeno, a cor outra do espectro eletromagnético. Na tabela 4.4.1 é azul é bem mais espalhada que as demais. Era de se apresentada uma síntese das unidades métricas. esperar que, por ter comprimento de onda menor que Figura 4.4.2 - Espectro eletromagnético. 275 Cap_4.4_FFI.indd 3 9/12/2008 21:28:37 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto Violeta 0,4 µm a 0,446 µm Azul 0,446 µm a 0,5 µm Verde 0,5 µm a 0,578 µm Amarelo 0,578 µm a 0,592 µm Laranja 0,592 µm a 0,620 µm Vermelho 0,620 µm a 0,7 µm Tabela 4.4.2 - Faixas de comprimentos de onda no visível. Figura 4.4.3 - Interação da radiação eletromagnética com a cor azul, o céu nos parecesse violeta, entretanto, a o alvo. A radiação incidente (RI) pode ser refletida (RR), quantidade de energia nessa faixa específica é bem transmitida (RT) ou absorvida (RA), sendo que RI = RR + menor que a contida no azul e nossos olhos são muito RT + RA. mais sensíveis à luz azul. O espalhamento tipo Mie ocorre quando as partículas de onda, o que significa que diferentes alvos podem não têm tamanhos semelhantes ao comprimento de onda da ser distinguidos em uma determinada faixa do espectro, radiação, enquanto o tipo não seletivo ocorre quando mas podem ser claramente diferenciáveis em outra. o tamanho das partículas é bem maior. A reflexão da RI por um alvo na superfície da A reflexão ocorre na interface entre dois meios terra pode se dar de duas formas básicas: especular diferentes, quando parte da radiação incidente é e difusa. Na reflexão especular os ângulos de enviada de volta. Os principais refletores na atmosfera reflexão são iguais aos de incidência enquanto são as nuvens, cuja competência para reflexão na difusa a reflexão se dá em todas as direções depende, principalmente, da sua espessura. (figura 4.4.4). Na absorção, a radiação interage com os constituintes As reflexões difusas contêm informações sobre a atmosféricos perdendo energia que é detectável como cor da superfície do alvo, o que não acontece com aumento de temperatura. Os principais constituintes a reflexão especular e por isso, em Sensoriamento absorventes de radiação são o dióxido de carbono Remoto o maior interesse está em medir a reflectância (CO ), o vapor de água (H O) e o ozônio (O ), sendo difusa dos alvos investigados. A reflectância de 2 2 3 este último o responsável pela absorção da radiação diferentes tipos de alvos pode ser medida através ultravioleta nociva, originária do sol. da quantificação da fração de energia incidente que é refletida, permitindo que sejam construídas as chamadas curvas de reflectância espectral para Interação da Radiação com o Alvo diferentes comprimentos de onda, como ilustrado na figura 4.4.5. Nesta figura pode se observar a alta Ao alcançar a superfície da terra, a fração da reflectância da vegetação no intervalo de comprimento radiação eletromagnética que não foi refletida, de onda de 0,8 µm a 1,2 µm (em torno de 40%) e do solo absorvida ou espalhada totalmente na atmosfera, no intervalo de 1,6 µm a 2,6 µm (em torno de 45%). A pode interagir com o alvo de interesse de três maneiras água apresenta baixa reflectância (menos que 10%). distintas: pode ser absorvida, refletida ou transmitida (figura 4.4.3). A absorção se dá quando parte da radiação incidente (RI) é absorvida pelo alvo; a reflexão, quando a parte Radiação Radiação Radiação de RI atinge o alvo e é redirecionada; e a transmissão, incidente refletida incidente quando a parte de RI passa através do alvo. A interação das radiações com o alvo e a inter- RI RR RI relação das frações RR, RT e RA são fundamentais Radiação refletida para entendimento e pesquisa de alvos em RI = RR Sensoriamento Remoto. A proporção de RR, RT e RA Reflexão especular Reflexão difusa varia, principalmente, em função do tipo de material, ( a ) ( b ) o que permite que diferentes tipos de feições na superfície terrestre possam ser distinguidas. Figura 4.4.4 - (a) Reflexão especular – o ângulo de incidência Outro fator relevante é que as proporções de RR, RT é igual ao ângulo de reflexão e (b) Reflexão difusa – a reflexão e RA também irão variar para diferentes comprimentos se dá em todas as direções. 276 Cap_4.4_FFI.indd 4 9/12/2008 21:28:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.4.5 - Curvas de reflectância espectral típicas para vegetação, solo e água. A reflectância é expressa em %, indicando a fração da radiância incidente que é refletida pelo alvo para cada comprimento de onda (adaptado de Llilesand & Kiffer, 1994). 4.4.4 Características das Imagens Orbitais Antes de se iniciar quaisquer considerações sobre imagens, é fundamental que se esclareça as diferenças entre imagens orbitais e fotografias. Uma fotografia é obtida através de reações químicas na superfície de um filme sensível à luz, que registra as variações de energia em uma determinada cena. Os sensores eletrônicos geram sinais elétricos que correspondem às variações de energia dentro de uma cena. Quando representamos essas informações registradas eletronicamente em papel, temos, portanto, em Sensoriamento Remoto, uma imagem e não uma fotografia. Uma fotografia, ao ser digitalizada, pode ser Figura 4.4.6 - Origem das coordenadas em uma imagem apresentada em um formato digital pela sua divisão digital hipotética, pixels e níveis de cinza ou DNs. DN 0 (zero), cor preta, DN 255, cor branca. Os valores de DN exemplifica- em elementos discretos ou pixels (picture cell) para dos correspondem ao nível de cinza verdadeiro no espaço os quais são associados valores relativos ao brilho. RGB (Red, Green, Blue). Cada um desses valores atribuídos é denominado de média de todos os elementos que se encontram em número digital ou DN (digital number) e tem-se, dessa uma área de 30 m versus 30 m = 900 m2, no solo. forma, uma imagem digital produzida a partir de uma Cada sistema sensor também apresenta fotografia primária. características próprias com relação à largura e Uma imagem digital pode ser definida como uma matriz bidimensional de x colunas e y linhas, sendo que número de faixas espectrais que pode registrar. Essa para cada ponto da matriz, ou pixel, é associado um valor propriedade define a sua resolução espectral. O (nível de cinza ou numero digital ou DN) que representa termo bandas, em Sensoriamento Remoto, refere-se a radiância definida como o fluxo de energia radiante de ao número de faixas espectrais possíveis de serem uma fonte, numa determinada direção, por unidade de registradas por cada sistema. área. A radiância de um ponto nessa matriz, ou de um A resolução radiométrica é inerente ao número pixel na imagem, representa, na verdade, uma média de níveis de cinza (DNs) utilizados para registrar as das radiâncias de todos os elementos que compõem informações em cada cena e é expressa em bits. o pixel. A origem do sistema de coordenadas em uma Sistemas de 6 bits correspondem a 64 níveis de cinza, imagem digital é representada pelo canto superior 8 bits a 256 níveis e 10 bits a 1.024 níveis. Um nível esquerdo da imagem, ou da matriz (figura 4.4.6). de cinza, ou DN, igual a zero corresponde ao preto O tamanho do pixel representa a resolução espacial absoluto, enquanto um nível de cinza, ou DN, máximo, da imagem e é, por sua vez, determinado pela corresponde ao branco absoluto (DN = 63 em 6 bits, capacidade do campo instantâneo de visada, ou IFOV DN = 255 em 8 bits e DN = 1.023 em 10 bits). Note (instantaneous field of view), do sensor (cada sensor tem que o número de níveis de cinza corresponde a uma um IFOV característico). O IFOV representa a área no potência de 2 ( 26bits = 64 níveis, 28bits = 256 níveis, terreno “enxergada” pelo sensor em um determinado 210bits = 1.024 níveis). Os níveis de cinza, ou DNs, de instante. Um sensor com resolução espacial de uma imagem são comumente representados através 30 metros, por exemplo, corresponde a uma área de histogramas (figura 4.4.7) que informam o número, imageada no terreno de 30 m versus 30 m e um ponto na ou freqüência, de pixels na imagem que possuem um imagem (um pixel) corresponde, portanto, à radiância certo valor de DN, ou nível de cinza. 277 Cap_4.4_FFI.indd 5 9/12/2008 21:28:38 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto Uma vez que o espalhamento depende do comprimento de onda (ver tópico Interação da Radiação Eletromagnética com a Atmosfera), os valores mínimos irão variar para cada uma das bandas. Esse procedimento baseia-se no fato de que a reflectância desses corpos ou áreas de sombra deve ser muito baixa ou nula se a atmosfera está limpa, conseqüentemente, se essas feições apresentam valores de DN bem maiores que zero, considera-se que houve o fenômeno de espalhamento atmosférico. A figura 4.4.8 exemplifica, de forma esquemática, a aplicação dessa técnica, também conhecida como Subtração do Pixel Escuro, através de manipulação do histograma original de uma imagem. Figura 4.4.7 - Histograma hipotético de uma imagem digital representando o número de pixels na imagem para cada valor de nível de cinza ou DN. 4.4.5 Pré-processamento de Imagens Orbitais Antes de serem utilizadas para geração de produtos cartográficos, ou para uso com outros temas, ou, ainda, para o seu processamento, as imagens digitais devem passar por alguns tratamentos para que possam ser utilizadas de forma proveitosa. Esses procedimentos são conhecidos como pré-processamento. Correção Radiométrica Correções radiométricas podem ser necessárias devido a variações na iluminação da cena e nas Figura 4.4.8 - Ilustração da técnica de Subtração do Pixel condições atmosféricas durante a aquisição dos Escuro: DNmin = valor do menor nível de cinza no histograma dados. Cada um desses fatores irá influenciar de original; DNmáx = valor do máximo nível de cinza no histo- forma diferente na imagem adquirida, em função das grama original; d = deslocamento do histograma original em características do sensor e plataforma utilizada. relação ao DN zero em função do espalhamento atmosférico; Como visto no tópico anterior, sobre conceitos DNs = nível de cinza de saída em relação ao DN = 255 no e fundamentos teóricos, a energia eletromagnética histograma original; DNmin = valor do menor nível de cinza pode interagir com os gases e partículas presentes na no histograma transformado; DNmáx = valor do máximo nível de cinza no histograma transformado. atmosfera, provocando o fenômeno de espalhamento. Esse fenômeno pode reduzir ou atenuar a iluminação Correção Geométrica final do alvo na superfície da terra, além do que a atmosfera pode, também, atenuar a propagação da A correção geométrica de uma imagem tem por energia entre o alvo e o sensor. finalidade eliminar as suas distorções originais e associar Vários métodos de correção atmosférica podem a ela um sistema de coordenadas de forma que possa ser aplicados, desde modelagens das condições ser processada em conjunto com outros produtos. atmosféricas durante a aquisição dos dados, até As distorções geométricas de uma imagem de simples cálculos baseados somente nos dados da satélite podem se dever ao movimento dos sistemas imagem. Uma aplicação desse último seria o exame sensores e da plataforma, altitude e velocidade do dos valores de DNs de uma área de sombra ou sistema, relevo do terreno e à curvatura e rotação da de um objeto muito escuro, como um grande lago terra. A correção geométrica envolve a identificação, profundo (aparece escuro na imagem). A correção é na imagem, de pontos de coordenadas conhecidas, feita subtraindo-se o valor mínimo de DN observado, chamados de pontos de controle, que podem ser determinado para cada banda específica, de todo definidos com uso de um mapa pronto ou através da o conjunto de pixels, de cada uma das bandas a anotação, em campo, com GPS (Global Positioning serem trabalhadas. System). 278 Cap_4.4_FFI.indd 6 9/12/2008 21:28:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Os pontos de controle devem estar bem distribuídos na imagem, evitando a sua concentração em determinadas áreas, de modo que toda a cena seja corrigida de maneira uniforme. Esses pontos de controle são pontos de fácil identificação nas imagens, como cruzamentos de caminhos ou estradas e encontros de riachos e rios. Deve-se tomar bastante cuidado com corpos de água (lagos, reservatórios etc.), uma vez que estes podem mudar de forma em função do período de aquisição da imagem e nem sempre correspondem ao exato padrão que se apresentam nos mapas. A figura 4.4.9 ilustra a identificação de pontos de controle em um processo de correção geométrica. Após definidos e identificados, na imagem, todos os pontos de controle, os softwares disponíveis usam essas informações através do processo de reamostragem, Figura 4.4.10 - Método de reamostragem pelo vizinho mais que calcula, a partir da imagem original, novos valores próximo (modificado de Lillesand & Kiefer, 1994). para os pixels da nova imagem corrigida. Os principais métodos de reamostragem são o vizinho mais próximo, No método de interpolação bilinear (figura 4.4.11), interpolação bilinear e convolução cúbica. o DN do pixel da nova imagem é a média ponderada Na reamostragem pelo vizinho mais próximo dos DNs dos 4 pixels mais próximos. Essa operação (figura 4.4.10), é adotado o DN do pixel da imagem provoca alteração dos valores de DNs originais e original mais próximo da nova localização do pixel na pode não ser interessante quando se pretende aplicar imagem final. Esse é o mais simples dos métodos processamentos posteriores que se baseiam na e não altera os valores de DNs originais, entretanto resposta espectral dos alvos de interesse, como por pode provocar duplicação de valores de DNs e perda exemplo, classificações (discutidas mais adiante), de outros. sendo aconselhável, nesse caso, que se proceda essa operação após realizados os processamentos programados. Na convolução cúbica, conforme ilustrado na figura 4.4.12, a reamostragem considera a média ponderada dos 16 pixels mais próximos ao novo pixel da imagem de saída, resultando, da mesma forma que o método anterior, em valores de DNs completamente novos, cabendo a mesma observação quando da necessidade de processamentos posteriores. Figura 4.4.9 - Ilustração de pontos de controle em um mapa para registro ou correção geométrica de imagens de satélite. Pontos preferenciais são aqueles perfeitamente identificáveis Figura 4.4.11 - Método de reamostragem por interpolação nos mapas e nas imagens. bilinear (modificado de Lillesand & Kiefer, 1994). 279 Cap_4.4_FFI.indd 7 9/12/2008 21:28:39 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto Figura 4.4.12 - Método de reamostragem por convolução cúbica (modificado de Lillesand & Kiefer, 1994) 4.4.6 Realce de Imagens Digitais Neste tópico serão discutidas as técnicas utilizadas para permitir uma melhor interpretação visual de imagens digitais. O temo realce, aqui, é mais comumente utilizado no caso de processamentos aplicados a faixas espectrais ou bandas específicas, como, por exemplo, filtragens ou operações visando à Figura 4.4.13 - Histogramas hipotéticos típicos de imagens com baixo contraste (a) e alto contraste (b). intensificação de contrastes. Operações matemáticas de adição, subtração, multiplicação e divisão de bandas, além de transformações de imagens, como a técnica de análise de principais componentes, embora envolvendo processamentos combinados de dados de múltiplas faixas ou bandas espectrais, são também consideradas técnicas de realce, uma vez que objetivam à obtenção de uma nova imagem onde as feições de interesse fiquem realçadas. Constrastes Lineares e Não Lineares O aumento de contraste em uma imagem tem por finalidade facilitar a visualização de características, ou feições, de uma cena originalmente com baixo contraste, através da manipulação do seu histograma. Imagens com baixo contraste apresentam histogramas com picos relativamente altos (figura 4.4.13a), em virtude dos seus valores não ocuparem todo o intervalo disponível de níveis de cinza (0 a 255 em sistemas de 8 bits), enquanto imagens com alto contraste apresentam histogramas mais achatados, ou seja, os valores de DNs são melhor distribuídos (figura 4.4.13b). Imagens com alta radiância mostram histogramas mais deslocados para a direita (figura 4.4.14a), enquanto imagens com baixa radiância mostram Figura 4.4.14 - Histogramas hipotéticos típicos de imagens histogramas próximos à origem (figura 4.4.14b). Esse com alta radiância (a) e baixa radiância (b). No primeiro comportamento é óbvio uma vez que quanto mais caso, os valores de DNs estão mais deslocados em relação energia é refletida pelo alvo ou pela região imageada à origem. 280 Cap_4.4_FFI.indd 8 9/12/2008 21:28:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações (tópico Interação da Radiação com o Alvo), mais clara 255 será a imagem, ou, em outras palavras, os valores de DNs serão mais altos. Áreas de cordões de dunas em imagens costeiras, com teores elevados de quartzo, por exemplo, aparecem bem mais claras que as demais áreas da Função de mesma cena e são perfeitamente mapeáveis tanto transferência por inspeção visual como através da análise do seu histograma. A figura 4.4.15 mostra um exemplo na o costa oeste do Estado do Ceará. > 45 O princípio básico de aumento de contraste é o de espalhar os valores de DNs originalmente restritos a um 0 255 intervalo estreito de níveis de cinza para todo o intervalo disponível, através de uma função de transferência (figura 4.4.16). As funções de transferência definem a forma como os DNs originais serão transformados para Histograma original um novo intervalo na imagem realçada e dependem Figura 4.4.16 - Princípio da técnica de aumento de do interesse do intérprete em conseguir melhor constraste. O histograma hipotético original tem seus valores visualizar características ou feições próprias de uma de DN restritos a um pequeno intervalo e através da função de imagem. Os vários softwares de processamento transferência aplicada esse intervalo é ampliado, ocupando toda a faixa de 0 a 255. de imagens existentes usam diversas opções de manipulação de contraste, ou diversas funções de transferência, entretanto, aqui serão discutidas apenas 255 as consideradas principais. Função de A forma mais simples de manipulação de contraste transferência de uma imagem é através de uma função de multi linear transferência linear. Nesse caso, onde a função é uma reta, apenas a sua inclinação e o ponto de intersecção o com a abscissa são controlados (figura 4.4.16). A > 45 inclinação da reta, nesse caso, definirá se o contraste será expandido (inclinação > 45o), como no caso da < 45o figura 4.4.16, comprimido (inclinação < 45o) ou se não haverá expansão ou compressão, mas apenas 0 255 deslocamento da população em relação à origem (inclinação = 45o). Em alguns casos, pode-se desejar que certos Histograma original intervalos de um histograma sejam comprimidos e outros expandidos. Isso pode ser feito através de aumentos multilineares, aplicando diferentes Figura 4.4.17 - Aumento multilinear de contraste com inclinações da reta em trechos distintos do histograma compressão no primeiro trecho (inclinação < 45o) e expansão original de acordo com o objetivo (figura 4.4.17). no segundo (inclinação > 45o). Figura 4.4.15 - Bandas TM5 - 1,55 µm a 1,75 µm (a), TM4 - 0,76 µm a 0,90 µm (b) e TM3 - 0,63 µm a 0,69 m (c) originais sem realce do LANDSAT 5. A reflectância do cordão de dunas em todas as cenas é bem maior que os demais elementos da imagem, com valores de DNs bem maiores para a faixa de comprimento de onda entre 1,55 µm a 1,75 µm. As regiões no continente com DNs próximos a zero são espelhos de água e acima o oceano Atlântico. 281 Cap_4.4_FFI.indd 9 9/12/2008 21:28:40 Histograma realçado Compressão Expansão Histograma realçado Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto A equalização de histogramas (figura 4.4.18) e, dessa forma, definir os intervalos de níveis de cinza consiste em uma transformação não linear de contraste correspondentes, por exemplo, para aluviões, coberturas que reduz, automaticamente, o contraste em áreas sedimentares, áreas de embasamento, sedimentos muito claras ou muito escuras de uma imagem, costeiros etc. É evidente, portanto, a importância de se expandindo os níveis de cinza da imagem original para ter um bom conhecimento da área a ser estudada. todo o intervalo disponível, gerando um histograma final Um exemplo da potencialidade da aplicação de aproximadamente uniforme, permitindo a visualização realces em imagens é mostrado na figura 4.4.19 (banda de características da imagem anteriormente não TM7 do LANDSAT 5). Na primeira imagem original, é perceptíveis ao intérprete. impossível a identificação de quaisquer feições na 255 cena (rochas do embasamento cristalino no centro do estado do Ceará), enquanto na segunda imagem, após realçada através de manipulação do contraste pelo seu histograma, é possível a identificação de feições estruturais como uma crista de dique e uma zona de cisalhamento NNW – SSE. Na figura 4.4.20, são mostrados alguns efeitos dos tipos de aumento de contraste comentados, em uma 0 255 imagem LANDSAT 5 na faixa espectral de 0,76 µm a 0,90 µm, em área de rochas cristalinas do semi-árido do nordeste do Brasil utilizando o software SPRING v.3.6.01 do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Histograma original – INPE. A feição destacada corresponde a uma área Figura 4.4.18 - Histograma hipotético original e final após (serra) requerida para comercialização de brita, na sua equalização. Os contrastes em áreas muito claras e porção leste da imagem. muito escuras são reduzidos automaticamente gerando, um histograma aproximadamente uniforme. Outras funções não lineares de contraste, freqüentemente implementadas em softwares de processamento de imagens, são a raiz quadrada e a logarítmica, que aumentam o contraste de regiões escuras (DNs mais baixos) da imagem, e a exponencial, que aumenta o contraste da região mais clara da imagem (DNs mais altos). A diferença básica entre as duas primeiras é que a função raiz quadrada realça um número menor de níveis de cinza que a função logarítmica. Em pesquisas hidrogeológicas, por exemplo, o objetivo pode ser o de se realçar em uma cena, uma certa unidade geológica de interesse, associada a poços mais produtivos ou a certos eventos tectônicos potenciais à explotação de água subterrânea. Nesse caso, é necessário que se conheça a posição (local de ocorrência) dos alvos (feições de interesse) na imagem e uma análise de sua resposta espectral (intervalos de níveis de cinza). Uma vez identificados no histograma da imagem os intervalos de DNs do alvo, o intérprete pode suprimir ou comprimir aqueles que não lhe interessam e expandir os de interesse. Esse procedimento irá provocar um melhor realce do(s) alvo(s), permitindo uma melhor condição para interpretação visual. Um procedimento básico é o de se conhecer e entender a distribuição dos intervalos de DNs associados às diversas feições da imagem. Isso pode ser feito através de uma ferramenta existente em todos Figura 4.4.19 - Banda TM7 do LANDSAT 5 original e com os softwares projetados para processamento digital de realce de contraste mostrando uma crista de dique na região imagens, conhecida por leitura de pixels. Através desse leste (seta amarela “a”) e uma faixa NNW - SSE mais clara cortando a imagem correspondendo a zona de cisalhamento artifício, o intérprete pode varrer a imagem extraindo os da Falha de Tauá, no interior do estado do Ceará (setas valores de DNs para as feições que lhe são conhecidas, amarelas “b”). 282 Cap_4.4_FFI.indd 10 9/12/2008 21:28:40 Histograma equalizado Função de transferência de equalização Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.4.20 - Resultados de diferentes aumentos de contraste aplicados em imagem LANDSAT 5 na faixa espectral de 0,76 µm a 0,90 µm utilizando o software SPRING versão 3.6.01: imagem original (a); função raiz quadrada (b); função logarítmica (c); equalização de histograma (d); contraste linear (e); e multilinear (f). Histogramas de entrada, ou originais, em preto e histogramas de saída e funções de transferências em cor vermelha. Filtragens A análise de Fourier, que atua nos componentes das freqüências espaciais de forma seletiva, realçando Uma imagem digital representa, na verdade, um as variações de alta, média e/ou baixa freqüência de conjunto de áreas com respostas espectrais distintas, um DN em uma imagem e o processo de convolução, ou, em outras palavras, com intervalos de níveis de que atua no seu domínio espacial, são as formas mais cinza característicos. Os limites entre essas áreas conhecidas e utilizadas de aplicação de filtros, sendo podem ser mais bruscos (altas freqüências) ou podem que a primeira, apesar de mais potente, demanda mais variar de forma muito uniforme ( de forma gradacional) tempo de computação e envolve cálculos matemáticos com a distância (baixas freqüências). bem mais complexos. Por esse motivo, as técnicas de Baixas freqüências em uma imagem estão filtragens por convolução são bem mais disseminadas relacionadas a áreas mais ou menos uniformes, do que a análise de Fourier. como regiões de geologia monótona (regiões de O processo de filtragem por convolução é ilustrado características geológicas semelhantes), enquanto na figura 4.4.21, onde é aplicado um filtro de tamanho altas freqüências estão relacionadas a áreas de 3 versus 3 (3 linhas e 3 colunas), que é sobreposto contato de feições que apresentam características à imagem original, iniciando na 1a linha e 1a coluna. espectrais bem distintas, como, por exemplo, Cada pixel (o seu valor de DN) é multiplicado pelo estruturas geológicas lineares e contatos entre tipos valor correspondente da matriz (ou máscara) e, litológicos bem distintos. posteriormente, são somados todos os 9 resultados O processo de filtragem de uma imagem é, da definindo o novo valor do pixel central. À medida que mesma forma que o aumento de contraste, uma técnica o processo continua, o filtro é deslocado na imagem, de realce processada pixel a pixel, com a exceção de para cálculo dos demais pixels de centro, até compor que a imagem filtrada resultante não é função apenas por completo a imagem filtrada ou resultante. Nota- de um DN original, mas de uma área onde ele está se que nas bordas da imagem de saída os pixels inserido, levando-se em conta, portanto, os valores de são perdidos, isso porque não existem, para cálculo DNs dos pixels vizinhos. desses, todos os outros valores necessários. 283 Cap_4.4_FFI.indd 11 9/12/2008 21:28:42 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto Figura 4.4.21 - Princípio da filtragem por convolução. O filtro de tamanho 3 x 3 é aplicado na imagem original e é calculado o novo valor do pixel central de saída (a) e à medida que o filtro é deslocado na imagem, os cálculos são refeitos para um novo pixel central de saída (b) até compor a nova imagem filtrada. Os tipos básicos de filtros são os passa-baixa (low- Nos filtros Laplacianos, a soma dos pesos usados pass), que realçam as baixa freqüências, os passa-alta nas máscaras é 0 (zero), enquanto nos Laplacianos (high-pass), que realçam as altas freqüências e os + original, o valor do elemento central do filtro é passa-banda (band-pass), que podem ser combinados aumentado de forma a adicionar informações do pixel resultando em uma grande variedade de outros filtros original e, conseqüentemente, ao final, de toda a cena mais complexos. Os filtros do tipo passa-banda não original. Alguns exemplos dos filtros comentados são: são geralmente utilizados em processamentos de imagens, se prestando mais para isolamentos de ruídos de uma cena. -1 -1 -1 -1 -1 De uma forma geral, os tipos de filtros básicos podem -1 +1 +1 +1 -1 ser resumidos da seguinte forma (Crosta, 1992): -1 +1 +8 +1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 Filtros Passa-baixas: Filtros Passa-altas: -1 -1 -1 -1 -1 • de média • Laplacianos Passa-alta Laplaciano tamanho (5 x 5) • de média ponderada • Laplacianos + Original -1 -1 -1 -1 -1 • de moda • direcionais -1 +1 +1 +1 -1 • de mediana -1 +1 +9 +1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 O filtro passa-baixa de média substitui o DN do -1 -1 -1 -1 -1 pixel original central pela média aritmética de todos Passa-alta Laplaciano + Original os pixels vizinhos; o de média ponderada atribui tamanho (5 x 5) pesos específicos aos pixels vizinhos, em função das suas distâncias ao pixel central; o de moda substitui -1 0 0 0 0 o pixel central pelo seu vizinho mais comum; e o de 0 -2 -1 0 0 mediana substitui o pixel central pela mediana dos 0 -1 -1 1 0 pixels vizinhos. 0 0 1 2 0 Os filtros passa-alta, por filtrarem as baixas 0 0 0 0 1 freqüências características de áreas monótonas e Passa-alta direcional NE realçarem os limites entre regiões de características tamanho (5 x 5) espectrais bem distintas, são os mais interessantes 0 0 0 0 1 para pesquisas hidrogeológicas, caracterizando-se 0 0 1 2 0 como uma potente ferramenta onde os objetivos são 0 -1 -1 1 0 identificar descontinuidades geológicas propícias ao 0 -2 -1 0 0 armazenamento de água subterrânea. Os do tipo -1 0 0 0 0 direcionais são os que apresentam melhor resposta, Passa-alta direcional NW por realçarem feições lineares como fraturas, em todas tamanho (5 x 5) as direções de interesse. 284 Cap_4.4_FFI.indd 12 9/12/2008 21:28:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 1/25 1/25 1/25 1/25 1/25 As figuras 4.4.22a, 4.4.22b, 4.4.22c e 4.4.22d, mostram um exemplo de aplicação de processamentos 1/25 1/25 1/25 1/25 1/25 para detecção de estruturas em imagens. A banda 1/25 1/25 1/25 1/25 1/25 utilizada é a TM5 do LANDSAT 5 em área de rochas 1/25 1/25 1/25 1/25 1/25 cristalinas e o filtro utilizado foi o direcional NE 5 x 5 1/25 1/25 1/25 1/25 1/25 anterior, combinado com contrastes lineares. Na imagem da figura 4.4.22a, quadrante superior Passa-baixa de média esquerdo, encontra-se a feição (serra) tratada tamanho (5 x 5) anteriormente (figura 4.4.19), e cortando o meio da 1/44 1/44 2/44 1/44 1/44 cena de SW para NE, o Rio São Gonçalo, que deságua 1/44 2/44 3/44 2/44 1/44 no Atlântico e tem sua foz localizada no canto superior 2/44 3/44 4/44 3/44 2/44 direito da mesma imagem. A feição na porção SE é a Serra de Maracanaú/Ceará. 1/44 2/44 3/44 2/44 1/44 O objetivo desse exemplo de processamento é 1/44 1/44 2/44 1/44 1/44 o de se constatar se a drenagem está condicionada Passa-baixa de média ponderada pela estrutural da região. Nota-se que a drenagem tamanho (5 x 5) apresenta um alinhamento SW-NE expressivo, que sofre uma inflexão para a direita (aproximadamente E-W) na Figura 4.4.22 - Exemplo de aplicação de filtros de convolução direcionais e realces de contraste para constatação da associação da rede de drenagem com a geologia estrutural. (a) Banda TM5 do LANDSAT 5 original; (b) resultado de aplicação de realce de contraste linear; (c) resultado de aplicação de filtro direcional NE 5 x 5 sem contraste e (d) imagem anterior com aplicação de contraste linear. 285 Cap_4.4_FFI.indd 13 9/12/2008 21:28:44 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto porção NE da cena (nas proximidades da foz do rio São absoluta para aplicação de filtros, seja com relação Gonçalo) e retorna ao alinhamento principal (SW-NE). ao seu tipo, tamanho ou forma, ou com relação ao Após a aplicação do filtro e inspeção visual da imagem tipo de terreno, devendo ser testadas várias opções e de outros produtos cartográficos, para certificação disponíveis, até que se decida pela melhor resposta da não existência de algum tipo de infra-estrutura linear apresentada, satisfazendo o objetivo da pesquisa. (como rede viária, ferroviária ou linha de transmissão), Um ponto, portanto, deve ficar bem claro: um filtro que possa de alguma forma ter comprometido o que tenha apresentado excelentes resultados em processamento, pode-se concluir, então, que o uma determinada área não necessariamente irá se alinhamento da drenagem está condicionado pela comportar da mesma forma em outra região. geologia, responsável, inclusive, pela inflexão no curso inferior (figuras 4.4.22c e 4.4.22d). Operações Matemáticas Resultados de processamentos dessa natureza permitem ao intérprete uma análise regional preliminar As operações matemáticas, ou transformações de do comportamento estrutural da área de pesquisa, imagens, consistem em operações realizadas pixel a possibilitando detectar em imagens, feições lineares pixel entre bandas, ou faixas espectrais diferentes, que, por associação com outros padrões como a rede tendo como resultado uma imagem combinada com de drenagem, sugerem, por exemplo, fraturas. Após valores de DNs distintos dos originais. Estas operações essa primeira análise e definidas as áreas potenciais podem ser implementadas através de operações de para, no caso de interesse hidrogeológico, explotação subtração, adição, multiplicação ou divisão. Uma de água subterrânea, seguem-se os procedimentos característica desse tipo de processamento, é que os de detalhamento e confirmação das conclusões novos valores de DNs podem extrapolar o intervalo obtidas, culminando com trabalhos de campo para normal de níveis de cinza (0 a 255 em sistemas de 8 locação definitiva do(s) ponto(s) para execução da bits, por exemplo), havendo a necessidade de serem obra de captação. reajustados. É importante ressaltar que, apesar de bons A subtração de imagens é geralmente utilizada para resultados, os filtros direcionais têm a característica identificação de mudanças ocorridas em imagens de de criarem artefatos ou feições lineares falsas, datas distintas (multitemporais). preferencialmente nas direções perpendiculares à A adição de bandas resulta em um novo intervalo direção dos filtros aplicados. Outro ponto importante a de níveis de cinza, que precisa ser comprimido para o ser ressaltado é que esse tipo de filtro de convolução intervalo original, geralmente, através da divisão dos tem a capacidade de realçar todas as feições de alta novos valores de DNs pelo número de bandas utilizadas freqüência de uma cena, como estruturas geológicas, na operação, caracterizando a imagem resultante como redes de drenagem, contatos e, ainda, estradas, uma imagem de média aritmética de todas as utilizadas linhas férreas, limites de áreas de cultivo, divisores no processamento. Essa característica faz com que de propriedades e linhas de transmissão, motivo pelo a adição de imagens seja geralmente utilizada para qual o intérprete deve, além de estar sempre atento remoção de ruídos presentes. aos detalhes de uma imagem, comparar os resultados A multiplicação de imagens, como na adição, irá das filtragens com outros produtos cartográficos para realçar feições semelhantes nas bandas utilizadas identificação dessas feições antrópicas. na operação. As áreas de DNs mais altos (mais Por conta do princípio da forma de processamento escuros), significando, geralmente, áreas de sombra dos filtros direcionais de convolução (figura 4.4.21), em uma cena, são as feições que mais se repetem o tamanho e forma da máscara (esta pode não ser em faixas espectrais distintas e, por isso, a operação quadrada, mas, também, do tipo 1 versus 2, 2 versus de multiplicação irá realçar, principalmente, as feições 1, por exemplo) é que irá determinar a área que será relacionadas à morfologia de uma região. afetada, ou de outra maneira, o número de pixels que A divisão, ou razão de bandas, é a operação serão considerados para o cálculo do novo DN da mais largamente util izada em processamento imagem de saída. Esse fato implica que máscaras de imagens digitais. Pelo princípio da operação, de pequeno tamanho, como 3 versus 3 ou 5 versus 5, informações espectrais altamente correlacionáveis irão realçar feições de menor expressão, como feições entre duas bandas terão DNs resultantes muito estruturais mais localizadas, enquanto máscaras do próximos ou iguais a 1 (um) e não serão realçados, tipo 15 versus 15, 30 versus 30, ou maiores, irão realçar enquanto informações não correlacionáveis terão feições mais regionais. DNs resultantes baixos (menores que 1) ou altos A resposta de filtros para detecção de estruturas (maiores que 1). Uma característica importante potenciais e também não favoráveis à explotação nessa operação diz respeito à tendência de serem de água subterrânea depende, particularmente, das eliminados os efeitos de sombreamento de uma características da região de pesquisa e da faixa cena (as regiões de sombreamento são comuns em espectral utilizada. Assim, não existe uma regra faixas espectrais distintas, e, portanto, altamente 286 Cap_4.4_FFI.indd 14 9/12/2008 21:28:44 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações correlacionáveis). A escolha de bandas a serem utilizadas nesse tipo de operação é feita em função da análise da curva espectral do alvo a ser realçado. A figura 4.4.23 mostra duas curvas espectrais hipotéticas para dois diferentes alvos e ilustra o processo de razão de bandas. No caso, a razão entre a banda y e a banda x irá realçar o alvo A (DNalto/ DNbaixo = DNalto), enquanto o alvo B, por apresentar respostas espectrais semelhantes nas duas bandas, não será realçado (DNalto/DNalto ≅ 1). Uma das principais aplicações da razão de bandas é na obtenção do índice de vegetação ou NDVI (normalized difference vegetation index), o qual baseia- se na alta reflectância da vegetação na faixa espectral de 0,76 µm a 0,90 µm e baixa reflectância na faixa de 0,63 µm a 0,69 µm (figura 4.4.5). Figura 4.4.24 - Conceito da análise por principais componentes. (a) DNs de duas bandas hipotéticas A e B; (b) O novo eixo A’ define a 1a componente principal e o eixo B’ a 2a componente principal. Figura 4.4.23 - Razão de bandas. A divisão da banda y pela banda x irá provocar um realce do alvo A, enquanto o alvo 4.4.7 Classificação de Imagens B não será realçado por mostrar reflectâncias espectrais Digitais semelhantes nas duas bandas. O objetivo geral de uma classificação de imagens é Principais Componentes categorizar, automaticamente, todos os pixels de uma cena em classes ou temas com base nos seus valores Em imagens digitais de várias faixas do espectro de DN. A saída de um processo de classificação é um eletromagnético ou bandas, é comum a redundância tipo de imagem digital que representa um mapa de de informações (imagens que têm praticamente as pixels classificados. mesmas informações são chamadas de imagens com alta correlação). A técnica de análise de principais Classificação Supervisionada componentes tem por finalidade a identificação dessas informações duplicadas e a geração de novas Nesse tipo de classificação, é necessário que se imagens com dados não redundantes, ou imagens não conheça as localizações, no terreno, dos alvos que se correlacionadas. pretende classificar, para que os mesmos possam ser indicados nas imagens. As regiões conhecidas são Esse conceito é ilustrado na figura 4.4.24, onde informadas ao software de processamento pelo intérprete, os DNs de duas bandas hipotéticas, A e B, são na própria imagem na tela, delimitando as áreas em que plotados. Um novo sistema de coordenadas (eixos A’ se encontram (essas áreas delimitadas para cada classe e B’) é superposto ao sistema anterior (eixos A e B) e são chamadas de áreas de treinamento). rotacionado de forma que sua origem coincida com Dessa forma, ao se conhecer, por exemplo, com o ponto médio de distribuição dos dados (valores exatidão no terreno, áreas de afloramento de um certo de DNs). O novo eixo A’ define a 1a componente tipo litológico, ou feições de interesse como tipos de principal e o eixo B’, a 2a componente principal. Como culturas, e após delimitadas na imagem, as informações resultado, temos uma diminuição da significância das são processadas de maneira que todos os pixels que informações variando da 1a componente (máximo de apresentem respostas espectrais semelhantes em toda informações) até a última componente gerada (mínimo a cena sejam mapeados, resultando em uma imagem de informações). classificada, ou um mapa temático. 287 Cap_4.4_FFI.indd 15 9/12/2008 21:28:44 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto Classificação não Supervisionada Possível fratura Na classificação não supervisionada, o intérprete não deve se preocupar com a homogeneidade da região amostrada para análise, mas, pelo contrário, a região delimitada deve ser heterogênea o bastante para que o máximo de classes seja incluído. Os pixels presentes nas áreas de treinamento são analisados automaticamente pelo software de processamento, que determina o agrupamento natural dos dados na imagem e cada grupo é relacionado a uma classe distinta. 4.4.8 Interpretação de Padrões de ( a ) Drenagem A rede de drenagem de uma determinada região ou ra área de pesquisa, pode ser considerada como uma das l fra tu principais feições que devem ser consideradas pelo síves intérprete, quando da análise de fotografias aéreas e/ou Po ra imagens de satélites para pesquisas hidrogeológicas, l fra tu uma vez que, além de depender da pluviometria, síves topografia, vegetação e textura do solo, a drenagem Po superficial é fortemente influenciada pela litologia e características estruturais da área. A densidade de uma rede de drenagem fornece ao intérprete informações a respeito da capacidade ( b ) de infiltração da água no terreno, que depende, Figura 4.4.25 - Indícios de fraturas a partir da rede de por sua vez, das características físicas do material. drenagem. Dois tributários opostos encontram o rio principal Dessa forma, argilas e folhelhos, por exemplo, são com alinhamentos diferenciados dos demais (a) e trechos relativamente impermeáveis e, nesse caso, a água de tributários distintos encontram-se alinhados sobre uma precipitada tenderá a escoar, gerando redes mais mesma reta (b). densas, enquanto materiais mais permeáveis como arenitos bem porosos irão resultar em redes menos • Modelo Dendrítico - sugere a presença de densas, já que existem, nesse caso, condições rochas sedimentares com atitude horizontal naturais propícias à maior infiltração. e com geral ausência de fraturas ou rochas Em áreas de rochas do embasamento cristalino, sedimentares dobradas, sem zonas ou linhas as drenagens podem ser controladas por estruturas de menor resistência à erosão ou, ainda, rochas geológicas e, por conseqüência, se tornam ferramentas ígneas, maciços, rochas metamórficas ou importantes para identificação de descontinuidades depósitos inconsolidados. potenciais à explotação de água subterrânea, nem • Modelo Treliça - sugere materiais de resistências sempre tão visíveis em imagens não processadas. diferentes aflorando paralelamente entre si ou A análise criteriosa da drenagem de uma região estruturas paralelas. pode sugerir importantes indícios sobre a presença de fraturas em campo, como, por exemplo, dois • Modelo Retangular - a principal diferença para o tributários opostos de um rio, que se apresentam padrão treliça é o não perfeito paralelismo entre marcadamente alinhados, formando ângulos de os cursos de água, sendo estes, ainda, menos conjunção com o curso principal, notadamente alongados. É diretamente condicionado por anômalos ou, ainda, pequenos trechos de diversos estruturas que se cruzam em ângulos retos. cursos de água com alinhamento anômalo em uma • Modelo Anular - sugere áreas onde durante o mesma reta (figura 4.4.25). estágio inicial de erosão de um domo, por exemplo, Os modelos básicos de redes de drenagem podem formaram-se cursos de água conseqüentes, com ser agrupados nos tipos dendrítico, treliça, retangular, padrão radial, que posteriormente, em função anular, paralelo e radial; e os modelos modificados, de processos erosivos, descobrem em vários nos tipos pinado, anastomótico, dendrítico-retangular, níveis do declive estratos de menor resistência, angular e centrípeto, como apresentado na figura ao longo dos quais se desenvolvem tributários 4.4.26 (Ricci & Petri, 1965). subseqüentes de forma circular. 288 Cap_4.4_FFI.indd 16 9/12/2008 21:28:44 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • Modelo Paralelo - sugere a existência de Em pesquisas hidrogeológicas, quando o objetivo declives unidirecionais extensos e suficientemente é o de mapear estruturas através de aplicações de pronunciados ou cristas lineares homoclinais técnicas de processamento, é importante que se alongadas, constituídas por estratos resistentes tenha à mão a rede de drenagem da área, atualizada. uniformemente inclinados. Como visto anteriormente, o desenho da drenagem na região fornece ao intérprete valiosas informações • Modelo Radial - sugere regiões com domos e indícios sobre variações litológicas e presenças de estruturais ou vulcões. estruturas. • Modelo Pinado - representa uma modificação Após mapeados todos os fotolineamentos do padrão dendrítico. Os maiores cursos são encontrados, é importante que esse produto seja de origem conseqüente e são controlados pelo superposto à rede de drenagem para uma avaliação declive topográfico regional. final. Pequenas evidências nas imagens, por exemplo, • que podem deixar dúvidas com respeito à existência ou Modelo Anastomótico - outra modificação do não de uma determinada estrutura, podem ser ratificadas padrão dendrítico, com presença de meandros, ou não, através da análise detalhada do comportamento pântanos e canais entrelaçados. É característico de pequenos tributários como mudanças angulares de áreas de planícies aluviais e deltas. bruscas ao longo do curso e alinhamentos de pequenos • Modelo Dendrítico-retangular - sugere áreas com trechos ou longos trechos retos de cursos principais ou rochas homogêneas cortadas por sistemas de mesmo tributários menores. fraturas intercruzadas com malhas relativamente Outro ponto importante, que fortalece a necessidade grandes. O padrão dendrítico é implantado nos de uma análise conjunta da imagem interpretada com corpos de rochas isolados pelas fraturas, enquanto a drenagem regional, refere-se à recarga das estruturas o padrão retangular instala-se nos planos de por parte de espelhos de água (reservatórios, lagos, menor resistência. lagoas etc.) e cursos naturais de água intermitentes • Modelo Angular - modificação do modelo ou perenizados. Uma determinada estrutura para retangular e sugere a presença de estruturas com ser considerada previamente como potencial à explotação de água não basta que seja aberta e ângulos não retos. sem preenchimento (caso ideal para infiltração e • Modelo Centrípeto - variação do padrão radial e armazenamento de água), mas, é necessário que é característico de áreas com declives internos de exista uma fonte de recarga, que pode ser identificada crateras e caldeiras e onde cristas topográficas nessa fase preliminar através da análise conjunta das bordejam, circularmente, depressões, como no estruturas mapeadas em imagens com os recursos caso de domos brechados e bacias estruturais. hídricos superficiais existentes. Figura 4.4.26 - Modelos básicos e modificados de padrões de drenagem (adaptado de Ricci & Petri, 1965). 289 Cap_4.4_FFI.indd 17 9/12/2008 21:28:44 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto 4.4.9 Considerações Finais • levantamento bibliográfico e de material cartográfico; Técnicas de Sensoriamento Remoto são, sem dúvida, ferramentas importantes para pesquisas • visita de campo para reconhecimento de regionais voltadas à prospecção de água subterrânea, aspectos geológicos (litológicos e estruturais) e tanto em áreas de embasamento cristalino como hidrogeológicos (cadastro de poços tubulares em bacias sedimentares, entretanto, são melhor existentes); aproveitadas em áreas pouco vegetadas, limpas • análise em escritório dos dados coletados e de coberturas de nuvens e onde a geologia não se processamento digital das imagens TM do apresente monótona. LANDSAT 5, apresentada em sua forma original Uma das principais aplicações desses produtos na figura 4.4.27; e é a detecção de descontinuidades geológicas em terrenos onde exista predominância de rochas do • checagem em campo das feições interpretadas embasamento cristalino através, principalmente, de em imagens e fotografias aéreas e utilização técnicas de contraste de imagens e uso de filtros de de geofísica de detalhe (VLF) para locação de convolução direcionais. poços. Como principais vantagens do uso de imagens orbitais, podem ser destacadas a otimização de tempo e Aqui serão discutidos apenas os trabalhos de recursos na análise de grandes áreas e a possibilidade pertinentes ao processamento digital de imagens de uma visão integrada regional das feições geológicas do satélite LANDSAT 5. Para entendimento regional e estruturais. Vistas como ferramentas importantes das características estruturais da área de pesquisa, para pesquisa de água subterrânea, as técnicas de foram utilizadas as imagens TM do Satélite LANDSAT 5, bandas 3, 4 e 5, no formato digital, passagem de processamento geram resultados que não podem ser 02 de julho de 1999. Os principais processamentos considerados como conclusivos, mas como informações consistiram de contraste linear (figura 4.4.28), filtragens de fundamental importância para o direcionamento e de convolução direcionais (figura 4.4.29) e geração de planejamento de estudos posteriores de detalhe. Os componentes principais. sistemas de informações geográficas existentes (SIGs), permitem que produtos gerados por esse processo sejam analisados de forma integrada com outros temas importantes como redes de drenagem, cadastro de pontos de água e mapas temáticos, consolidando as decisões e conclusões finais, conforme discutido em detalhe no capítulo 4.5, a seguir. Finalmente, não existem limites para combinação de processamentos que podem ser realizados para hidrogeologia e tão pouco receitas prontas, cabendo ao intérprete a decisão e descoberta das melhores combinações de técnicas que culminem com a satisfação do objetivo alcançado. 4.4.10 Estudo de Caso Figura 4.4.27 - Banda TM 5 da área de pesquisa (original). Essa pesquisa foi desenvolvida pela equipe técnica da Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos - FUNCEME, por demanda da Companhia de Água e Esgoto do Estado do Ceará – CAGECE. O objetivo foi definir locais, no domínio das rochas cristalinas, para construção de poços tubulares em pequenas comunidades do interior do Estado do Ceará, tendo como objetivo básico o abastecimento público. A solicitação foi devida, principalmente, à má vocação hidrogeológica da área de interesse, inserida na região de cisalhamento da falha de Senador Pompeu, já contando com inúmeros poços improdutivos. A metodologia aplicada pode ser sumarizada da Figura 4.4.28 - Banda TM 5 da área de pesquisa com seguinte forma: contraste linear. 290 Cap_4.4_FFI.indd 18 9/12/2008 21:28:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações de maior concentração e melhores relacionamentos desses com áreas de recarga para detalhamento, em fotografias aéreas e reconhecimento posterior em campo, das direções mais favoráveis. As primeiras atividades de campo constaram de um reconhecimento geral da área de interesse, não limitando-se às comunidades objetos das locações, procurando se ter um entendimento regional das feições geológicas e estruturais da região, tentando observar as feições evidenciadas nos processamentos anteriores de imagens orbitais e fotointerpretação. De uma maneira geral, a área é composta por um Figura 4.4.29 - Filtragem de convolução direcional aplicada complexo gnáissico-migmatítico onde localmente na banda TM 5 evidenciando feições alinhadas na direção observam-se porções milonitizadas. Encontra-se SE - NW não visíveis nas imagens das figuras 4.4.27 e uma foliação regional na direção 45o (figura 4.4.32) 4.4.28. compatível com as observações feitas nas imagens de satélite. Com base nos processamentos descritos, foi possível a interpretação, em tela, dos principais fotolineamentos da área (figura 4.4.30), considerando as filtragens de convolução em cada uma das direções (NW e NE) e as demais imagens realçadas geradas. Também foram considerados os alinhamentos expressivos de drenagens, que, por apresentarem um padrão dendrítico-angular e por vezes dendrítico- retangular, refletem a existência de regiões de menor fraqueza e que podem corresponder a zonas de descontinuidades geológicas favoráveis à explotação de água subterrânea. Três direções preferenciais de fotolineamentos puderam ser identificadas, ou seja, fotolineamentos de direção SE - NW, SSE - NNW e SW - NE. O padrão SW - NE é facilmente associado ao falhamento transcorrente Figura 4.4.31 - Principais famílias de fotolineamentos (ex- cluindo-se os de direção SW - NE, ou aproximada) na área de de Senador Pompeu, que por caracterizar um regime pesquisa, interpretadas a partir dos processamentos digitais dúctil de deformação, em geral, não é favorável à executados, e localização das comunidades alvo. prospecção de água subterrânea. Por este motivo, foram considerados apenas os dois outros padrões (figura 4.4.31), onde se procurou definir as regiões Figura 4.4.30 - Fotolineamentos na área de pesquisa interpretados a partir dos processamentos digitais ex- Figura 4.4.32 - Direção dos lineamentos em campo, ecutados - a alta incidência de fotolineamentos SW - NE compatível com os evidenciados em imagens de satélite deve-se à presença da falha transcorrente de Senador (NW - NE) - Falhamento transcorrente de Senador Pompeu. Pompeu . 291 Cap_4.4_FFI.indd 19 9/12/2008 21:28:58 Capítulo 4.4 - Sensoriamento Remoto Foram também evidenciadas fraturas nas Referências direções 300o e 340o, igualmente compatíveis com as interpretações em imagens orbitais, sendo que as CROSTA, A. P. Processamento digital de imagens últimas parecem ser as mais favoráveis à prospecção de sensoriamento remoto. São Paulo: Universidade de água subterrânea, por apresentarem-se mais Estadual de Campinas, 1992. 170 p. abertas (figura 4.4.33). As de direção N300° apresentam DRURY, S. A. Image interpretation in Geology. Lon- deslocamento quando na área do falhamento, indicando dres: Allen & Unwin, 1987. 242p. terem sido bem afetadas pela transcorrência de Senador Pompeu (figura 4.4.34). ENGMAN, E. T.; GURNEY, R. J. Remote sensing in Além das observações de geologia e estrutural, foram Hidrology. London: Chapman and Hall, 1991. 120 p. visitados os poços existentes na região para registro e HORTON, R. E. Erosional development of streams entendimento da sua relação com a estrutural local. and their drainage basins: hydrophysical approach to quantitative morphology. Bulletin Geological Society of America, Washington, v. 56, n. 1, p. 275-370, 1945. LEITE, C. E. S. Definição do potencial hidrogeológico no contexto do cristalino de parte dos municípios de Crateús e Independência, no Estado do Ceará, com o uso de Imagens TM LANDSAT-5 e SIG. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Geologia, Universidade Federal do Ceará, [Fortaleza], 1998. LEITE, C. E. S. Definição de Áreas Potenciais do Pon- to de Vista Hidrogeológico em Região de Cristalino através de Imagens do LANDSAT-5 e SIG. In: CON- GRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 10, 1998. Anais... ABAS, São Paulo, 1998. LILLESAND, Thomas M.; KIEFER, Ralph W. Remote Figura 4.4.33 - Fraturamentos 340° e 300° na localidade de sensing and image interpretation. 3. ed. New York: Boa Água. Jonh Wiley & Sons, 1994. 750 p. NOVO, Evelyn M. L. M. Sensoriamento remoto: princípios e aplicações. São Paulo: Edgar Blucher, 1989. 308 p., il. RICCI, Mauro; PETRI, Setembrino. Princípios de aerofotogrametria e interpretação geológica. São Paulo: Centro de Publicações Técnicas da Aliança / Missão Norte-Americana de Cooperação Econômica e Técnica do Brasil - USAID, 1965. 226 p. SCHOWENGERDT, R. A. Techniques for image pro- cessing and classification in remote sensing. New York: Academic Press, 1983. 249 p. ZALL, L.; RUSSELL, O. Groundwater exploration programs in Africa. In: DEUTSCH, M.; WIESNET, Figura 4.4.34 - Fraturamento N300° na zona da Falha de R.; RANGO, A. (Ed.). Satellite hydrology. Minne- Senador Pompeu apresentado deslocamento em função da apolis: American Water Resources Association, falha.- Localidade de Várzea da Onça. 1979. p. 416-425. 292 Cap_4.4_FFI.indd 20 9/12/2008 21:28:59 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 4.5 GEOPROCESSAMENTO EM AMBIENTE SIG APLICADO À HIDROGEOLOGIA Francisco Edson Mendonça Gomes 4.5.1 Introdução computador ou, de outro modo, imprimi-los e divulgá-los sob a forma de mapas, modelos, tabelas t ermo geoprocessamento, na sua acepção e gráficos;Omais geral, compreende as atividades de • na automação de tarefas rotineiras e repetitivas, com aquisição, armazenamento, tratamento, implicações diretas no aumento da produtividade e análise e interpretação de dados geográficos. Dados na redução dos prazos e custos; geográficos, geodados, dados georreferenciados ou dados espaciais são termos sinônimos e se • na melhoria da qualidade dos produtos, na referem aos dados que representam fenômenos democratização da informação e rápida difusão geográficos que têm suas localizações na superfície dos resultados; e terrestre referenciadas a um sistema de coordenadas • na visão da totalidade dos objetos e fenômenos geográficas ou planas. Hoje, falar de geoprocessamento estudados. é falar de geodados digitais tratados em ambiente computacional suportado pela tecnologia de SIG, A proposta do autor, neste capítulo, é mostrar, por sigla de Sistemas de Informação Geográfica ou GIS, meio de exemplos práticos, a aplicação das ferramentas do inglês Geographic Information System. O avanço de geoprocessamento nos estudos voltados à pesquisa dessa tecnologia nos últimos anos possibilitou sua de água subterrânea e os benefícios decorrentes de incorporação ao cotidiano da maioria dos profissionais sua utilização. Os exemplos de aplicações práticas de diferentes campos das ciências. Geólogos e apresentados, extraídos de dois projetos conduzidos profissionais de outros domínios do conhecimento pelo Serviço Geológico do Brasil, mostram algumas que, no desempenho das suas atividades, manipulam dessas vantagens. bases de dados espaciais, são usuários potenciais da tecnologia dos SIG. O SIG é, portanto, a tecnologia 4.5.2 O que é um SIG? motora do geoprocessamento. É, também, o centro para o qual convergem as tecnologias de CAD, de Para Laundon & Laundon (1999, p. 4), um Sistema sensoriamento remoto/processamento digital de de Informação (SI) pode ser definido como um conjunto imagens, de SGDB e de GPS. de componentes inter-relacionados trabalhando A aplicação da tecnologia SIG no geoprocessamento juntos para coletar, recuperar, processar, armazenar de dados relacionados à pesquisa de água subterrânea e distribuir informação com a finalidade de facilitar o ganha, a cada dia, novos adeptos no meio dos planejamento, o controle, a coordenação, a análise e o especialistas, em grande parte motivados pela processo decisório em empresas e outras organizações. versatilidade, facilidades e benefícios que o sistema Esta definição pode ser aplicada ao Sistema de proporciona, principalmente: Informação Geográfica (SIG) se à palavra informação for acrescentado o adjetivo geográfica. Geografia é, • na geração de novos produtos com informação útil portanto, a palavra chave dos SIGs. Existem dezenas para um determinado fim, por exemplo, orientar o de definições de SIG na literatura. Nenhuma delas, técnico ou gestor na tomada de decisão, sendo entretanto, consegue expressar em um enunciado claro isto possível graças às ferramentas que permitem e preciso um conceito de SIG. A seguir, são apresentadas explorar, sob múltiplas perspectivas, os dados algumas definições consideradas clássicas, intercaladas espaciais e transformá-los em informação; por comentários de autores consagrados na literatura. • na interatividade homem-máquina do ambiente Burrough & McDonnell (1998) definem SIG como computacional gráfico e amigável, o que facilita “um conjunto poderoso de ferramentas para coletar, as operações para visualizar, analisar, combinar, armazenar, recuperar, transformar e exibir dados interpretar e modificar os dados na tela do espaciais do mundo real”. 293 Cap_4.5_FFI.indd 1 9/12/2008 21:32:32 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia Cowen (1990) comenta que as definições existentes acadêmico. E, em vez de uma definição, apresenta na literatura refletem diferentes abordagens e todas um modelo holístico de um sistema de informação têm algum ponto fraco. Assim, de acordo com o tipo geográfica funcional no qual os dados são analisados de abordagem, podem ser agrupadas em quatro e transformados em informação útil (figura 4.5.1). categorias: orientadas aos processos, às aplicações, Pelas questões acima, depreende-se que a às ferramentas e às bases de dados. tecnologia SIG é transversal a vários ramos do Bonham-Carter (1998) define SIG como “um sistema conhecimento, não constitui um fim em si mesma e, computacional para gerenciar dados espaciais”. E mais que um conjunto de ferramentas para tratar um acrescenta: a palavra sistema implica que o SIG tipo especial de informação, a informação geográfica, tem vários componentes inter-relacionados com é um ambiente de solução de problemas. diferentes funções e capacidades para capturar, importar, manipular, transformar, exibir, combinar, consultar, analisar, modelar e exportar dados. A palavra 4.5.3 Componentes de um SIG informação implica que os dados em um SIG são Um Sistema de Informação Geográfica é composto organizados para fornecer conhecimento útil, não só de cinco partes interativas - pessoas, dados, métodos, na forma de mapas coloridos e imagens, mas, também programas de computador e equipamentos de como gráficos estatísticos, tabelas e respostas à informática (figura 4.5.2). consultas. A palavra geográfica impõe uma condição necessária: as localizações dos dados devem ser Pessoas - as pessoas desempenham as funções conhecidas, ou podem ser calculadas, em termos de mais importantes no sistema e são, em última coordenadas geográficas. análise, sua razão de ser. O resultado de um projeto Câmara & Davis Jr. (2001) definem um SIG como desenvolvido em SIG, independente de qualquer “ferramentas computacionais para geoprocessamento, outro aspecto, estará fadado ao insucesso se chamadas de Sistemas de Informação Geográfica (GIS), conduzido por pessoas não qualificadas. Desse que permitem realizar análises complexas, ao integrar modo, para não comprometer o empreendimento, dados de diversas fontes e ao criar bancos de dados é necessário o envolvimento de profissionais afins geo-referenciados; tornam ainda possível automatizar ao tema objeto da aplicação, e de especialistas nas a produção de documentos cartográficos”. áreas de geoprocessamento, sensoriamento remoto, Curry (1998) ressalta a dificuldade de se falar sobre administração de banco de dados, desenvolvimento SIG de um modo que não seja estritamente técnico e de softwares e gestão e análise de sistemas. Todas conclui que a causa para tal é a falta de um vocabulário essas competências não podem perder de vista as adequado. pessoas que estão do outro lado - o público alvo. Tomlinson (2007) argumenta que os SIG resistem Este, de acordo com o perfil de utilização, pode ser a uma definição simplista pelo fato de serem uma dividido em dois grupos. Um que utiliza as ferramentas tecnologia particularmente horizontal com um largo básicas de consultas em computadores pessoais, ou espectro de aplicações nos setores industrial e mesmo remotamente, valendo-se da infra-estrutura de Figura 4.5.1 - Modelo holístico de um SIG (adaptado de Tomlinson, 2007). 294 Cap_4.5_FFI.indd 2 9/12/2008 21:32:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Métodos - um projeto desenvolvido em SIG não é diferente dos demais. Portanto, é recomendável o emprego de práticas de controle de processos em todas as etapas do projeto: planejamento, execução, verificação dos resultados e, se necessário, correção de rumos. Essas práticas devem estar documentadas em manuais, gráficos e fluxogramas e acessíveis a todos os membros da equipe envolvida no projeto. Programas de Computador (Softwares) - os modernos softwares de SIG, na sua 3ª geração, incorporam centenas de ferramentas/funções de geoprocessamento e, num ritmo acelerado, vão ganhando mais e mais funcionalidades. A principal diferença da atual geração em relação às anteriores é a ampliação do foco para soluções baseadas na internet. Antes, os softwares de SIG Figura 4.5.2 - Componentes de um SIG. eram quase que exclusividade do ambiente corporativo. Hoje, estão amplamente difundidos no ciberespaço e internet, para realizar consultas a mapas e bases de respondem pela infra-estrutura lógica dos servidores de dados alfanuméricas disponíveis em servidores web. internet conhecidos como Web Mapping. Para acessar E outro, com algum conhecimento das ferramentas de e consultar os dados e as informações geográficas consulta e análise espacial,que explora os dados do armazenados nesses servidores remotos, é necessário SIG, distribuídos na corporação ou armazenados em apenas um microcomputador conectado à internet e computadores pessoais, com o objetivo de melhorar um navegador com interface gráfica - Windows Explorer, os processos de planejamento, administrativos e de Mozzila FireFox etc. O melhor exemplo de um servidor suporte à tomada de decisão. Web Mapping vem da empresa Google e do seu Google Suporte à Decisão - são regras, conceitos, e Maps, um robusto provedor de conteúdo geográfico procedimentos da teoria da decisão adaptados para o que disponibiliza gratuitamente o acesso a imagens ambiente computacional dos SIG. É uma abordagem de satélites, aerofotos, plantas, mapas e a informações para auxiliar o operador do SIG, guiado por critérios, sobre toda a superfície terrestre. Com o Google Maps é a fazer uma escolha ou opção entre as alternativas possível, por exemplo, localizar e visualizar em imagens existentes, para alcançar os objetivos definidos. de alta resolução espacial, por meio de uma simples Alternativa em SIG significa: variação no número de consulta, o morro do Pão de Açúcar, na cidade do Rio objetos incluídos na análise; diferentes cursos de de Janeiro, ou o vulcão Vesúvio, em Nápoles, Itália. E ainda, visualizar fotos tomadas em diferentes ângulos ação; diferentes visões de uma situação ou problema; e épocas e ler os comentários feitos pela comunidade diferentes classificações etc. Google Earth. No Brasil, um exemplo bem sucedido da Dados - a estruturação de uma base de dados tecnologia de Web Mapping é o Geobank, um banco de geoespacial para SIG requer um cuidadoso dados de conteúdo geológico desenvolvido e mantido planejamento e se constitui na etapa mais onerosa pela CPRM - Serviço Geológico do Brasil, disponível no e demorada no desenvolvimento de um projeto. A portal www.cprm.gov.br. entrada de dados em um banco de dados geográfico Atualmente, o número de softwares de SIG se faz por: digitalização de mapas analógicos; disponíveis no mercado gira em torno de setenta. digitação de dados pontuais do tipo xyz; importação Desse total, uns 20 são classificados como não de produtos de sensoriamento remoto; importação de comerciais, ou seja, são distribuídos gratuitamente. A dados provenientes de levantamentos topográficos, maioria, cerca de 50, são comercializados por valores geofísicos etc.; e por diferentes mecanismos de que variam de alguns milhares até dezenas de milhares importação e conversão de arquivos digitais de de reais. No primeiro grupo (softwares não comerciais), conteúdo gráfico, textual e numérico. Os dados dois merecem destaque: geográficos armazenados em um SIG são organizados e classificados de acordo com suas características Spring - software brasileiro desenvolvido pelo intrínsecas e, também, com aquelas relacionadas INPE em parceria com a Embrapa/CNPTIA, a IBM aos modelos da realidade que eles representam. do Brasil, a TECGRAF e a Petrobras/CENPES. O Em síntese, os geodados ou dados espaciais têm Spring é um sistema de informação geográfica no duas componentes: uma gráfica e outra textual ou estado-da-arte, com funções de análise espacial, numérica. Distinguem-se dos dados não espaciais pelo processamento digital de imagens, geoestatística, fato de apresentarem um relacionamento geográfico modelagem numérica e consultas a bancos de dados que os vinculam a um local conhecido na superfície geográficos. Embora seja distribuído gratuitamente terrestre. em versões para as plataformas Windows® e Linux, o 295 Cap_4.5_FFI.indd 3 9/12/2008 21:32:32 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia Spring não é propriamente um software livre, mas um 4.5.4 Estrutura de um SIG freeware, uma vez que o seu código-fonte é fechado e o INPE mantém o copyright. A infra-estrutura lógica de um SIG engloba múltiplos programas e funções organizadas e GRASS - um verdadeiro software livre (free software) agrupadas segundo suas funcionalidades. A figura desenvolvido por programadores de várias partes 4.5.3 é um modelo esquemático proposto por do mundo, originalmente para plataformas Linux. O Eastman (1997) para mostrar os componentes de código-fonte do GRASS está disponível na Internet software de um sistema de informação geográfica, e pode ser usado livremente, de acordo com os conceitos da licença pública geral, em inglês, General suas funções e seus relacionamentos. Na parte Public License (GPL) que concede o direito a qualquer central do sistema fica a base de dados geográfica, usuário de executar, copiar, distribuir, estudar, esquematicamente dividida em duas componentes: modificar e aperfeiçoar o software. O GRASS trabalha base de dados espacial, que armazena a forma e a com dados raster e vetorial e tem funções para posição dos objetos, e base de dados de atributos processamento de imagens e análise espacial. alfanuméricos. Em torno desse núcleo estão os subsistemas descritos a seguir. Para representar o segundo grupo - softwares comercializados - foram selecionados os seguintes: Visualização Cartográfica - permite combinar e selecionar dados para gerar novos produtos e visualizá- Idrisi - um SIG de baixo custo desenvolvido los na tela ou em cópias impressas. Sua interação com no Laboratório Clark da Universidade de Clark, a parte central é unívoca, de dentro para fora. Estados Unidos, com propósitos educacionais. A distribuição atual, para plataforma Windows®, está Digitalização de Mapas - é o processo de na sua 15ª versão, denominada Andes. Opera com vetorização, ou seja, a conversão de mapas analógicos, dados Raster e incorpora sofisticadas ferramentas previamente escaneados e georreferenciados, em para análise espacial, modelamento de dados mapas digitais. A vetorização no ambiente SIG pode geográficos e processamento digital de imagens ser manual, semi-automática ou automática. É uma das de sensoriamento remoto. modalidades de entrada de dados no sistema. ArcGIS® - segundo a empresa ESRI®, responsável Gerenciamento da Base de Dados Relacional - pelo seu desenvolvimento e distribuição, é um controla a entrada de dados no sistema e responde SIG com poderosas ferramentas para análise pela integridade, gerenciamento e análise dos atributos e gerenciamento de dados espaciais (raster e alfanuméricos. Sua interação com a base de dados Vetorial) e também para criação, visualização e central se faz nos dois sentidos. cartografia de dados geográficos. O ArcGIS® é um Análise Geográfica - É a componente de um SIG SIG modulado que funciona na plataforma Windows. que o diferencia dos sistemas CAD e dos bancos de Apresenta soluções completas para usuários dados tradicionais. De um modo simplista, a análise de computadores pessoais ou de ambientes compartilhados nas empresas e na Internet. Hidro GeoAnalyst - ainda pouco conhecido, é um software para gerenciamento, tratamento e visualização de dados hidrogeológicos. Desenvolvido pela Schlumberger Water Services, para plataformas Windows®, o Hidro GeoAnalyst inclui ferramentas de geração de relatórios, de mapas de contorno e de edição de perfis de poços. Equipamentos de Informática (hardware) - é a plataforma física do sistema. Inclui computadores e periféricos conectados entre si, fisicamente ou não, por meio de barramentos, placas, cabos e dispositivos de conexão remota sem fio (e.g. Wi-Fi e bluetooth). O processamento de dados geográficos requer máquinas robustas com elevada capacidade de processamento numérico e gráfico. No ambiente corporativo, é recomendável usar estações gráficas de trabalho ou microcomputadores de alto desempenho, dotados de placas gráficas e com grande capacidade de armazenamento de dados. Os periféricos que completam o ambiente SIG nas empresas são os receptores GPS, Figura 4.5.3 - Infra-estrutura lógica de um SIG (adaptado escâneres, impressoras de grande formato e palmtops. de Eastman, 1997) 296 Cap_4.5_FFI.indd 4 9/12/2008 21:32:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações geográfica nos SIG compreende as operações de • suportar classes georreferenciadas e classes consulta e análise baseadas na localização do dado. convencionais, assim como os relacionamentos A interação com a parte central é um fluxo nos dois entre elas; sentidos. • ser adequado aos conceitos natos que o ser Processamento Digital de Imagens - Alguns humano tem sobre dados espaciais, representando SIG incorporam um módulo para processamento as visões de campo e de objetos; de imagens de sensores remotos. Nos SIG Idrisi • ser de fácil visualização e compreensão; e Spring, por exemplo, as funções disponíveis • utilizar o conceito de níveis de informação, para processamento digital de imagens dão conta possibilitando que uma entidade geográfica seja de operações de correção, pré-processamento, associada a diversos níveis de informação; classificação, transformação e filtragem. • representar as múltiplas visões de uma mesma Análise Estatística/Geoestatística - diz respeito ent idade geográf ica, tanto com base em às técnicas de tratamento e análise de dados que variações de escala, quanto nas várias formas representam fenômenos discretos ou contínuos. de percebê-las; No primeiro caso, o objetivo é verificar como o • ser capaz de expressar versões e séries temporais, fenômeno estudado se comporta espacialmente; no assim como relacionamentos temporais. segundo, é modelar uma superfície representativa do fenômeno, utilizando, para isso, métodos de inferência Câmara (1995; 2005) refere-se ao paradigma dos determinísticos ou geoestatísticos. quatro universos como a abordagem mais adequada à representação computacional dos dados geográficos. 4.5.5 Como os Objetos do Mundo Os quatro universos de que trata essa abordagem estão representados na figura 4.5.4 e descritos abaixo Real são Representados no SIG de modo simplificado: O mundo ao nosso redor, ou seja, o espaço a) O Universo Ontológico ou Mundo Real - armazena geográfico com todos os seus elementos, fenômenos os conceitos, as descrições e os relacionamentos e processos, naturais ou artificiais, está em permanente sobre os objetos, fenômenos e processos do transformação e é bastante complexo. O entendimento mundo real, tais como percebidos pelo homem. do que seja espaço geográfico ainda é motivo de Aqui os objetos são identificados (floresta, cidade, debates no meio acadêmico, o que implica diferentes malha viária, rio), descritos (floresta temperada percepções e definições de acordo com esta ou aquela caducifólia, rio perene) e inter-relacionados (o rio corrente de pensamento científico. intercepta a floresta ou a malha viária está contida Mais importante do que os debates, que na cidade); transcendem o escopo deste trabalho, é a questão do quê e como representar os elementos do mundo real b) O Universo Formal ou Conceitual - é o nível do nos sistemas computadorizados. O quê representar formalismo matemático e da álgebra computacional depende da percepção do especialista em identificar que modelam as entidades do mundo real para o os aspectos relevantes do que está sendo modelado, sistema informatizado. Neste nível é discriminado se da complexidade do espaço geográfico e das o dado geográfico é do tipo contínuo ou discreto; limitações próprias dos atuais softwares de SIG quanto à modelagem de fenômenos dinâmicos. A representação do mundo concreto no ambiente SIG é matéria inerente à modelagem de dados geográficos com seus conceitos, regras, simplificações e abstrações. Para Borges et al. (2005), um modelo de dados para aplicações geográficas deve: • fornecer um alto nível de abstração; • representar e diferenciar os diversos tipos de dados envolvidos nas aplicações geográficas, tais como ponto, linha, área, imagem etc.; • representar tanto as relações espaciais e suas propriedades como também as associações simples e de rede; • ser capaz de especificar regras de integridade espacial; Figura 4.5.4 - Modelo esquemático representando os quatro níveis de abstração no modelamento de dados geográficos • ser independente de implementação; (adaptado de Borges et al., 2005). 297 Cap_4.5_FFI.indd 5 9/12/2008 21:32:32 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia c) O Universo Estrutural ou de Representação - é neste universo que as entidades definidas no universo formal são traduzidas para as representações geométricas: ponto, linha ou polígono, se vetorial; 172 grade regular, se raster; grade triangular ou regular, se dado numérico do tipo xyz; ou grafos orientados, no caso de redes; e d) Universo de Implementação - instância na qual são definidos os algoritmos, as estruturas de dados, a codificação, a linguagem e o paradigma de programação. Poços 4.5.6 Como Funciona um SIG Hidrografia A pedra angular dos sistemas de informação geográfica, como dito anteriormente, são os dados Litologia geográficos. Os SIG armazenam dados geográficos em camadas relacionadas entre si por uma referência Relevo 3D espacial. Cada uma dessas camadas ou planos temáticos, tomados individualmente, corresponde a um nível de informação que representa diferentes aspectos ou propriedades de um objeto ou fenômeno da realidade. Tomados no conjunto, os referidos Figura 4.5.5 - Estrutura de armazenamento de dados planos temáticos, provenientes de várias fontes, são geográficos em um SIG. Observar o relacionamento organizados em uma base de dados geográficos biunívoco entre um objeto geográfico (poço) e um registro que é o universo no qual podem ser relacionados, da tabela de atributos. analisados e combinados entre si, como se estivessem empilhados uns sobre os outros (figura 4.5.5). Nos SIG que utilizam um sistema dedicado para gerenciar os dados gráficos e outro para os não gráficos (arquitetura dual), o relacionamento entre os elementos gráficos e seus respectivos atributos é do tipo um-para-um, ou seja, a cada símbolo corresponde um único registro na tabela (figura 4.5.5). Em conseqüência, ao se selecionar um objeto geográfico no plano temático, o registro correspondente na tabela de atributos é selecionado e vice-versa. 4.5.7 Características Básicas dos Figura 4.5.6 - Propriedades fundamentais de uma entidade real representada nos dados geográficos. Dados Espaciais As entidades do mundo real, tal como percebidas pelo homem, são representadas nos SIG pelos dados observador, da escolha do sistema de coordenadas geográficos. Estes, para bem cumprir suas funções e da escala do trabalho. Exemplificando, em escalas de representantes da realidade, devem incorporar pequenas, uma cidade pode ser representada pelo menos três propriedades intrínsecas a todos os por um símbolo pontual cuja localização é dada fenômenos concretos e que os distinguem uns dos por um par de coordenadas (x, y). Em escalas outros: localização no espaço geográfico, geometria maiores, a mesma cidade pode corresponder a e classificação. Uma quarta propriedade, também um polígono irregular. Um rio é outro exemplo de importante, diz respeito ao tempo (figura 4.5.6). dupla representação cartográfica para uma mesma Localização e Geometria - a localização e a entidade, em razão da escala. A figura 4.5.7 ilustra representação da geometria de um determinado claramente estes dois casos. fenômeno concreto no espaço d ig i ta l dos Atributos - o dicionário Aurélio (Ferreira, 1986) traz computadores são resolvidas por meio de ferramentas a seguinte definição de atributo: “aquilo que é próprio da cartografia digital. Podem variar em função da de um ser; característica qualitativa ou quantitativa, que resolução espacial dos dados, da percepção do identifica um membro de um conjunto observado”. 298 Cap_4.5_FFI.indd 6 9/12/2008 21:32:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Temático Cadastral Vetorial Numérico Componente Redes Espacial Temático Matricial Imagem Raster Numérico Nominal Qualitativo Ordinal Atributos Figura 4.5.7 - Diferentes símbolos cartográficos em função Intervalar da escala de observação. Numérico Quantitativo Razão Figura 4.5.8 - Tipos de dados em um Sistema de Informação Em síntese, os atributos são as componentes Geográfica. descrit ivas de um fenômeno e dependem da percepção do observador. Tomando os dois exemplos da figura 4.5.7, os atributos da cidade poderiam Modelo Vetorial Modelo Matricial ser: nome, população, renda per capita etc.; os do rio, bacia hidrográfica, nome, extensão, ordem, se Adequado para representar Mais indicado para representar intermitente ou perene etc. fenômenos que variam fenômenos discretos continuamente no espaço Tempo - é o fator determinante das mudanças que Admite relacionamentos ocorrem nas outras propriedades. Quando ocorrem Modelagem e simulação mais topológicos, operações fáceis mudanças no objeto geográfico, suas representações estatísticas e de consultas no SIG devem ser atualizadas. Estrutura de dados complexa Estrutura simples de dados Inadequado para álgebra de Adequado para álgebra de 4.5.8 Tipos de Dados em um SIG mapas mapas Boa qualidade gráfica em todas Indicado para representação Na seção anterior, os dados espaciais foram as escalas de apresentação em pequenas escalas analisados pelo prisma das propriedades intrínsecas aos objetos que eles representam. Nesta seção, é Um mesmo objeto pode ser apresentada de forma esquemática uma classificação Reflete de modo mais eficiente representado de várias formas, na qual os dados geográficos são divididos em a variabilidade de um fenômenodependendo da escala duas componentes fundamentais e estreitamente inter-relacionadas: a componente espacial ou As fronteiras entre regiões do Definição gráfica nítida dos espaço têm uma aparência cartográfica, com suas localizações e geometrias, limites dos objetos serrilhada e a componente não espacial ou atributos. Ambas comportam subdivisões em modelos, cada um, com Tabela 4.5.1 - Principais características dos modelos vetorial diferentes tipos de dados (figura 4.5.8) que serão e matricial. sucintamente comentados. Modelo Vetorial Componente Espacial É a estrutura mais indicada para descrever Existem duas estruturas básicas ou modelos fenômenos do mundo real que têm uma localização de dados para representação geométrica dos discreta no espaço geográfico e apresentam formas fenômenos: o modelo Vetorial ou geo-objetos e o e limites bem definidos. Neste modelo, as geometrias modelo Matricial, também designado de raster ou dos fenômenos do mundo real são representadas geo-campos. No primeiro, os elementos gráficos pelas primitivas geométricas do espaço bidimensional fundamentais são pontos, linhas e polígonos. No - ponto, linha e polígono - que são armazenadas como segundo, as células ou pixel (picture element) de uma pares de coordenadas bidimensionais x, y (figura matriz são as unidades básicas de representação 4.5.10) ou tridimensionais x, y, z. Alguns autores (figura 4.5.9). A tabela 4.5.1 relaciona as principais incluem a superfície, simbolizada por isolinhas, como características de um e outro modelo. uma primitiva geométrica. 299 Cap_4.5_FFI.indd 7 9/12/2008 21:32:34 Dados Geográficos Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia Representação de pontos Representação de linhas Representação de área Rio Lagoa Areia Sem dado Figura 4.5.9 - Representações de pontos, linhas e polígonos nos modelos vetorial e matricial. Figura 4.5.10 - Representação de pontos, linhas e polígonos no plano cartesiano xy do modelo vetorial. Observar as estruturas O ponto é a unidade básica do modelo vetorial. É topológicas arco-nó em (a) e arco-nó-região, em (b e c). definido por um par de coordenadas (x, y) e usado para representar feições que, numa determinada escala, são podem simbolizar rios perenes ou intermitentes; e pequenas para serem cartografadas como áreas. Por polígonos podem representar tipos de rocha em um exemplo, poço tubular, afloramento rochoso ou uma mapa geológico. cidade (figura 4.5.10a). Vetorial Cadastral - neste modelo, os objetos A linha é definida como uma série de dois ou mais do mundo real podem estar associados a diferentes pontos conectados entre si. Arcos são linhas cujas geometrias (pontos, linhas e polígonos) dependendo extremidades são delimitadas por nós. Uma linha da escala, a exemplo do modelo vetorial temático, mas simboliza elementos cartográficos, tais como fronteiras se diferenciam destes pelos seus atributos. Os pontos entre países, contatos geológicos, curvas de nível etc., podem representar, por exemplo, objetos concretos ou representa feições muito estreitas que não podem como poços para captação de água, postes, ou ser consideradas áreas, na escala do trabalho, como eventos como ocorrência de crimes ou acidentes de por exemplo, estradas e rios (figura 4.5.10a). trânsito. As linhas podem ser ruas, rios, trilhas, rotas de O polígono é formado por uma seqüência de navegação etc. Os polígonos podem representar lotes pontos conectados entre si, de tal modo que o urbanos, setores censitários, bairros, quadras etc. primeiro e o último sejam coincidentes. Nos SIGs, o Vetorial Numérico - as redes triangulares polígono é mais bem definido como uma região de irregulares (TIN, acrônimo de triangular irregular um plano delimitada por arcos. Na figura 4.5.10b, network) e as isolinhas, ambas utilizadas para os nós do Arco 2 coincidem com os nós inicial e representar superfícies, são dois exemplos de final do arco 1 para formar o polígono 1. Lagoas, estrutura vetorial numérica. Nas redes triangulares, os propriedades rurais, classes de solo, são exemplos pontos (nós) distribuídos aleatoriamente no espaço de objetos que podem ser representados por (x,y,z) são unidos por arcos, formando triângulos polígonos. irregulares contíguos organizados em uma estrutura Um aspecto importante a ser levado em conta na topológica arco-nó. As isolinhas são linhas que unem produção de dados geográficos para uso em SIG é o pontos de igual valor “z” no espaço (x,y,z). que diz respeito à topologia - um ramo da matemática Vetorial Redes - é uma estrutura de dados do tipo que trata das relações espaciais entre objetos. Exemplo arco-nó, em rede, indicada para modelar eventos ou de uma regra topológica conhecida como “arco-nó- processos lineares que envolvem fluxos de materiais região” é ilustrado na figura 4.5.10c. De acordo com ou pessoas. Neste tipo de estrutura, cada arco é essa regra, dois polígonos adjacentes, representativos representado como um par ordenado de nós, na forma de uma variável ambiental qualquer, compartilham a “a partir do nó i para o nó j” denotado por (i, j) (ZHAN, mesma fronteira, no caso, o arco 2, sem necessidade 1998). Os atributos dos arcos indicam o sentido do de duplicação. fluxo, enquanto os dos nós indicam a impedância Vetorial Temático - nesta categoria, os fenômenos e que é o custo do percurso (Câmara & Monteiro, suas variações no espaço geográfico são representados 2004). Exemplos de fenômenos representados nesta por pontos, linhas e polígonos e pelos respectivos modalidade são as rede de esgoto, rede elétrica, rede atributos qualitativos. Pontos, por exemplo, podem de telecomunicações, malha viária, rede de drenagem, representar postes de madeira ou de concreto; linhas rota de coleta de lixo etc. 300 Cap_4.5_FFI.indd 8 9/12/2008 21:32:35 MATRICIAL VETORIAL Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Modelo Matricial numérico da variável z medido no terreno. Tais superfícies não são consideradas tridimensionais Embora mais ind icado para representar verdadeiras, mas, sim, um tipo singular designado fenômenos que variam continuamente no espaço, duas e meia dimensões (2,5 D). Geralmente, os o modelo matricial ou raster também é utilizado na valores numéricos atribuídos às células correspondem representação de temas categóricos, a exemplo do a grandezas reais obtidas por interpolação de mapa ilustrado na figura 4.5.11. Nesta modalidade, os amostras pontuais. Os modelos digitais de terreno elementos do espaço geográfico são representados representam fenômenos que variam continuamente por células ou pixel (picture element) organizados no espaço, tais como relevo, magnitude de um em uma matriz bidimensional composta de linhas sismo, temperatura, campo magnético, campo e colunas. A cada célula é atribuído um valor ou gravimétrico, concentração de um elemento químico símbolo, quantitativo ou qualitativo, que corresponde nas águas de um lago etc. a uma propriedade do fenômeno observado, num determinado tempo. Quanto menor o tamanho da Matricial Imagem - as imagens são um tipo célula, maior é a resolução espacial e melhor a especial do modelo matricial numérico no qual os representação do fenômeno. A figura 4.5.11 ilustra valores atribuídos às células indicam a intensidade um mapa de aptidão agrícola hipotético representado da radiação eletromagnética refletida pela área no modelo matricial. Os valores numéricos atribuídos correspondente no terreno. às células têm conotação nominal, isto é, são classes de aptidão. Atributos Matricial Temático - neste modelo, cada célula da grade é associada a uma classe do tema considerado. Correspondem à componente descritiva dos dados Tomando como exemplo o mapa da figura 4.5.11, cada geográficos e são armazenados, geralmente, em tabelas célula é codificada segundo uma das oito classes de de um banco de dados relacional gerenciado pelo aptidão consideradas na região de estudo. SIG. Nesse contexto, os atributos que descrevem as propriedades de um objeto ou fenômeno representado Matricial Numérico - nesta categoria, a superfície em um SIG podem ser classificados em quatro níveis é representada por uma grade regular designada segundo a classificação de escalas de medição proposta modelo digital de terreno (mdt) ou modelo numérico por STEVENS (1946). “... medição, em um sentido amplo, de terreno (mnt), na qual cada célula é definida por é definida como a atribuição de números aos objetos ou sua localização no plano xy e por um único valor eventos de acordo com regras” (STEVENS, 1946, p. 677, tradução nossa). Escala Nominal - os números são usados apenas como rótulos e podem ser substituídos por letras ou palavras, por exemplo: em um mapa hidrogeológico, os números “1, 2 e 3” estão associados, respectivamente, às classes aqüífero poroso, aqüífero cárstico e aqüífero fraturado. Em um mapa rodoviário, o número “7” pode representar a classe rodovia pavimentada federal e o “8”, a classe rodovia pavimentada estadual. Escala Ordinal - o valor numérico representa um conjunto de classes ordenadas segundo critérios que expressam uma idéia relativa de intensidade, de risco, de tamanho etc., sem considerar magnitude ou proporção relativa. Exemplo: em um mapa temático sobre risco de contaminação de um aqüífero, os números “1, 2, e 3” podem representar as classes de baixo, médio e alto risco, respectivamente. Essa categoria só admite comparações relativas, do tipo maior, menor ou igual. Escala Intervalar - os valores representam números reais ordenados segundo uma escala calibrada, na qual o ponto de origem é arbitrado, admitindo valores positivos e negativos. Exemplos: Figura 4.5.11 - Mapa hipotético de aptidão agrícola a escala de temperatura Celsius, a escala do pH, representado no modelo matricial. que mede a concentração do íon hidrogênio em uma 301 Cap_4.5_FFI.indd 9 9/12/2008 21:32:35 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia solução, e o sistema de coordenadas geográficas, que tem sua origem arbitrada na interseção do meridiano de Greenwich com o paralelo Equador. É correto afirmar que uma solução com pH=2 é mais ácida que uma com pH=4. No entanto, não faz sentido dizer que a primeira é duas vezes mais ácida que a segunda. Escala de Razão - Este caso difere do anterior (escala intervalar) pelo fato de a origem do sistema não ser arbitrária, mas definida por uma condição natural importante. Tomando-se como exemplo a escala kelvin, o valor zero kelvin equivalente a – 273,15 graus Celsius é o zero absoluto (menor temperatura possível). Distância, peso, área, população, idade, enquadram- se nesta categoria. Em decorrência, é correto afirmar, por exemplo, que uma distância de 100 km é duas vezes maior que uma de 50 km; ou que densidade demográfica é o resultado da divisão do numero de habitantes por uma área especificada. 4.5.9 Exemplos de Aplicação Projeto Cadastro de Fontes de Abasteci- Figura 4.5.12 - Localização da área de atuação do projeto mento por Água Subterrânea no Semi-Árido cadastramento de pontos de água. Brasileiro No período de 1998 a 2001, a CPRM realizou o medida que iam sendo transferidos para o aplicativo cadastro de pontos de água subterrânea nos estados SIG, detectou erros nos registros das fichas de campo do Ceará e de Sergipe. Posteriormente, entre 2002 e que foram, quando possível, repassados para as 2004, a CPRM, com suporte financeiro do MInistério de equipes de campo efetuarem as devidas correções. Minas e Energia, executou o cadastramento de pontos Uma propriedade peculiar aos dados geoespaciais, de água subterrânea no restante da região semi-árida já mencionada, diz respeito à natureza dual dos seus brasileira, compreendendo os estados do Piauí, Rio atributos, que apresentam uma componente descritiva Grande do Norte, Paraíba, Pernambuco, Alagoas, parte ou convencional e outra espacial. Essa é a principal do estado da Bahia e no Vale do rio Jequitinhonha, em característica explorada pelas ferramentas de consulta Minas Gerais (figura 4.5.12). disponíveis nos sistemas de informação geográfica. Nesse trabalho foram cadastrados cerca de As consultas no ambiente SIG podem ser realizadas 87.000 pontos de água que tiveram suas coordenadas de diferentes modos: consulta interativa, diretamente registradas por GPS. Em 60.000 pontos desse na tabela de atributos ou na tela do computador; conjunto, foram coletadas amostras de água para consulta aos atributos descritivos construindo uma determinação de suas condutividades elétricas expressão na linguagem SQL (Structured Query e posterior estimativa das concentrações de Language); consulta espacial na qual os objetos sólidos totais dissolvidos. Quando possível, foram são selecionados por suas localizações relativas no levantados outros dados hidrogeológicos, tais espaço georreferenciado; e consulta híbrida, pela como nível estático, nível dinâmico, tipo de aqüífero, combinação dos dois últimos tipos. produção etc. Também foram levantadas informações O geoprocessamento acompanhou todas as sobre as condições físicas, à época do cadastro, etapas do projeto e teve um papel preponderante das instalações e equipamentos de captação e no planejamento de ações visando à recuperação armazenamento de água, sobre o uso da água emergencial de poços e nas tomadas de decisões em cada ponto e várias outras questões de cunho envolvendo aplicações de recursos financeiros socioeconômico. públ icos. Sua execução envolveu diferentes Os dados registrados em fichas de campo foram modalidades de consultas, algumas simples, outras transferidos, por meio de digitação, para um banco de complexas, formuladas segundo um ou múltiplos dados desenvolvido em Access e, após consistência, critérios, sempre com o propósito de evidenciar exportados para uma base de dados geográfica em aspectos relevantes embutidos nos dados ou gerar ambiente SIG. A análise exploratória dos dados, à novas informações. 302 Cap_4.5_FFI.indd 10 9/12/2008 21:32:35 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A seguir, são apresentados alguns exemplos resultantes desses procedimentos. A figura 4.5.13 é o produto de uma consulta por atributos à base de dados no qual as amostras de águas subterrâneas analisadas são classificadas em dois tipos – água doce e água salobra/salgada - segundo a concentração de sólidos totais dissolvidos. A análise visual da distribuição espacial dos pontos de águas representados na figura 4.5.13 ressalta uma compartimentação do espaço em zonas de predomínio de um ou de outro tipo. Essa percepção deu origem ao mapa temático de qualidade das águas subterrâneas da figura 4.5.14. Em uma situação hipotética, um pesquisador é instado a responder a seguinte questão: qual a influência dos aqüíferos (poroso e fissural) na concentração de sólidos totais dissolvidos nas águas subterrâneas do semi-árido brasileiro? Para responder essa questão é necessário, em uma primeira etapa, classificar as águas subterrâneas em dois grupos - água doce e água salobra/salgada. Isto se consegue com uma simples expressão SQL: “para água doce selecione todos o poços com valores de Figura 4.5.13 - Distribuição espacial dos pontos de água STD ≤ 1.000 mg/L e para água salobra/salgada aqueles classificados quanto à concentração de sólidos totais com STD > 1.000 mg/L”. Em uma segunda etapa, dissolvidos (STD). deve-se produzir um mapa geológico categorizado em apenas duas classes de rochas: sedimentar e cristalina/ metamórfica. Este mapa temático foi gerado a partir da Carta Geológica do Brasil ao Milionésimo (CPRM, 2006), utilizando ferramentas de consulta e reclassificação. Com esses dois subprodutos, processa-se uma consulta espacial relacionando os pontos de água cadastrados e as duas classes de rochas, do mapa simplificado, representadas por polígonos. Tal relacionamento é definido pelo seguinte critério: “selecione todos os pontos de água que estão completamente dentro da classe sedimentar e preencha o campo TIPO_AQUIF da tabela de atributos com a palavra poroso”. Repete- se o mesmo procedimento para a classe cristalina, preenchendo o campo com a palavra fissural. Deste modo, todos os pontos na tabela ficam classificados em um dos dois tipos de aqüíferos - poroso e fissural. Por meio de operações estatísticas simples aplicadas à tabela, obtém-se a resposta à questão formulada no início: com base na amostra estudada e considerando apenas as variáveis tipo de aqüífero e concentração de STD, 87% das águas provenientes de aqüíferos porosos são consideradas adequadas para o consumo humano. Esse percentual cai para 51% quando a proveniência Figura 4.5.14 - Potabilidade das águas subterrâneas das águas é de aqüíferos fissurais (figura 4.5.15). classificada em duas zonas de predomínio de uma das duas Entretanto, deve-se ressaltar que no semi-árido classes: a) água doce; b) água salobra ou salgada. brasileiro as águas subterrâneas dos terrenos cristalinos são, usualmente, cloretadas e o limite de potabilidade dos cloretos é de 250 mg/L. Assim, uma classificação de uma água quanto à potabilidade, determinada água que tenha, por exemplo, 900 mg/L sendo o mapa da figura 4.5.14 (baseado apenas de STD, considerada potável por este critério, pode em STD) apenas um referencial. Para a classificação apresentar cloretos acima de 250 mg/L e estaria fora definitiva de uma água, é obrigatória a realização de do limite de potabilidade. Portanto, não se deve utilizar uma análise físico-química em laboratório (maiores o critério STD isoladamente como fator decisório na detalhes nos capítulos 5.1 e 5.2). 303 Cap_4.5_FFI.indd 11 9/12/2008 21:32:45 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia Figura 4.5.15 - Distribuição espacial dos poços e percentuais de águas doce e salgada nos aqüíferos porosos e fissurais no semi-árido brasileiro. A análise dos dados levantados no cadastramento Projeto Água Subterrânea no Nordeste do de poços no estado de Sergipe apontou problemas no Brasil / PROASNE: Área Piloto Região de abastecimento de água nas zonas rurais que poderiam ser resolvidos com ações governamentais simples. Irauçuba, CE A CPRM, diante daquela realidade, apresentou uma proposta com algumas alternativas para subsidiar a O Projeto Água Subterrânea no Nordeste do Brasil tomada de decisão dos gestores públicos, no sentido - PROASNE, foi executado no período de 2000 a de recuperar poços desativados e instalar sistemas 2004, no âmbito de uma cooperação técnica firmada simplificados de abastecimento de água. Uma das entre o Serviço Geológico do Brasil e o Serviço alternativas apresentadas propunha a recuperação de Geológico do Canadá, com apoio financeiro da poços que à época encontravam-se paralisados ou não Agência Canadense de Desenvolvimento Internacional instalados, localizados próximos a escolas rurais da – CIDA, e teve a participação, além da CPRM, de rede pública de ensino com carência de água potável. diversas instituições brasileiras, federais e estaduais, Para tal fim, os poços selecionados deveriam satisfazer das quais se destacaram as Universidades Federais às seguintes exigências: do Ceará, Pernambuco e Rio Grande do Norte. O • que estivessem paralisados ou não instalados; projeto, desenvolvido em três áreas-piloto (no Ceará, no Rio Grande do Norte e em Pernambuco), utilizou • que tivessem uma vazão informada acima de tecnologia avançada (geofísica aérea e terrestre e 5.000 L/h; geoprocessamento, principalmente), na tentativa de • que tivessem uma concentração de STD inferior a aumentar o conhecimento da ocorrência, circulação 500 mg/L; e salinização da água subterrânea em terrenos cristalinos, visando reduzir o índice de insucesso na • que a distância euclidiana entre os poços e as locação dos poços nestas regiões e melhorar seu nível escolas fosse inferior a 5 km. de aproveitamento. Tais condicionantes foram traduzidos para No Ceará, a área piloto selecionada foi a folha expressões na linguagem SQL e aplicados à base Irauçuba (SB.24Y-D-V), correspondente a uma dados. A figura 4.5.16 mostra a distribuição espacial quadrícula de 0,5 grau de lado (figura 4.5.17). Os das escolas selecionadas por esse processo, bem critérios que determinaram a escolha dessa área como parte da respectiva tabela de atributos. foram de ordem geológica/hidrogeológica - amplo 304 Cap_4.5_FFI.indd 12 9/12/2008 21:32:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.5.16 - Poços cadastrados no estado de Sergipe como potenciais fontes supridoras de água para abastecimento de escolas públicas. domínio de rochas cristalinas e extrema escassez água subterrânea é arbitrariamente classificado de recursos hídricos – e social, pois a região detém como produtivo quando, segundo informações dos baixos índices de desenvolvimento humano. Na área usuários, produz, no mínimo, 500 L/h. de estudo foram cadastrados 223 poços tubulares, A análise estatística dos dados levantados dos quais 104 (47%) são considerados produtivos. no cadastro mostra que a probabilidade a priori Neste trabalho, um poço tubular para captação de (probabilidade resultante do tratamento estatístico dos dados brutos, sem considerar qualquer critério na locação dos poços) de se perfurar um poço produtivo no cristalino, na área, é 0,47, o que significa dizer que a chance de se lograr êxito no evento considerado é quase “1 em 2” ou de 50%. Este aspecto, evidente na análise exploratória dos dados, reflete uma variabilidade espacial muito alta na ocorrência da água subterrânea, mercê da reconhecida complexidade do fluxo hídrico subterrâneo no domínio fraturado. Tal variabilidade, explica muitos dos casos de insucesso na prospecção de água subterrânea no cristalino do semi-árido brasileiro. Diante desse quadro e com o propósito de reduzir a incerteza envolvida no processo de locação de poços, organizou-se uma base de dados espacial para geoprocessamento em ambiente SIG, na qual foram integrados e analisados produtos de sensoriamento remoto, dados geológicos, hidrogeológicos, pedológicos, geomorfológicos, entre outros. Os dados selecionados foram aqueles Figura 4.5.17 - Localização da área piloto selecionada no representativos de fenômenos ou evidências, também Ceará, folha Irauçuba (SB.24Y-D-V). denominadas variáveis explicativas, que teoricamente 305 Cap_4.5_FFI.indd 13 9/12/2008 21:33:00 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia podem influenciar os processos de circulação e armazenamento de água em meios fissurais, a exemplo de fraturas, declividade e intemperismo. Isto, apesar das incertezas quanto à influência de cada fator individualmente e no conjunto, sobre o fenômeno estudado. Figura 4.5.18 - Escala ordinal para ponderação das classes. Tais evidências ou fatores, após exaustiva análise exploratória, foram combinados segundo duas metodologias ou modelos. Um modelo orientado Por esse motivo, mesmo sendo orientadas por pelo conhecimento, desenvolvido segundo regras critérios consistentes, na visão do especialista, devem heurísticas definidas por especialistas, e um modelo ser confrontadas com a realidade e calibradas por meio orientado pela análise estatística dos dados. de simulações. Em ambos os casos, a modelagem dos processos Os temas selecionados e incluídos na modelagem que teoricamente condicionam a infiltração, o fluxo e de Brandão e Gomes (2003) foram: litologia; solos; o armazenamento de água subterrânea em rochas declividade; precipitação pluviométrica; cobertura cristalinas foi conduzida segundo os princípios da vegetal e uso do solo; e lineamentos morfoestruturais, metodologia científica com o seguinte objetivo: gerar representados pelos temas densidade de interseção modelos conceituais previsores da ocorrência de de fraturas e freqüência de fraturas. água subterrânea em meio fraturado, e com isso, Cobertura Vegetal e Uso do Solo - tema derivado subsidiar a tomada de decisões quando da locação do processamento digital de imagens do Landsat de poços em áreas geologicamente semelhantes, no (ETM-7) empregando-se técnicas de segmentação de semi-árido brasileiro. imagens por crescimento de regiões, de classificação supervisionada, de razão de bandas e transformação O Modelo Baseado em Conhecimento do espaço de cores para determinação do índice de biomassa, entre outras. O produto final resultante Os dados utilizados nesta abordagem são os mesmos desse tratamento é o mapa temático apresentado de Brandão e Gomes (2003), bem como a metodologia na figura 4.5.19, cujas classes estão explicadas na que envolveu as quatro etapas seguintes: tabela 4.5.2. • selecão, com base no conhecimento empírico, das Litologia - tema extraído do mapa geológico da evidências ou fatores influentes no fenômeno em folha Irauçuba, escala 1:100.000 (Souza Filho, 2000). estudo; O arquivo vetorial com os polígonos representativos • análise dos fatores com o objetivo de atribuir notas dos 14 litotipos originalmente identificados na área, foi às suas respectivas classes, isto é, ponderá-las. reclassificado para cinco classes que, após conversão Para isso, é necessário que as classes de cada um para o formato raster, foram ponderadas na escala sejam normalizadas para um intervalo ou escala ordinal de 0 a 10 (figura 4.5.20 e tabela 4.5.3). numérica ordinal, por exemplo, de 0 (zero) a 10 (dez), como ilustrado na figura 4.5.18; Mapa de Solos - este tema é um extrato do Mapa de Solos do Ceará, escala 1:600.000 (CEARÁ, 1988), com • atribuição de pesos a cada um dos fatores, segundo algumas modificações e ajustes necessários para sua as regras de decisão previamente definidas no representação na escala 1:100.000. Após o corte da contexto do objetivo a ser alcançado; área de interesse, as 16 classes de solos cartografadas • combinação dos fatores entre si, aplicando a técnica – algumas englobando associações de até três tipos de modelagem conhecida como Combinação Linear - foram reclassificadas em sete classes e ponderadas Ponderada - WLC (Weighted Linear Combination), segundo suas características intrínsecas favoráveis à por meio da função aritmética de média ponderada, infiltração das águas meteóricas: permeabilidade e expressa na equação abaixo: espessura (figura 4.5.21). Isto, segundo a avaliação de especialistas. n ∑Wij * Yj Declividade - a inclusão do tema declividade τ = i=1 n (4.5.1) neste modelamento justifica-se pela sua influência ∑Yj na velocidade do escoamento superficial das águas j=1 pluviais, com implicações na taxa de infiltração. Quando este trabalho foi executado, não se dispunha ainda dos sendo, Wij o peso atribuído à classe “i” do tema “J” dados de altimetria do SRTM, por isso, a declividade e Yj, o peso atribuído ao tema “J”. foi gerada por interpolação das curvas de nível e As regras de decisão quanto ao relacionamento de pontos cotados, extraídos da carta topográfica espacial entre os diferentes fatores e suas respectivas da folha Irauçuba, escala 1:100.000, editada pela influências no fenômeno estudado constituem a DSG. O método empregado foi triangulação de essência da modelagem baseada no conhecimento. Delaunay, respeitando linhas de quebra representadas 306 Cap_4.5_FFI.indd 14 9/12/2008 21:33:00 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.5.19 - Cobertura vegetal e uso do solo. CLASSE NOTA Caatinga arbórea aberta e agricultura de subsistência 4 Caatinga arbórea fechada 6 Caatinga arbustiva, agricultura de subsistência e pecuária semi-intensiva 3 Pastagem/pecuária extensiva 4 Mata úmida c/ f rut icu l tura comercia l (bananicultura) 7 Mata úmida fechada 9 Mata ciliar 9 Área urbana 0 Figura 4.5.20 - (a) Mapa litológico da folha Irauçuba; (b) Espelho d’água 0 litologia reclassificada e ponderada. Tabela 4.5.2 - Notas atribuídas às classes do tema cobertura vegetal e uso do solo. CLASSE NOTA Qal – aluviões 9 pelo arquivo vetorial da drenagem simplificada. A Ngr - granitóides não deformados 3 inclusão da rede de drenagem como marcadora Ngra – quartzo-dioritos e granitos róseos a de descontinuidades lineares do relevo tem como duas micas 3 finalidade preservar os vales na superfície modelada, Ngrd – granodioritos e granitos porfiríticos 3 conferindo-lhe um aspecto mais natural. A carta de Ngdgn – granodioritos e granitos porfiríticos declividade expressa em porcentagem, obtida por este gnaissificados 4 método, foi fatiada em cinco intervalos ou classes, tal como ilustrado na figura 4.5.22. Pbgn – biotita-gnaisses e gnaisses com granada e sillimanita 6 Precipitação Pluviométrica - os índices Pcc – metacalcários 6 pluviométricos médios anuais na folha Irauçuba, de Pcgn – calcissilicáticas 5 um modo geral, crescem do sertão para o litoral, ou seja, de sul para norte. No quadrante NE, região Phgn – hornblenda-biot i ta-gnaisses e paranfibolitos 6 serrana, os índices pluviométricos mais elevados podem refletir influência da orografia. O mapa de Pmig – migmatitos paraderivados 5 pluviosidade apresentado na figura 4.5.23, com cinco Pqt – quartzitos 6 classes já ponderadas, é uma versão modificada Pxt – xistos 6 do mapa elaborado por Bezerra & Mendes (1997). Pogn – ortognaisses fortemente bandados 5 Um aspecto interessante observado neste mapa Pggn – corpos tabulares de granito 3 diz respeito à elevada amplitude dos índices pluviométricos (800 mm), considerando-se a pequena Tabela 4.5.3 - Explicação da legenda e notas atribuídas aos extensão da área. litotipos. 307 Cap_4.5_FFI.indd 15 9/12/2008 21:33:01 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia CLASSE NOTA PLUVIOSIDADE MÉDIA ANUAL (mm) NOTA Litólico Eutrófico 1 950 – 1.350 6 Solonetz Solodizado 2 850 – 950 5 Planossolo 3 750 – 850 4 Bruno Não-Cálcico 5 650 – 750 3 Podzólico Vermelho –Am. Eut. 6 550 – 650 2 Aluvial 10 <550 1 Figura 4.5.21 - Mapa de solos ponderado. Figura 4.5.23 - Índices de pluviosidade média anual ponderados. Lineamentos Morfoestruturais - as propriedades hidráulicas nos domínios fraturados são quase que exclusivamente condicionadas por falhas, fraturas e juntas - estruturas planares de regime tectônico frágil – em meso e macro escalas. Tomando como premissa que as feições topográficas são fortemente influenciadas pela tectônica recente, os lineamentos morfoestruturais visualizados nas imagens de sensoriamento remoto representam, em boa parte, a interseção de estruturas tectônicas planares com a superfície topográfica. Tais lineamentos, designados genericamente por fraturas, foram cartografados a partir de análise visual, conduzida em plataforma SIG, de vários produtos de sensoriamento remoto: imagens sombreadas do relevo, derivadas da grade SRTM, aerofotos digitalizadas e georreferenciadas, imagens de satélites (Landsat ETM7 + ASTER CLASSE (%) NOTA e CBERS) e imagem de RADAR. A figura 4.5.24 00-03 – relevo plano 10 mostra, de modo esquemático, as principais etapas 03-08 – suavemente ondulado 8 do geoprocessamento direcionado para o fim específico de gerar o plano de informação Índice de 08-20 – ondulado 5 Fraturamento. Este é o resultado da soma algébrica 20-45 – fortemente ondulado 2 ponderada de dois outros grids, o de densidade de >45 – montanhoso/escarpado 0 interseções e o de freqüência de lineamentos, que Figura 4.5.22 - Carta de declividade ponderada. receberam, respectivamente, pesos de 60% e 40%. 308 Cap_4.5_FFI.indd 16 9/12/2008 21:33:01 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.5.25 - Metodologia e critérios empregados na modelagem. Análise e Aferição do Modelo - a primeira condição para que o modelo seja considerado eficiente é que ao ser incluído no processo de tomada de decisão – locação de poços no cristalino – apresente resultados estatisticamente positivos quando comparados aos resultados históricos. Como visto anteriormente, as chances, baseadas nos dados existentes, de se perfurar um poço produtivo na área em estudo é praticamente 1:1, ou seja, para cada poço produtivo existe um poço seco. Figura 4.5.24 - Representação do processo de geração do O método empregado para validação do modelo plano temático Índice de Fraturamento: a) arquivo vetorial com conceitual ora apresentado consistiu em cruzar os lineamentos morfoestruturais e os pontos de interseção; b) os poços existentes com o modelo e, por meio de grid de densidade de interseção de lineamentos; c) grid de técnicas de geoprocessamento, extrair os dados freqüência de lineamentos. d) grid do índice de fraturamento obtido pela soma algébrica ponderada de (b) e (c). necessários para preencher as tabelas 4.5.4 e 4.5.5 e gerar o gráfico da figura 4.5.27, a partir dos quais são feitas as seguintes considerações: Mapa de Potencialidade Hídrica Subterrânea - concluída a etapa anterior, os temas no formato Classe de Vazão de Produção (m3/h) raster com suas respectivas classes devidamente Soma Potencialidade <1 1-2 2-3 3-5 5 -10 >10 ponderadas, são hierarquizados de acordo com as regras de decisão previamente definidas. O Alta 0 0 0 0 0 0 0 tema “Índice de Fraturamento”, por exemplo, face Moderada 14 6 2 3 1 1 27 à presumida influência sobre a permeabilidade das Baixa 30 16 10 5 9 3 73 rochas cristalinas, foi o que recebeu maior pontuação Muito Baixa 0 1 0 0 0 0 1 individual (30%), quando combinado aos demais na Soma 44 23 12 8 10 4 101 expressão algébrica linear ponderada, para gerar o mapa de potencial hídrico. A metodologia e os Tabela 4.5.4 - Número de poços classificados por vazão principais critérios empregados na modelagem estão versus classes de potencialidade. sintetizados no fluxograma da figura 4.5.25. O mapa final, produto da álgebra de mapas aplicada aos planos de informação, é um grid Potencialidade Área (km2) Área (%) numérico com valores no intervalo de 1,5 a 7,7, que Alta 354 11 expressam uma favorabilidade na escala ordinal de 1 Moderada 516 15 a 10. A reclassificação deste grid em quatro classes Baixa 1.813 54 de favorabilidade – Muito Baixa, Baixa, Moderada e Muito Baixa 682 20 Alta – resultou no Mapa de Potencialidade Hídrica Subterrânea, apresentado na figura 4.5.26, objeto Total 3.365 100 final de todo o processo de modelagem descrito Tabela 4.5.5 - Área de cada uma das classes de potenciali- neste item. dade. 309 Cap_4.5_FFI.indd 17 9/12/2008 21:33:02 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia Figura 4.5.26 - Modelo Final - Mapa de Potencialidade Hídrica Subterrânea sobre relevo sombreado, mostrando a distribuição espacial dos poços classificados por vazão. • do total de 101 poços, 100 estão distribuídos • dos 20 poços com vazões entre 2 e 5 m3/h (vazão nas classes de Baixo e Moderado potenciais. moderada), 5 (25%) estão localizados na classe Desse total, 73 na classe Baixa e 27 na classe Moderada do mapa de potencial; os demais, 75% Moderada; estão distribuídos na classe de Baixo potencial; • 67 poços apresentam vazões inferiores a 2 m3/h, • nove dos 10 poços com vazões entre 5 e 10 m 3/h (vazão alta) estão distribuídos na classe de Baixa consideradas Baixas; 20, têm vazões entre 2 e 5 potencialidade; e m3/h, consideradas Moderadas; 18, com vazões entre 5 e 10 m3/h, consideradas Altas; e, apenas • dos quatro poços com vazões superiores a 10 m 3/h, 3 três estão localizados nas classes Baixa e um na quatro, com vazões acima de 10 m /h, consideradas Moderada; Muito altas; • nenhum poço localiza-se na classe Alta do mapa Pelas razões acima, verifica-se que o modelo de potencialidade que representa 11% da área de obtido por este método mostra pouca coerência com os dados existentes e, portanto, não deve ser utilizado estudo (tabela 4.5.5); como ferramenta auxiliar na tomada de decisão sobre • apenas um poço localiza-se na classe Muito Baixa, a locação de poços. Todavia, essa conclusão não é que tem uma área de 682 km2 (20% da área total). definitiva e nem significa que o modelo esteja errado. Esta aparente incoerência é explicada pelo fato Ao contrário, o modelo reflete, de modo consistente, de essa classe corresponder a cristas e encostas a complexidade do fenômeno estudado que os dados íngremes de serras, portanto, impróprias para utilizados não foram capazes de retratar. O modelo locação de poços (figura 4.5.26). Esse aspecto conceitual ora apresentado pode ser reavaliado sob reflete a influência do fator declividade, ao qual foi outras perspectivas, uma vez que é resultante da atribuído o peso de 15% na expressão matemática contribuição de vários fatores que foram analisados, da soma linear ponderada utilizada para gerar o ponderados e relacionados entre si, segundo mapa de potencial. Vale ainda ressaltar que as critérios fundamentados no conhecimento empírico, classes com declividades superiores a 20% são alguns subjetivos. Portanto, novas simulações são recomendadas. Outras melhorias podem ser restritivas na modelagem; conseguidas com a inserção de novas variáveis • dos 67 poços com vazões inferiores a 2 m3/h (vazão ambientais, se possível com resoluções mais sensíveis baixa), 46 (69%) estão localizados na classe de à variabilidade espacial do fenômeno estudado. Por Baixo potencial, sendo, portanto, classificados fim, resta a alternativa de aplicar outras metodologias, como verdadeiros positivos; como a apresentada a seguir, orientada pelos dados. 310 Cap_4.5_FFI.indd 18 9/12/2008 21:33:03 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O Modelo Baseado em Dados Esta abordagem, semelhante à anterior nos objetivos, difere por ser isenta à interferência subjetiva do especialista. A imparcialidade deste método - Regressão Logística (RL) - reside no fato de que os pesos dos fatores ou variáveis independentes (VI) incluídos na equação para estimar a probabilidade de ocorrência do fenômeno estudado, ou variável dependente (VD), são derivados das relações entre os próprios dados. A restrição para aplicação deste modelo é que a variável dependente (ou variável resposta) deve obrigatoriamente ser dicotômica, admitindo apenas dois valores: sim ou não, falso ou verdadeiro. Neste estudo, a VD é a produção do poço, se produtivo ou seco. As VI não têm essa limitação e podem ser qualitativas e quantitativas. Os fundamentos teóricos do modelo logístico são explicados a seguir, de modo resumido. • A função logística admite como entrada qualquer valor numérico entre -∞ e +∞ e retorna valores entre 0 (zero) e 1(um). A probabilidade de a variável Figura 4.5.27 - (a) Curva da função logística; (b) reta de regressão linear mostrando que a probabilidade pode as- dependente assumir o valor 1 (resposta positiva) sumir valores inconsistentes - menores que 0 (zero) e maiores segue a curva logística da figura 4.5.27a, cuja que 1 (um). expressão matemática é: 1 et al, 1996) – SIG com funções de processamento f(z) = −z (4.5.2)1+ e de imagens; Idrisi® versão Andes; e a suíte de aplicativos Microsoft® Office Professional 2003. onde f(z) é a probabilidade de ocorrência do evento, No desenvolvimento deste modelo emprega- dado um cojunto de variáveis independentes, sendo se o método indutivo, por meio do qual vários z definida como: fenômenos teoricamente influentes em um determinado processo são analisados, selecionados, organizados z = β0 + β1x1 + β2x2...+ βkxk (4.5.3) e classificados. Em seguida, procura-se identificar possíveis relações de causalidade entre os fenômenos onde, β0 é o intercepto; β1, β2, ... βk são os coeficientes e o processo, para, então, descartar aqueles pouco de regressão de x1, x2, ... xk, respectivamente (fórmulas influentes. Por último, os fenômenos avaliados como extraídas da Wikipédia, a enciclopédia livre). prováveis condicionantes do processo em estudo são • O pressuposto básico do modelo logístico é que a combinados com o propósito de se generalizar, em variável dependente (y) é o resultado da interação um modelo probabilístico, as relações inferidas (figura dos fatores fávoráveis ou restritivos ao fenômeno 4.5.28). No nosso exemplo, a função utilizada para estudado. combinar os dados e gerar o modelo foi a regressão • A análise por RL aplica uma transformação não linear logística multivariada. Esta é uma ferramenta à equação de probabilidade linear (y=a+bx+ε) estatística largamente empregada na formulação de para resolver inconsistências desta última; nesta prognósticos de um fenômeno, natural ou artificial, cuja ocorrência é dicotômica e condicionada por um expressão, y é a variável dependente que assume o conjunto de fatores ou evidências. valor 1(um) ou 0 (zero); a é um termo constante; b é O processo que se pretende avaliar é o que o coeficiente da variável independente; x é a variável condiciona a ocorrência de água em aqüíferos independente; ε é um termo de erro. Na figura 4.5.27b, fraturados, nos quais a porosidade e a permeabilidade a probabilidade calculada por esta expressão pode primárias são praticamente nulas. O paradigma, assumir valores menores que (0)zero e maiores que fundado no conhecimento empírico, de que o trânsito e 1(um), o que é uma inconsistência. o armazenamento da água nesse meio são controlados Material e Métodos por estruturas planares do regime tectônico frágil (fendas, fraturas, juntas e falhas) é uma condição sine O desenvolvimento deste trabalho requereu, nas qua non, mas, será a única? A proposta deste trabalho suas diferentes etapas, o uso dos seguintes softwares: é testar possíveis influências de outros fatores, que ESRI® ArcGis 9.0 com as extensões Spatial Analyst, 3D não só os de natureza tectônica e, com isso, contribuir Analyst e Geostatistical Analyst; ENVI® (Environment para a evolução do conhecimento sobre o fenômeno for Visualizing Images), versão 4.4; SPRING (Câmara estudado. 311 Cap_4.5_FFI.indd 19 9/12/2008 21:33:03 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia Figura 4.5.29 - Ilustração do método de preparação da variável dependente para modelagem. A população de poços é dividida aleatoriamente em dois conjuntos: um para desenvolvimento do modelo e outro para sua validação. Figura 4.5.28 - Representação esquemática da metodologia aplicada (modificado de Péloquim, 2004)(1). Preparação dos Dados Variável Dependente - o primeiro passo foi a adequação da variável dependente para o formato binário exigido pelo modelo. Esta variável está representada na tabela de atributos por um campo numérico designado “vazão informada”, em razão dos seus valores, na maioria dos casos, resultarem de informações verbais prestadas pelos usuários quando da realização do cadastro de poços. Assim, a transformação desse dado para o formato binário, reduz as incertezas sobre o mesmo e atende à exigência do modelo. O critério adotado para essa conversão foi o seguinte: se os valores informados são inferiores a 500 L/h, a variável assume a condição 0 (zero), se maiores ou iguais a 500 L/h, assume a condição 1 (um). Por fim, o conjunto de 223 poços cadastrados foi dividido aleatoriamente em dois subconjuntos: um, com 115 Figura 4.5.30 - Distribuição espacial dos 115 poços selecio- nados para modelagem sobrepostos ao mapa litológico. poços, utilizado no desenvolvimento do modelo e outro, com o restante, preservado para a validação do modelo final. A figura 4.5.29 representa didaticamente Solos - arquivo vetorial de polígonos adaptado do esse procedimento, enquanto a figura 4.5.30 mostra mapa de solos do estado do Ceará por Brandão a distribuição espacial dos poços selecionados para (2003). modelagem em relação ao mapa litológico. Modelo Digital de Elevação - SRTM (Shuttle Radar Variáveis Independentes - as 13 variáveis expli- Topography Mission). cativas, ou fatores, incluídos na modelagem são Lineamentos Morfoestruturais - arquivo vetorial provenientes de diferentes áreas do conhecimento de linhas derivado da análise visual de imagens do e foram selecionadas com base no conhecimento relevo sombreado. empírico. Por imposição do modelo, estas variáveis, descritas sucintamente a seguir, foram convertidas Freqüência de Lineamentos Morfoestruturais - grid para o formato raster. derivado do tema anterior por geoprocessamento. Geologia - a litologia, tema selecionado dessa Densidade de Interseção de Lineamentos categoria, é um arquivo vetorial de polígonos Morfoestruturais - grid gerado a partir de um no formato shapefile. Para utilizá-lo no modelo, arquivo vetorial de pontos correspondentes às foi necessário corrigir algumas inconsistências interseções dos lineamentos. topológicas e reclassificá-lo em 14 classes (Fonte: Declividade - valores em porcentagem, resultante Souza Filho, 2000). do geoprocessamento do grid MDT-SRTM. (1) Sthéphane Péloquim - apresentação em Power Point, Fortaleza, 2004. 312 Cap_4.5_FFI.indd 20 18/12/2008 09:37:03 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Orientação de Encostas - também designado de aspecto, este tema, um sub-produto do grid MDT-SRTM, indica os sentidos das pendentes das encostas, em azimute. Densidade de Interseção de Drenagem - grid derivado do geoprocessamento do arquivo vetorial de pontos representativos das interseções da rede de drenagem, esta, por sua vez, derivada do modelo digital de elevação SRTM. Geomorfologia - arquivo vetorial de polígonos representando a compartimentação do relevo em seis classes (Fonte: Brandão, 2003). Geofísica - grid do campo magnético total reduzido ao IGRF (Fonte: CPRM). Produtos de Sensoriamento Remoto - cobertura Figura 4.5.31 - Método utilizado para a inclusão ou descarte vegetal e uso do solo. Produto obtido por das variáveis independentes no modelo. (a) distribuição processamento digital de imagens Landast 7 espacial dos pontos representando os poços secos e ETM+, atualizado e corrigido com base em produtivos; (b) tabela associando o total de pontos (zero mapas existentes e observações de campo (Fonte: ou um) da variável dependente com as classes da variável independente; (c) histograma discriminante; (d) mapa binário, Brandão, 2003). no qual a classe relevante recebe o valor 1 (um) e as demais Pluviosidade - mesmo arquivo vetorial de polígonos são rotuladas com o valor 0 (zero) (modificado de Péloquim, (1) utilizado no modelo baseado em dados (Brandão 2004 ). & Gomes, 2003). explicativas. No exemplo hipotético da figura 4.5.31c, Análise de Relevância das Variáveis Independentes as classes C1 e C3 serão descartadas, pois, nas duas, - Caso Geral o percentual de poços produtivos e improdutivos é Nessa etapa, as variáveis independentes são praticamente o mesmo. Já na Classe C2, cerca de 80% cruzadas, uma a uma, com a variável dependente e, por dos poços perfurados são produtivos. Seguindo a linha meio de técnicas estatísticas, são verificadas possíveis de raciocínio adotada, este resultado é estatisticamente relações de causalidade das primeiras sobre a segunda. anômalo e deve ser investigado. É o momento em que Para executar essa ação, utiliza-se uma ferramenta de a variável independente é convertida para o formato geoprocessamento que captura os valores dos pixels de raster binário temático, atribuindo-se o valor 1 (um) uma dada variável independente, correspondentes aos para a classe C2 e 0 (zero) para as classes C1 e C3 pontos (poços produtivos e improdutivos) da variável (figura 4.5.31d). dependente. A figura 4.5.31a mostra esquematicamente este procedimento. A seguir, os dados assim obtidos Análise de Relevância das Variáveis Independentes são organizados em uma tabela com três colunas (figura - Área de Estudo 4.5.31b), na qual a primeira coluna é preenchida com as Das 12 variáveis explicativas, selecionadas com base classes da variável dependente (C1, C2... CN); a segunda no conhecimento empírico, sete, foram consideradas e terceira colunas são preenchidas com o somatório prováveis candidatas para participar da modelagem: dos poços produtivos (1) e improdutivos (0) localizados lineamentos morfoestruturais; solos; orientação em cada classe. Esses valores são, então, convertidos de encostas; litologia; densidade de interseção de para porcentagem e apresentados em histogramas drenagem; anomalias magnéticas e vegetação e uso do (figura 4.5.31.c). Chega-se, então, à fase decisiva do solo. Fiel ao critério da impessoalidade, esse conjunto processo que vai determinar o descarte ou a inclusão de sete variáveis foi testado no modelo de regressão das variáveis independentes na modelagem. A lógica logística. Após sucessivas simulações variando o dessa conduta é a de que, se numa determinada classe número de fatores em diferentes combinações e de uma variável explicativa, o número de ocorrências rodando o modelo, chega-se à conclusão de que bem sucedidas (poços com água) é significativamente cinco deles podem ser descartados por se mostrarem superior ao numero de ocorrências negativas (poços redundantes ou pouco influentes no processo. São secos), então, é provável uma relação de causa e efeito eles: litologia; densidade de interseção de drenagem; entre as variáveis (independente e dependente). Na anomalias magnéticas; vegetação e uso do solo e prática, este procedimento é feito por meio da análise orientação de encostas. O exame mais atento desses dos histogramas resultantes da combinação, par a par, cinco planos de informação permite os seguintes da variável dependente com cada uma das variáveis comentários quanto aos motivos do descarte: (1) Sthéphane Péloquim - apresentação em Power Point, Fortaleza, 2004. 313 Cap_4.5_FFI.indd 21 18/12/2008 09:37:04 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia • Densidade de Interseção de Drenagem - pelo • Orientação de Encostas - neste caso, o motivo fato da classe significante ser de segunda ordem, do descarte é justificado pelo fato da classe quando o normal seria que a classe com maior selecionada (classe 1) corresponder a superfícies densidade fosse a mais importante; planas de ampla ocorrência por toda a área de • Vegetação e Uso do Solo - por apresentar forte estudo. E a exemplo das classes de baixo gradiente correlação com a variável solos; topográfico, na carta de declividade, concentra a • Anomalias Magnéticas - provavelmente porque maioria dos poços com e sem água. a classe selecionada corresponde a valores de Os histogramas dos cinco fatores excluídos do intensidade média do campo magnético total e tem modelo são mostrados na figura 4.5.32. O gráfico da ampla ocorrência em toda a área de estudo; figura 4.5.32f mostra a probabilidade de sucesso (poço • Litologia - a classe 2 (dois), representada por com água) para cada uma das classes da variável ortognaisses granodioríticos e graníticos, recebeu independente litologia. Neste exemplo, considerando que valor 1 (um) e as demais, valor (zero). Ocorre que a a litologia fosse a única variável explicativa do fenômeno classe 1(um) coincide espacialmente com a classe 2 estudado (ocorrência de água), a probabilidade de (dois) (planossolos) selecionada no mapa de solos. sucesso da classe 2 (dois), a mais relevante segundo Quando as duas são combinadas na equação de a análise discriminante, é igual a 0,67. regressão logística, a importância relativa do mapa Uma observação que merece registro é a de que, de solos é bem superior à litologia, o que, em termos nesta abordagem baseada nos dados, a declividade práticos, anula a contribuição desta última; e não confirmou a relevância presumida no modelo 80.00 70.00 70.00 60.00 60.00 50.00 50.00 40.00 0 0 40.00 1 1 30.00 30.00 20.00 20.00 10.00 10.00 0.00 0.00 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 (a) Densidade de interseção de drenagem (b) Vegetação e uso do solo 70.00 60.00 60.00 50.00 50.00 40.00 40.00 0 0 30.00 1 1 30.00 20.00 20.00 10.00 10.00 0.00 0.00 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 (c) Litologia (d) Anomalias magnéticas do campo total 60.00 0.8 Função Logística-Litologia 0.7 50.00 0.6 40.00 0.5 0.4 Série1 30.00 Série2 0.3 20.00 0.2 0.1 10.00 0 C4 C5 C6 C10 C11 C12 C8 C14 C1 C3 C7 C9 C2 0.00 -0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ProbabilidadeClasses de litologia (e) Orientação de encostas f) Probabilidade de sucesso das classes da litologia Figura 4.5.32 - Histogramas que induziram à inclusão preliminar das cinco variáveis independentes, posteriormente descartadas da modelagem. Observar que em (a), (b), (c), (d) e (e) as classes que indicam provável relacionamento com a variável dependente são (2), (2), (1), (3) e (2), nessa ordem. O gráfico apresentado em (f) mostra a probabilidade de sucesso (poço produtivo) para cada uma das classes da variável independente Litologia. 314 Cap_4.5_FFI.indd 22 9/12/2008 21:33:04 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações orientado pelo conhecimento. O exame do histograma da figura 4.5.33, mostra que a quase totalidade dos poços localiza-se em áreas planas onde estão incluídos, em igual proporção, os poços secos e os produtivos. Ao final do processo analítico para definição das variáveis a serem incluídas no modelo final, do total de 12 planos de informação selecionados na fase preliminar restaram dois: lineamentos morfoestruturais e solos. Lineamentos Morfoestruturais - as imagens do relevo sombreado das quais foi extraído este plano de informação é um subproduto do grid do modelo digital topográfico SRTM, com células de 90 m. O Figura 4.5.33 - Histograma do plano de informação arquivo raster binário deste plano de informação é o declividade, não incluído no modelo. Observar que tanto resultado de modificações no arquivo vetorial de linhas os poços secos como os produtivos estão localizados em aplicando as seguintes funções de geoprocessamento: áreas planas. cálculo dos azimutes correspondentes a cada uma das linhas e registro desses dados em um novo campo na Solos - o arquivo digital com os polígonos tabela de atributos; criação de um corredor (buffer) de representativos das unidades pedológicas foi consistido 150 metros em torno de cada linha; conversão para o e adaptado para uso na folha Irauçuba por Brandão formato raster temático; classificação em seis classes e Gomes (2004), a partir do Mapa de Solos do Ceará, correspondentes a 12 setores angulares de 30º; e, escala 1:600.000. As 18 classes de solos mapeadas por último, transformação para raster binário. A figura na área foram agrupadas em seis classes para 4.5.34 mostra dois estágios desse procedimento e o gerar o mapa raster temático apresentado na figura histograma resultante da análise discriminante que 4.5.35a. A análise discriminante deste tema indicou indicou a classe 2 (dois) como favorável. um provável relacionamento da classe 2 (planossolos) (b) Histograma indicativo de provável influência da classe 1 (rumo NNW-SSE). (a) Lineamentos com buffer de 150 m, Legenda classificados em seis direções. Explicação 0 1 da legenda na tabela acima, onde em azul (c) Mapa binário no qual os lineamentos na é mostrada a classe selecionada. direção NNW-SSE receberam o valor 1. Figura 4.5.34 - (a) Mapa raster temático dos lineamentos com buffer de 150 m e organizados em seis direções, ou classes, conforme explicitado na tabela; (b) histograma discriminante; (c) mapa binário final com destaque para os lineamentos da classe NNW-SSE, aos quais foram atribuídos o valor 1. 315 Cap_4.5_FFI.indd 23 9/12/2008 21:33:05 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia com a variável dependente (figura 4.5.35b), o que onde, os valores -12,22, 2,46 e 1,99 correspondem, induziu à sua seleção. Planossolos são solos rasos respectivamente, ao intercepto, e aos coeficientes e, paradoxalmente, de baixa permeabilidade. Nesta atribuídos aos solos (S) e aos lineamentos (L). Da região, encontram-se geralmente desenvolvidos sobre análise dessa equação depreende-se que os solos rochas gnáissico-migmatíticas e estão associados a foram relativamente considerados mais importantes que relevos planos. O mapa binário com destaque para a os lineamentos. A tabela 4.5.6 mostra alguns dados área de ocorrência da classe selecionada é mostrado estatísticos extraídos do relatório sobre o modelo, os na figura 4.5.35c. quais expressam relações de proporcionalidade entre os 51 poços produtivos usados na modelagem e o O Modelo número total de pixels da área. Enfim, chega-se ao final do processo contabilizando apenas duas variáveis explicativas para a construção Validação do Modelo do modelo: o mapa binário da carta de solos com A avaliação da qualidade do modelo quanto uma única classe selecionada, planossolos, e o do à sua eficiência como ferramenta de prognóstico plano de informação lineamentos morfoestruturais de consistiu em compará-lo com o conjunto de 108 direção NNW-SSE. Essas duas variáveis são, então, poços, produtivos e improdutivos, reservados para combinadas pelo método denominado álgebra de validação. A figura 4.5.36, na qual os referidos poços mapas. No caso específico, é aplicada uma função estão sobrepostos ao modelo, expressa visualmente de regressão logística binária cujos resultados são essa relação. o modelo probabilístico de ocorrência de água Os índices de correspondências entre os poços subterrânea (figura 4.5.36), a equação de regressão de validação (dados observados) e os resultados logística com os coeficientes atribuídos às variáveis numéricos do modelo estão representados no explicativas e um relatório com dados estatísticos histograma da figura 4.5.37, e podem ser assim sobre o modelo. interpretados: A equação logística aplicada para gerar o modelo é expressa matematicamente por: • a probabilidade de sucesso na classe de baixa favorabilidade, que representa 81% da área total, logit(poços_sim)=(-12.22+2.46*S+1.99*L) (4.5.4) é 0,54; Figura 4.5.35 - (a) Mapa de solos simplificado da folha Irauçuba e tabela com identificação das classes; (b) histograma discriminante; (c) mapa binário da classe planossolos que recebeu o valor 1 (um). 316 Cap_4.5_FFI.indd 24 9/12/2008 21:33:06 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 4.5.36 - Modelo probabilístico resultante da combinação, por regressão logística, da classe planossolos, da carta de so- los, com os lineamentos morfoestruturais NNW-SSE. Os pontos representam poços reservados para validação do modelo. Número total de observações em pixels 2.918.900 • na classe de média favorabilidade, correspondente a 18,5% da área total, a probabilidade de acerto é Número de poços produtivos 51 de 0,37; e Percentagem de poços produtivos na área 0,0017 • na classe de moderada favorabilidade, cuja área é Numero de pixels da área amostrada 281.240 inferior a 1% da área total, os dados são insuficientes Numero de poços na área amostrada 5 para se estimar a probabilidade. Percentagem de poços produtivos na área 0,0018 amostrada 4.5.10 Considerações Finais Tabela 4.5.6 - Dados estatísticos da modelagem. Hoje, com a popularização dos computadores e a disseminação no mercado de vários aplicativos de SIG a preços acessíveis ou mesmo gratuitos, o geoprocessamento consolida-se, a cada dia, como ferramenta de trabalho que encontra aplicação em quase todas as áreas do conhecimento. Os conceitos básicos sobre geoprocessamento em ambiente SIG e os três exemplos de aplicações dessa tecnologia apresentados neste capitulo induzem às conclusões abaixo. • A tecnologia dos sistemas de informação geográfica (SIG), além das funções de armazenar, organizar, consultar, processar e difundir dados espaciais, é eficaz na realização de análises complexas e como instrumento auxiliar na tomada de decisões. • Os dois modelos conceituais resultantes da Figura 4.5.37 - Histograma representativo da validação do combinação dos dados espaciais, segundo diferentes modelo mostrando a distribuição percentual dos poços secos metodologias, uma baseada no conhecimento e e produtivos em relação às classes de favorabilidade Baixa, outra nos dados, quando submetidos aos testes Média e Moderada. de validação, mostraram-se ineficazes como 317 Cap_4.5_FFI.indd 25 9/12/2008 21:33:07 Capitulo 4.5 - Geoprocessamento em Ambiente SIG aplicado à Hidrogeologia ferramentas de prognóstico do fenômeno estudado BONHAM-CARTER, G. F. Geographic information - ocorrência de água subterrânea em aqüíferos system for geoscientists: modelling with GIS. 3. fraturados na área de estudo. ed. Ottawa: Pergamon, 1998. 398 p. il. (Computer • Paradoxalmente, a conclusão anterior reforça a tese Methods in Geoscience, 13). de que os modelos do ponto de vista conceitual BORGES, K. A. V.; DAVIS JR., C. A.; LAENDER, A. H. estão corretos e retratam a realidade de um F. Modelagem conceitual de dados geográficos. In: fenômeno cuja variação espacial é, como indicam CASANOVA, M. et al. (Ed.) Banco de dados geográ- as evidências, ao acaso, ou então, relacionado a ficos. Curitiba: MundoGEO, [2005]. p. 83-136. Dispo- outros fatores não incluídos na modelagem. Por nível em: exemplo, a variação na espessura do manto de BRANDÃO, R. L. ; GOMES, F. E. M. Técnicas de geo- intemperismo, condicionada pela presença ou processamento e sensoriamento remoto aplicadas na ausência de fraturas. Esse comportamento aleatório avaliação do potencial hidrogeológico da folha Irauçu- da ocorrência de água subterrânea, não só na área ba. Revista de Geologia, Fortaleza, v. 16, n. 1, 2003. estudada, como, de resto, no domínio fraturado do semi-árido brasileiro é a regra, como mostram os BURROUGH, P. A. ; McDONNELL, R. A. Principles of muitos exemplos de poços produtivos localizados Geographical Information Systems. Oxford: Oxford nas vizinhanças de poços completamente secos. University Press. New York, 1998. 333 p. • O modelo baseado em dados reflete claramente a CÂMARA, G. Modelos, linguagens e arquiteturas influência de dois fatores: uma classe específica de para bancos de dados geográficos. 1995. 265 f. solos e os lineamentos morfoestruturais orientados Tese (Doutorado em Computação Aplicada) - Insti- segundo NNW-SSE. tuto Nacional de Pesquisas Espaciais -INPE, São • No modelo orientado pelos dados, o nível de José dos Campos, 1995. detalhe de dois fatores, freqüência e densidade de CÂMARA, G. Representação computacional de interseção de lineamentos, teoricamente influentes dados geográficos. In: CASANOVA, M. et al. (Ed.) no processo, não apresentou resolução suficiente Banco de dados geográficos. Curitiba: MundoGEO, para confirmar a relevância que lhes foi atribuída na [2005], p. 1-44. Disponível em: pelo conhecimento. CÂMARA, G. ; Davis JR., C. A. Definições de Geo- • A declividade, fator considerado importante no processamento: conceitos básicos de um SIG. Apre- modelo orientado pelo conhecimento, foi excluída sentação do livro. In: CÂMARA, G.; DAVIS JR., C. A.; do modelo baseado em dados pelo fato de que a MONTEIRO, A. M. V. (Org.). Introdução à Ciência da quase totalidade dos poços, secos e produtivos, Geoinformação. INPE, [2001]. p. 1-5. Disponível em: localizam-se em áreas planas. empregada no desenvolvimento do modelo CEARÁ. Secretaria de Agricultura e Reforma Agrá- baseado em dados, mostrou-se um método ria- SEARA. Zoneamento Agrícola do Estado do prático para descrever os relacionamentos entre Ceará. Fortaleza, 1988. a variável dicotômica dependente (presença ou ausência de água nos poços) e as possíveis COWEN, D. J. GIS versus CAD versus DBMS: what variáveis explicativas desse fenômeno. Entretanto, are the differences? In: PEQUET, D. J.; MARBLE, o especialista deve estar atento quanto ao fato D. F. (Org.). Introductory readings in geographic de que nem todo relacionamento entre a variável information systems. Bristol, PA: Taylor & Francis, dependente e as variáveis independentes implica, 1990. p. 52-61. necessariamente, causalidade. CURRY, M. C. Digital Places: living with Geograph- • Mais significativos do que os resultados obtidos com ic Information Technologies. London; New York: a modelagem são a compreensão do fenômeno Routledge, 1998. 191 p. il. estudado e dos fatores a ele relacionados. EASTMAN, J. R. Idrisi for Windows: User’s guide: ver- sion 2.0: Jan. 1997. Worcester, MA: IDRISI Production Referências / Clark University, 1997. ESRI. ArcGis 9: using ArcGis Spatial Analyst. Califor- BEZERRA, E. C; BEZERRA, J. E. G; MENDES, M. de F. S. Precipitações. In: CEARÁ. Secretaria de Planeja- nia, 2002. 1 CD-ROM. mento e Coordenação – SEPLAN. Fundação Instituto FERREIRA, Aurélio Buarque de Holanda. Novo de Planejamento do Ceará – IPLANCE. Atlas do dicionário Aurélio da língua portuguesa. 2. ed. Rio Ceará. Fortaleza, 1997. p. 22-23. de Janeiro: Nova Fronteira, 1986. 1838 p. 318 Cap_4.5_FFI.indd 26 9/12/2008 21:33:07 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações LAUDON, K. C.; LAUDON, J. P. Sistemas de Infor- mação: com Internet. 4. ed. [Trad. de Dalton Conde de Alencar e Rev. Técnica de Cristina Bacelar]. Rio de Janeiro: LTC, 1999. 389 p. il. SOUZA FILHO, O. A. de. Projeto Mapa de Previsão de Recursos Hídricos Subterrâneos, Folha SA.24- Y-D-V – Irauçuba. Fortaleza: CPRM, 2000. 50 p. il. Programa Levantamentos Geológicos Básicos do Brasil – PLGB. STEVENS, S. S. On the theory of scales of measure- ment. Science, v.103, p. 677-680, 1946. STEVENS, S. S. Mensuração, psicofísica e Utili- tários. In: RATOOSH, C. W. Churchman. Medição: definições e teorias. New York: John Wiley, (1959). Cap. 2. TOMLINSON, R. Thinking about: geographic infor- mation system planning for managers: GIS. 3 ed. California: ESRI Press, 2007. 238 p. il. ZHAN, F. Benjamin. Representing Networks. In: NCGIA Core Curriculum. Geographic Information Science - GIScience, Unit 064. Santa Barbara, CA., 1998. Disponível em: 319 Cap_4.5_FFI.indd 27 9/12/2008 21:33:07 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 modulo 5.indd 1 9/12/2008 20:20:37 modulo 5.indd 2 9/12/2008 20:20:39 modulo 5.indd 3 9/12/2008 20:20:39 modulo 5.indd 4 9/12/2008 20:20:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 5.1 NOÇÕES DE HIDROQUÍMICA Almany Costa Santos 5.1.1 Introdução • mostrar as formas de apresentação gráfica e as classificações químicas para melhor visualizar Do ponto de v ista hidrogeológico, a os dados e facilitar a interpretação dos estudos qualidade da água subterrânea é tão hidroquímicos.importante quanto o aspecto quantitativo. A disponibilidade dos recursos hídricos subterrâneos para 5.1.2 Análises de Água determinados tipos de uso depende, fundamentalmente, da qualidade físico-química, biológica e radiológica. O Primeiramente, para determinar o tipo de análise estudo hidrogeoquímico tem por finalidade identificar de água, é necessário definir o objetivo da pesquisa e quantificar as principais propriedades e constituintes ou do estudo (potabilidade, irrigação, dessedentação das águas subterrâneas, procurando estabelecer uma de animais, indústria, recreação, uso comercial, relação com o meio físico. contaminação ambiental, pesquisa científ ica, A qualidade da água é definida por sua composição prospecção geoquímica etc.), para realizar análises e pelo conhecimento dos efeitos que podem causar os adequadas, bem como definir os parâmetros e seus constituintes. O conjunto de todos os elementos os constituintes da água subterrânea, a serem que a compõem, permite estabelecer padrões de determinados. qualidade da água, classificando-a, assim, de acordo As análises de água mais freqüentemente com seus limites estudados e seus usos (consumo realizadas em estudos hidroquímicos de água humano, dessedentação animal, irrigação, industrial, subterrânea são: análises físico-químicas, análises piscicultura, aqüicultura, recreação e urbano). bacteriológicas, análises microbiológicas, análises Os processos e fatores que influem na evolução da radioativas e análises ambientais. qualidade das águas subterrâneas podem ser intrínsecos Em geral, a rotina das análises de água para os e extrínsecos ao aqüífero. A princípio, a água subterrânea diversos usos incluem a determinação dos constituintes tende a aumentar concentrações de substâncias dissolvidas maiores e menores, com exceção do estrôncio, à medida que se mover lentamente nos diferentes as propriedades físicas, cor, turbidez, odor, sabor, aqüíferos. No entanto, muitos outros fatores interferem, tais temperatura, pH, Eh, acidez, CE (condutividade como: clima, composição da água de recarga, tempo de elétrica) e, ainda, STD (sólidos totais dissolvidos), contato água/meio físico, litologias atravessadas, além da dureza, alcalinidade, DBO (demanda bioquímica contaminação causada pelo homem. de oxigênio), DQO (demanda química de oxigênio), Água subterrânea e água de boa qualidade não OD (oxigênio dissolvido), COT (carbono orgânico têm o mesmo significado e, em muitos casos, a água total), TPH (hidrocarbonetos totais de petróleo), subterrânea pode ser de baixa qualidade, inclusive BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno, xileno total), tóxica para o homem, animais e vegetais. Este capítulo VOC (carbono orgânico volátil), PCBs (bifenis tem como principais objetivos: policlorinados), fenóis, metais (prata, Ag;, bismuto, • orientar na escolha de equipamentos para coleta e Bi; berílio, Be; cobalto, Co; lítio, Li; molibdênio, Mo; no armazenamento e preservação de amostras de níquel, Ni; estanho, Sn; vanádio, V; tungstênio, W; água subterrânea, de acordo com a finalidade do zinco, Zn) e substâncias tóxicas (antimônio, At; estudo hidrogeológico; arsênio, As; bário, Ba; cádmio, Cd; cianeto, CN; chumbo, Pb; cobre, Cu; cromo, Cr; mercúrio, Hg; • dar noções gerais de Hidroquímica; nitrito, NO; selênio, Se). • fornecer padrões que dizem respeito ao uso para Os constituintes da água, mostrados na tabela 5.1.1, o consumo humano, irrigação, pecuária, indústria, são denominados de maiores, quando estão presentes recreação e piscicultura, a fim de facilitar uma rotina com teores superiores a 5 mg/L; de menores, quando os de trabalho além de fazer com que os resultados teores ficam entre 5 e 0,01 mg/L; e de traços, quando os das análises sejam comparáveis; e teores são inferiores a 0,01 mg/L. 325 Cap_5.1_FFI.indd 1 9/12/2008 21:42:47 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Os resultados das análises físico-químicas, Na tabela 5.1.2 são mostrados os fatores para geralmente são expressos em: transformação de mg/L em meq/L e mg/L em mmol/L ou vice-versa. Para converter mg/L em meq/L ou • miligrama por litro (mg/L) - relação peso-volume, isto mmol/L, multiplicar pelo fator K1 ou K2, respectivamente. é, o peso de determinado elemento ou composto Para transformar meq/L ou mmol/L em mg/L, dividir dissolvido num litro de solução; por K1 ou K2, respectivamente. Para exemplificar, será • partes por milhão (ppm) - relação peso-a-peso. mostrado como determinar a molaridade e o número de Correspondente a 1 miligrama de soluto dissolvido meq/L de uma solução que contém 150 ppm de SO -24 . em 1 quilograma da solução. Para águas com até O peso molecular do íon SO -24 = 32 + 4(16) = 96. O 10.000 mg/L de sólidos totais dissolvidos, esta peso equivalente deste íon, que é o peso molecular unidade é equivalente ao mg/L; dividido pela valência (valência 2) = 96/2 = 48. • miliequivalente por litro ou peso equivalente 150 ppm = 150mg/L (meq/L) - leva em consideração não somente M = 150/96 = 1,56 milimoles/litro (mmol/L) a concentração do soluto iônico em peso, No de meq/L = 150/48 = 3,12 miliequivalente/ mas, também, a equivalência química. O uso litro(meq/L) dessa unidade permite avaliar a precisão de uma análise, pois, numa solução, as somas dos equivalentes químicos dos cátions e dos Técnicas de Coleta ânions devem ser iguais para que a mesma A etapa de coleta de amostras de água, seu esteja equilibrada; correto acondicionamento, preservação, transporte, • molaridade (mol/L) - é a razão da quantidade envio para análise e seu controle de qualidade, de soluto em moles por volume da solução em são procedimentos de elevada importância nas litros. A molaridade é representada pela letra M interpretações e resultados finais dos estudos maiúscula. hidroquímicos. O objetivo da amostragem é coletar Const. Maiores Const. Menores Constituintes Traços (> 5 mg/L) (0,01 - 10 mg/L) ( < 0,1 mg/L) Bicarbonato Boro Alumínio, Arsênio, Antimônio Bário, Berílio, Bismuto, Cálcio Carbonato Bromo Cádmio, Césio, Chumbo, Cromo, Cobalto, Cloreto Estrôncio Cobre, Escândio, Estanho, Fosfato Gálio, Germânio, Magnésio Ferro Índio, Irídio, Iodo, Lantânio, Lítio, Mercúrio, Manganês, Molibdênio, Níquel, Nióbio, Ouro, Prata, Platina, Rádio, Sílica Fluoreto Rubídio, Rutênio, Selênio, Tálio, Titânio, Tungstênio, Sódio Nitrato Urânio Vanádio, Zinco, Zircônio Sulfato Potássio Tabela 5.1.1 - Classificação dos constituintes dissolvidos nas águas subterrâneas de acordo com sua abundância relativa (adaptado de Custodio e Llamas, 1983). Cátions K1 K2 Cátions K1 K2 Ânions K1 K2 Ca+2 0,04990 0,02495 Cu+2 0,03148 0,01574 HCO -3 0,01639 0,01639 Mg+2 0,08224 0,04112 H+ 0,09921 0,09921 CO -23 0,03333 0,01666 Na+ 0,04350 0,04350 Li+ 0,14411 0,14411 SO -24 0,02082 0,01041 K+ 0,02558 0,02558 Mn+2 0,03640 0,01820 Cl- 0,02821 0,02821 Fe+2 0,03581 0,01791 Mn+4 0,07281 0,01820 NO -3 0,01613 0,01613 Fe+3 0,05372 0,01791 NH + 0,05543 0,05543 F-4 0,05264 0,05264 Al+3 0,11119 0,03706 Rb+ 0,01170 0,01170 Br- 0,01251 0,01251 Ba+2 0,01456 0,00728 Pb+2 0,00965 0,00482 NO -2 0,02174 0,02174 Be+3 0,33228 0,11096 Sr+2 0,02283 0,01141 OH- 0,05880 0,05880 Cd+2 0,01770 0,00885 Zn+2 0,03060 0,01530 PO -34 0,03159 0,01053 Co+2 0,03394 0,01697 S-2 0,06238 0,03119 I- 0,00788 0,00788 Tabela 5.1.2 - Fatores de conversão de unidades químicas. 326 Cap_5.1_FFI.indd 2 9/12/2008 21:42:47 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações uma porção representativa, cuja análise fornecerá uma mesmos devem manter as mãos limpas ou usar luvas, imagem do universo estudado. Os procedimentos além de não fumar durante a coleta, pois fumaça e de amostragem de água, relacionados abaixo, cinzas de cigarro podem contaminar fortemente as são aplicáveis à maioria dos casos e podem ser amostras com metais pesados e fosfatos, entre outras adaptados sempre que necessário, visando auxiliar substâncias; e a estabelecer rotinas que devem ser utilizadas nessa • amostras em profundidade devem ser coletadas etapa de trabalho. Para a realização de amostragens com equipamentos específicos, tipo garrafas de de água, recomenda-se: Kemmerer, de Van Dorn, bailer e amostrador de • elaboração de um plano de amostragem, de acordo Zoebell J-Z. com a finalidade do estudo em questão, observando que quando o aqüífero é homogêneo e isotrópico, É essencial que a amostragem seja feita com técnicas uma amostra d’água tomada em qualquer ponto é e equipamentos adequados, para evitar todas as fontes representativa do mesmo; possíveis de contaminação e perdas, devendo ser orientada, preferencialmente, pelo químico responsável • el abo ração de um mapa ou c roqu i de pela obtenção dos resultados analíticos ou pelo biólogo localização dos pontos de coleta, observando responsável pelas determinações e/ou análises. que o número de amostras, a freqüência da amostragem, o número de pontos de coleta Análises Bacteriológicas e a escolha dos indicadores de qualidade dependem da finalidade do estudo; No caso de análises bacteriológicas, alguns procedimentos específicos tornam-se necessários e • definição de parâmetros analíticos (Ph, Eh, são comentados abaixo: condutividade elétrica, temperatura etc.) a serem medidos no local da coleta (in situ); • a coleta da amostra para exame bacteriológico • definição de procedimentos específicos de deve ser sempre realizada em primeiro lugar, antes preservação e acondicionamento para os parâmetros de qualquer outra coleta, a fim de evitar o risco de de interesse (tipo de frasco, preservante, volume da contaminação do local de amostragem; amostra etc.); • usar f rasco de v idro neutro (pol iet i leno, • para a coleta de amostras d’água em poços, polipropileno ou policarbonato), de capacidade deve ser realizado um bombeamento por alguns de 125 ou 250 mL, com boca larga e tampa minutos, para evitar amostras estagnadas e/ou esmerilhada (vidro) ou rosqueada (plástico); contaminadas, não representativas do aqüífero; • antes da coleta, deve-se lavar o recipiente com • para a coleta de amostras d’água em sistemas detergente, enxaguar 6 a 12 vezes com água de distribuição, deve-se deixar escoar a água corrente, secar em calor seco (se o frasco for de durante 3 a 5 minutos; vidro) e a 121°C em autoclave (se o frasco é de material plástico). Não lavar com a água a ser • verificação da limpeza dos recipientes e demais amostrada; materiais a serem utilizados na coleta, evitando que a parte interna deles seja tocada. No caso de • amostras não analisadas imediatamente podem ser análises físico-químicas, mais freqüentes, lavá- estocadas por até uma hora, sem preservação, ou oito los várias vezes com a própria água que vai ser horas, refrigerada a temperatura inferior a 10 °C (não coletada; congelar); • cada amostra coletada e devidamente identificada • amostras cloradas podem ser armazenadas por até deverá ser acompanhada de uma ficha contendo trinta horas, refrigeradas à temperatura de 4 °C; informações que a caracterize perfeitamente (data • no caso de coleta de amostras de sistemas de da coleta, condições climáticas, nome do coletor, distribuição, que não procedam de caixas ou nome do interessado e observações que possam cisternas, deve-se realizar a desinfecção em torno auxiliar tanto a análise como a interpretação do da torneira e da boca do frasco, enchê-lo até 4/5 resultado), bem como medidas efetuadas em do seu volume e fechá-lo, cobrindo-o com papel campo (pH, temperatura da amostra e do ar, vazão protetor em redor do gargalo; de bombeamento, profundidade do nível d’água • para coleta em corpos d’água, abrir o frasco (sem etc.), equipamentos utilizados (nome, tamanho e tocar no local ou encostar a tampa em qualquer capacidade), a finalidade da análise (potabilidade, superfície), segurá-lo de boca para baixo, a cerca irrigação, consumo industrial, dessedentação de 15 cm da superfície da água, virar lentamente animal e outros usos) e parâmetros a serem o frasco, para que a boca fique voltada para analisados no laboratório; baixo, enchê-lo até 4/5 do seu volume, e fechá-lo • cuidados especiais devem ser tomados com impurezas imediatamente, fixando bem o papel protetor ao contidas nas mãos dos amostradores e para isso os redor do gargalo do frasco. 327 Cap_5.1_FFI.indd 3 9/12/2008 21:42:48 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Análises Microbiológicas As técnicas de preservação e armazenamento de No caso de análises microbiológicas, pode-se fazer amostras mais comumente utilizadas para análises físico- as seguintes recomendações: químicas e bacteriológicas/microbiológicas, estão descritas sucintamente nas tabelas 5.1.3 e 5.1.4, respectivamente. • o frasco utilizado para a amostragem pode ser de vidro Além dos dados desta tabela, aconselha-se consultar neutro, de vidro borossilicato ou plástico autoclavável, as normas analíticas e os técnicos responsáveis pelas de preferência com boca larga, para facilitar a coleta e análises, para obter maiores informações a respeito dos a limpeza. Deve ser previamente esterilizado e conter seguintes aspectos: quantidade de água a ser amostrada, os agentes adequados para a preservação da amostra. que depende do método de análise; metodologia O frasco deve ter capacidade suficiente para deixar específica para sua preservação; prazo máximo para um espaço que permita uma boa homogeneização; entrega no laboratório etc. normalmente, utiliza-se frasco de 125 mL, todavia, No caso de análises radioativas, as técnicas frascos de 250 mL, 500 mL, 1.000 mL ou acima de 5 litros de preservação e armazenamento de amostras, podem ser necessários, quando se realizam análises indicadas para radioatividade alfa e beta total, razão múltiplas ou na determinação de vários parâmetros; 226Rádio/228Rádio, urânio natural e tório natural, são • coletar 100 mL para cada determinação, no caso as seguintes: da maioria dos indicadores de poluição; • utilizar frasco de polietileno de 2.000 mL (1.000 mL • para determinação de salmonela, vírus, protozoários no caso de urânio e tório natural); e outras análises microbiológicas especiais, • preservar a amostra com HNO3 concentrado até consultar o laboratório responsável pela execução pH < 2; e da análise quanto ao volume necessário e • abreviar, o mais possível, a entrega da amostra procedimentos de coleta; ao laboratório. • para as amostras contendo metais pesados, é necessário adicionar 0,3 mL de EDTA a 15%, para O plano de amostragem deve especificar a ordem cada 100 mL da amostra. Nas amostras com cloro em que as amostras devem ser coletadas e prever o residual, é necessário adicionar 0,1 mL de solução início das coletas nos pontos de menor contaminação, de tiossulfato de sódio a 1,8%, para cada 100 mL bem como branco de lavagem dos equipamentos de da amostra; e amostragem em campo. O branco é uma amostra da água deionizada (último enxágüe), passada sobre o • se a análise tem como objetivo determinar bactérias equipamento de amostragem, após limpeza, tendo redutoras do sulfato, não adicionar tiossulfato de como objetivo verificar a presença de contaminação sódio ao frasco. residual. Quando da existência de varias análises, deve-se Preservação e Armazenamento de Amostras dar preferência à coleta dos mais voláteis, de acordo com a seguinte seqüência: voláteis, compostos O tempo entre a coleta e a análise das amostras semivoláteis, pesticidas (PCBs), metais totais, metais deve ser o mínimo possível, pois efeitos causados pela solúveis, carbono orgânico total (TOC), halogênios temperatura e/ou luz podem acarretar a alteração de orgânicos totais (TOX), fenóis, cianeto, nitrato de suas características iniciais. Portanto, muitas vezes é amônia, sulfato, cloreto e radionuclídios. preferível metodologias mais simples de análise in loco Os recipientes mais utilizados para armazenamento de do que análises mais sofisticadas em laboratório. amostras de água são os frascos de vidro (borossilicatos) Para evitar, diminuir ou retardar essas modificações, faz- e plástico (polietileno), cujas características principais se necessário utilizar técnicas adequadas de preservação estão descritas na tabela 5.1.5. e armazenamento das amostras. Os principais métodos de preservação são o controle de pH, refrigeração e adição química, tendo como efeitos o retardamento Balanço Iônico e Cálculo do Erro Cometido e/ou redução da ação biológica, da hidrólise dos em Análises Químicas complexos e compostos químicos, a volatilização de constituintes e a absorção e/ou aderência ao material Em estudos hidroquímicos, é vital aval iar do recipiente armazenador. as informações das análises fornecidas pelos A preservação total não é atingida e, por isso, existe laboratórios especializados. Essa avaliação é feita um intervalo de tempo máximo, entre a coleta e a através do cálculo do erro da análise. realização da análise laboratorial, para cada parâmetro Numa anál ise h idroquímica completa, a físico-químico, biológico e radiológico, que pode variar concentração total dos íons positivos (cátions) deve desde algumas horas até meses. Os resultados das ser aproximadamente igual à concentração total dos análises laboratoriais serão tanto mais confiáveis, íons negativos (ânions). O desvio percentual desta quanto menor for o intervalo de tempo entre a coleta igualdade é determinado pelo coeficiente de erro da e a análise. análise (e%), como mostrado a seguir: 328 Cap_5.1_FFI.indd 4 9/12/2008 21:42:48 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Tipo de Volume Preservação Prazo Parâmetro Observações Frasco (mL) (Refrigeração) (dias) Cor P, V 250 1 - Odor V 1.000 4 °C MBP Encher completamente o frasco. Turbidez P, V 1 Evitar exposição à luminosidade. pH P, V, T MBP Medida no campo com potenciômetro. Nenhuma Condutividade MBP Medida no campo com condutivímetro. Acidez P, V 1 Encher o frasco sem deixar bolhas de ar. Alcalinidade P, V 1 Encher o frasco sem deixar bolhas de ar. Arsênio P 250 180 Bário T, P 180 Acidificar com HNO3 até pH ≤ 2. Encher até 2/3 do volume. 4 °C Boro P 180 Brometo P, V 1 - BTEX V âmbar 14 Acidificar com HCl até pH ≤ 2. Cádmio 180 Acidificar com HCl até pH ≤ 2. Encher até 2/3 do volume. Cálcio P - 180 Usar 0,7 mL a 65% HNO3 para 100 mL; HNO3 até pH < 2. Cianeto 500 MPB Adicionar NaOH 10N até pH > 12, frasco cheio. Cloreto P, V, T 28 Encher o frasco sem deixar bolha de ar. Cromo P 250 180 Acidificar com HNO3 até pH ≤2. Encher até 2/3 do volume.Chumbo T, P 180 DBO 2.000 4 °C 1 - DQO P, V 7 Adicionar H2SO4 até pH > 2.250 Dureza 7 - Fenóis V(escuro) 1.000 7 Adicionar H2SO4 até pH < 2, vidro marrom. Fluoreto P 250 28 - Adicionar 2 mL HCl ou HNO3 a cada 100 mL de amostra até Ferro Ferroso 300 - MBP P , V pH < 2. Iodeto 300 4 °C 1 - Magnésio P 250 - - Usar 0,7 mL a 65% HNO3 para 100 mL até pH < 2. Manganês P, T 300 - 180 Acidificado no campo HNO3 até pH < 2. 0,5 g/L de K2Cr2O7+ 50 mL/L de HNO3, para amostras de baixo Mercúrio 250 - 10 teor de mercúrio. HNO3 até pH < 2. Metais solúveis consultar normas Metais 1.000 - 180 analíticas. Nitrogênio 1.000 1 Albuminóide P , V Nitrogênio 1.000 Adicionar H2SO4 até pH < 2.1 Amoniacal 4 °C (N) Nitrato 250 1 (N) Nitrito 250 2 Concentrações < 1 ml/L analisar MBP. O2 Consumido 250 1 - Consultar normas de coleta ou técnico laboratorial O2 Dissolvido. 300 - 1/6 a 1/3 especializado. Pesticidas V 2.000 7 Frasco com tampa de vidro ou teflon. Organoclorados PCB’s 2.000 4 °C 7 Frasco com tampa larga de vidro ou teflon Acidificar com H SO TOC V âmbar 250 7 2 4 pH<2 e frasco escuro c/ tampa de teflon ou vidro, sem espaço vazio. Potássio P 250 - 180 Usar 0,7 mL a 65% HNO3 para 100 mL até pH ≤ 2. Prata P, V, T 250 10 Acidificar com HNO3 até pH < 2. Selênio P, T 250 4 °C 180 Encher até 2/3 do volume. Sílica P 250 7 Usar 1,4 mL a 65% HNO3 para 200 mL. Sódio P, T 250 -. 180 Usar 0,7 mL a 65% HNO3 para 100 mL até pH ≤ 2. Processar o mais rápido possível amostras com matéria Sulfato P , V, T 250 7 4 °C orgânica, acidificado em campo com HNO3 até pH < 2. Sulfeto V 300 1 pH 6 – 9; Amostras com matéria orgânica o MPB. P = Plástico (polietileno); V = Vidro neutro ou borossilicato; T = Resinas fluorcarbonatadas (teflon); PP = Polipropileno; MBP = Prazo o Mais Breve Possível Tabela 5.1.3 - Indicações para coleta, preservação e armazenamento de amostras de águas para análises físico-químicas (adaptado de CETESB, 1999; Appelo & Postma, 1993). 329 Cap_5.1_FFI.indd 5 9/12/2008 21:42:48 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Parâmetro Frasco Preservação Prazo Método de Análise Observações Coliformes Totais Membrana Filtrante (MF) Membrana Filtrante (MF) e Coliformes Fecais enriquecimento em meio líquido (tubos múltiplos) Para amostras de águas Escherichia Coli Presumível Vidro neutro Refrigeração cloradas, introduzir Estreptococos Fecais esterilizado a 4 ºC e 6 a 8 Membrana Filtrante (MF) previamente (antes Clostridios Sulfito-Redutores (250 a 1.000 transporte ao horas da esterilização) 17,5 (Clostridia) mL) abrigo da luz mg de tiossulfato de Incorporação - Contagem sódio/L Contagem de de colônias formadas em Microrganismos ou sobre meio de cultura a 22 ºC sólido, incubação a 22 ºC ± 1 ºC durante 72h ± 4h Tabela 5.1.4 - Técnicas de preservação e armazenamento de amostras de águas para análises bacteriológicas e microbiológicas (adaptado de CETESB, 1988). Frascos de Vidro Frascos de Plástico   (borossilicatos) (Polietileno)  r n − r p Ep(%) = ∑ ∑  .1001 (5.1.2)Inerte a todos os constituintes, Inerte a todos os constituintes,  (r∑p + r∑n)exceto a pesticidas, óleos e  2  exceto a forte alcalinidade graxas O erro teórico é o erro prático máximo permitido, Pesado Leve levando-se em consideração os valores da condutividade Muito frágil à ruptura Durável, resistente à ruptura elétrica da água (CE), conforme mostrado a seguir: Dif iculdade na remoção de De fácil limpeza componentes adsorvíveis CE (mS/cm) 50 200 500 2.000 > 2.000 Esterilizado apenas por técnicas de Erro Permitido (%) 30 10 8 4 < 4 uso pouco comum no Brasil, como Pode ser esterilizado óxido de etileno e radiação gama. O erro prático também foi definido por Logan Alguns tipos são autoclaváveis (1965), como: Tabela 5.1.5 - Comparação das características dos frascos de vidro e plástico (adaptado de CETESB, 1988).  r n − r p  Ep(%) = ∑ ∑  .100 (5.1.3) (r∑p + r∑n)  ∑ ∑  Neste caso, o erro teórico é o erro prático máximo r p − r ne% =   .100 (5.1.1) permitido, levando-se em consideração os valores  r∑p + r∑n dos ânions ou cátions, conforme mostrado no quadro abaixo: onde, r∑p é a concentração total dos cátions e r∑n é a concentração total dos ânions, em miliequivalente ∑n ou ∑p (meq/L) <1 1 2 6 10 30 > 30 por litro (meq/L). Erro Permitido(%) 15 10 6 4 3 2 1 Para um coeficiente de erro (e%) não superior a 10, a Schoeller (1962) admite que o erro do balanço análise pode ser considerada como correta. Altos valores iônico não pode ser superior a 5% para que a análise de e% podem indicar: erro analítico; erro nos cálculos; presença de íons não analisados em concentrações seja aceita como correta. apreciáveis; águas pouco mineralizadas, tais como águas de chuva. Os métodos analíticos padrões são 5.1.3 Caracterização da Qualidade menos precisos para baixas concentrações iônicas, das Águas podendo, assim, levar a valores elevados de e%, sem que isso indique necessariamente um erro de análise ou de cálculo. Características Físicas A água é o único líquido inorgânico encontrado na Cálculo dos Erros Prático e Teórico natureza, sendo também o único composto químico que O erro prático que pode ser cometido em análises ocorre no meio ambiente nos três estados físicos, sólido, químicas de água, foi definido por Custodio & Llamas líquido e gasoso. A água pura é incolor, inodora, insípida e (1983) como: transparente, entretanto como é um ótimo solvente e uma 330 Cap_5.1_FFI.indd 6 9/12/2008 21:42:48 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações substância quimicamente muito ativa, é capaz de incorporar Fórmula grandes quantidades de substâncias ao entrar em contato Sais e Gases SaborQuímica com os minerais constituintes dos solos e rochas, nos quais circula. As características físicas são de ordem estética e Cloreto de sódio ClNa Salgado elevados valores de algumas destas características podem Sulfato de Sódio SO4Na2 Ligeiramente Salgado causar certa repugnância a consumidores mais exigentes. As águas subterrâneas raramente são portadoras de Bicarbonato de CO HNa Ligeiramente Salgado a Sódio 3 Doce características estéticas perceptíveis, a não ser o sabor decorrente de sais dissolvidos em quantidade excessiva. Carbonato de Sódio CO3Na2 Amargo e Salgado Enquadram-se nas características de propriedades físicas Cloreto de Cálcio Cl Ca Fortemente Amargo os seguintes aspectos: temperatura, cor, odor, sabor, 2 turbidez, sólidos em suspensão, condutividade elétrica Sulfato de Cálcio SO4Ca Ligeiramente Amargo e salinidade. Sulfato de Magnésio SO Mg Ligeiramente Amargo 4 em Saturação Temperatura Cloreto de Cl Mg Amargo e Doce Em relação à qualidade das águas, a temperatura Magnésio 2 é importante por acelerar reações químicas e reduzir a Gás Carbônico CO livre Picante solubilidade dos gases, bem como acentuar o sabor e 2 o odor das águas naturais. A amplitude térmica anual Tabela 5.1.6 - Principais sais e gases que dão sabor à água das águas subterrâneas em geral é baixa (de 1 a 2 °C) subterrânea (adaptado de Custodio e Llamas, 1983). e independe da temperatura atmosférica, a não ser nos aqüíferos freáticos pouco profundos, onde a temperatura exerça maior influência sobre o sabor do que os sais é um pouco superior à da superfície. Em profundidade, que existem na água de maior salinidade. O odor e o depende do grau geotérmico (1 °C / 30 m em média), sabor são determinações organolépticas subjetivas podendo sofrer maiores elevações provocadas por efeitos e seletivas, e.g. águas com mais de 300 mg/L de Cl- localizados, e.g. gêiser, vulcanismo e radioatividade. (cloretos) têm sabor salgado e com mais de 400 mg/L A medida de temperatura deve ser feita no local de de SO -24 (sulfatos) têm gosto salgado e amargo. Na amostragem com um termômetro apropriado. É preciso tabela 5.1.6, estão descritos os principais sais e gases assegurar-se de que a amostra representa a temperatura que dão sabor às águas subterrâneas. da água do aqüífero e não da água do interior do poço, Para medir o odor, dilui-se a água amostrada tubulação, depósito e reservatórios. com água destilada até que nenhum odor seja perceptível. O resultado é expresso pelo número de Cor maior diluição que ainda dá um odor. A medida do A cor é o resultado das substâncias dissolvidas ou sabor é feita diluindo-se a água amostrada com água em suspensão na água, provenientes, principalmente, destilada e experimenta-se até que nenhum sabor seja da lixiviação da matéria orgânica. Água pura não possui perceptível. Expressa-se o resultado em número de coloração. A água, em geral, apresenta uma coloração maior diluição que ainda dá um sabor. Para eliminar azulada, quando pura, arroxeada quando rica em ferro, o sabor e o odor da água, a aeração ou a utilização negra quando rica em manganês e amarelada quando do carvão ativado para adsorção das impurezas rica em ácidos húmicos. A medida faz-se através da dissolvidas (gases, fenóis, clorofenóis e outros comparação com uma solução padrão de Pt-Co ou impurezas), pode ser eficaz em alguns casos. disco colorido, sendo a unidade mais utilizada, ppm de Pt-Co ou, simplesmente, ppm de Pt. Comumente, as Turbidez águas subterrâneas apresentam valores de coloração Define-se turbidez como a dificuldade da água inferiores a 5 ppm de Pt, mas, de forma anômala, para transmitir a luz, provocada pelos sólidos podem atingir até 100 ppm de Pt. Geralmente, para ser em suspensão (silte, argila, matéria orgânica, potável, uma água não deve apresentar nenhuma cor microorganismos e partículas inorgânicas). Em de considerável intensidade. geral, a turbidez é medida através do turbidímetro ou nefelômetro e os valores são dados em Odor e Sabor FTU - Formazin Turbidity Unit ou em UNT - Unidade O odor e o sabor estão intimamente relacionados e, Nefelométrica de Turbidez, sendo esta última mais freqüentemente, o que se chama de gosto é realmente utilizada no Brasil. percebido como odor. O sabor depende do teor e do tipo de sais dissolvidos, além de outras substâncias em Sólidos em Suspensão solução ou suspensão. Existem casos em que a água Correspondem à carga sólida em suspensão (silte, com valor elevado de STD (sólidos totais dissolvidos), argila, matéria orgânica, microorganismo e partículas tem melhor sabor que uma água com baixo teor de inorgânicas) depois de seca e pesada, sendo medidos STD, porque esta última pode conter um sal que em termos de mg/L. Os sólidos em suspensão podem 331 Cap_5.1_FFI.indd 7 9/12/2008 21:42:49 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica ser separados por um simples processo de filtração. Características Químicas Segundo Logan (1965), o termo sólidos filtráveis seria mais apropriado, em vista de não ser separado o pH material coloidal durante a filtragem da água. As águas O Ph é a medida da concentração hidrogeniônica subterrâneas, na sua maioria, praticamente não têm da água ou solução, sendo controlado pelas reações sólidos em suspensão, excetuando-se as águas que químicas e pelo equilíbrio entre os íons presentes. O pH é circulam em aqüíferos cárstico-fissurais ou em poços mal essencialmente uma função do gás carbônico dissolvido desenvolvidos com produção de argila, silte e areias. e da alcalinidade da água. Varia de 1 a 14, sendo neutro com o valor 7, ácido com valores inferiores a 7 e alcalino Condutividade Elétrica (CE) ou básico com valores superiores a 7. A escala dos Condutividade Elétrica é a medida da facilidade valores do pH é tal que a mudança de uma unidade de uma água conduzir a corrente elétrica e está significa um aumento de 10 vezes na concentração do diretamente ligada com o teor de sais dissolvidos sob íon hidrogênio. A molécula de água (H2O) tem uma leve a forma de íons. A unidade de medida da condutância tendência de romper-se em dois íons, do mesmo modo é o Mho, inverso do Ohm, unidade de resistência que alguns sais dissolvidos na água (NaCl, Ca(HCO3)2, elétrica. Os valores da condutividade para as águas CaSO4). Tendo a água a estrutura H.OH, quando se subterrâneas são referidos ao milionésimo do Mho/cm, ioniza divide-se em cátions H+ e ânions OH-, este último ou seja, microMho/cm (mMho/cm a uma temperatura chamado de íon hidroxila ou oxidrila. A maioria das padrão de 25 °C). A condutividade aumenta com a águas subterrâneas tem pH entre 5,5 e 8,5. Em casos elevação da temperatura, por isso é necessário anotar a excepcionais, pode variar entre 3 e 11. Mede-se o pH temperatura de referência da água amostrada. Mede-se no local da coleta da amostra com o pHmetro portátil com o condutivímetro portátil no local de amostragem, (precisão 0,1 a 0,2) ou colorimetricamente (precisão em geral, com um erro menor que 5%. Nos modernos 0,5 que é, muitas vezes, insuficiente para a pesquisa). condutivímetros, os valores da CE já estão corrigidos Os valores de pH determinados em laboratórios estão de acordo com a temperatura. Se não houver correção sempre alterados, em geral mais altos que a realidade, automática, deverão ser corrigidos de acordo com a em função de fugas de gases, oxidações e/ou reduções tabela 5.1.7, usada internacionalmente. e variações de temperaturas, a que estão sujeitas às amostras de água durante a sua coleta, armazenamento Salinidade e transporte. A salinidade representa a quantidade total das espécies dissolvidas num determinado volume de Eh (potencial de oxi-redução) água que podem ser precipitadas como sais (sólidos). O Eh determina a característica do ambiente, se Geralmente é expressa em gramas e medida através da redutor ou oxidante, controlando inúmeros processos condutividade elétrica, densidade, velocidade sonora químicos que ocorrem na natureza, conforme descrito ou índice de refração. com detalhes no capítulo 5.2. °C f °C f °C f °C f °C f °C f 3,0 1,709 18,6 1,147 22,2 1,060 25,8 0,983 29,4 0,918 33,0 0,858 4,0 1,660 18,8 1,142 22,4 1,055 26,0 0,979 29,6 0,914 34,0 0,843 5,0 1,613 19,0 1,136 22,6 1,051 26,2 0,975 29,8 0,911 35,0 0,829 6,0 1,569 19,2 1,131 22,8 1,047 26,4 0,971 30,0 0,907 36,0 0,815 7,0 1,528 19,4 1,127 23,0 1,043 26,6 0,967 30,2 0,904 37,0 0,801 8,0 1,488 19,6 1,122 23,2 1,038 26,8 0,964 30,4 0,901 38,0 0,788 9,0 1,448 19,8 1,117 23,4 1,034 27,0 0,960 30,6 0,897 39,0 0,775 10,0 1,411 20,0 1,112 23,6 1,029 27,2 0,956 30,8 0,894 40,0 0,763 11,0 1,375 20,2 1,107 23,8 1,025 27,4 0,953 31,0 0,890 41,0 0,750 12,0 1,341 20,4 1,102 24,0 1,020 27,6 0,950 31,2 0,887 42,0 0,739 13,0 1,309 20,6 1,097 24,2 1,016 27,8 0,947 31,4 0,884 43,0 0,727 14,0 1,277 20,8 1,092 24,4 1,012 28,0 0,943 31,6 0,880 44,0 0,716 15,0 1,247 21,0 1,087 24,6 1,008 28,2 0,940 31,8 0,877 45,0 0,705 16,0 1,218 21,2 1,082 24,8 1,004 28,4 0,936 32,0 0,873 46,0 0,694 17,0 1,189 21,4 1,078 25,0 1,000 28,6 0,932 32,2 0,870 47,0 0,683 18,0 1,163 21,6 1,073 25,2 0,996 28,8 0,929 32,4 0,867 18,2 1,157 21,8 1,068 25,4 0,992 29,0 0,925 32,6 0,864 18,4 1,152 22,0 1,064 25,6 0,988 29,2 0,921 32,8 0,861 Tabela 5.1.7 - Fatores de temperatura para a correção de medições da condutividade elétrica (adaptado de Logan, 1965). 332 Cap_5.1_FFI.indd 8 9/12/2008 21:42:49 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Resíduo Seco (RS) Ph Alcalinidade Resíduo Seco é o peso dos sais resultantes da 11 a 9,4 alcalinidade de hidróxidos e carbonatos evaporação de um litro d’água, após a filtragem para 9,4 a 8,3 alcalinidade de carbonatos e bicarbonatos a remoção de materiais em suspensão. Os resultados, 8,3 a 4,6 alcalinidade de bicarbonatos comumente, são expressos em mg/L. Em uma análise 4,6 a 3,0 ácidos minerais química, a soma de todos os cátions, ânions e colóides subtraídos de metade do bicarbonato deve ser Acidez aproximadamente igual ao resíduo seco (RS): É a capacidade da água neutralizar bases. É provocada pela presença de ácidos fortes (HNO , Σ cátions + Σ ânions + Σ colóides - ½ HCO -3 ≅ RS (5.1.4) 3 H2SO4, HCl), ácidos fracos (ácido carbônico e acético) e sais hidrolisáveis (sulfatos de ferro e alumínio). A Sólidos Totais Dissolvidos (STD) maioria das águas naturais é constituída por dióxido de Sólidos Totais Dissolvidos é o peso total dos carbono (CO2) e bicarbonatos (HCO - 3 ) que neutralizam constituintes minerais presentes na água, por unidade o ácido carbônico totalmente, quando o pH é maior de volume. Representa a concentração de todo ou igual a 8,2. Assim sendo, a acidez devida ao CO2 o material dissolvido na água, seja ou não volátil. está na faixa de pH 4,5 a 8,2, enquanto que a acidez Comumente, o valor dos sólidos totais dissolvidos causada por ácidos fortes, freqüentemente em função é superior ao valor do resíduo seco, em função do da contaminação da água, apresenta pH menor HCO - (bicarbonato), que em altas temperaturas que 4,5. A acidez é um parâmetro químico pouco 3 (>100 °C ) se decompõe como CO -2 e CO que analisado em águas subterrâneas, porém, em alguns 3 2 se volatiliza e evapora da amostra. A medida dos casos de acidez elevada é necessária a adição de um sólidos totais dissolvidos é aproximadamente igual alcalinizante para manter a estabilidade do carbonato ao resíduo seco mais ½ de HCO - em mg/L (STD ≅ de cálcio, para evitar problemas de corrosão do 3 RS + ½ HCO -). Na maioria das águas subterrâneas equipamento de bombeamento do poço, devido à 3 naturais, a condutividade elétrica da água multiplicada presença de gás carbônico. A acidez da água é medida por um fator, que varia entre 0,55 e 0,75, gera uma boa neutralizando-se o CO2 livre com um hidróxido, usando estimativa dos sólidos totais dissolvidos na água. Para a fenolftaleína como indicador, sendo expressa em as águas salinas, o fator é comumente maior que 0,75, termos de CaCO3. porém, para as águas ácidas pode ser menor que 0,55. O valor de STD nas águas doces varia de 50 a 1.500 Dureza mg/L e nos mares, em torno de 35.000 mg/L, podendo A dureza é definida como o poder de consumo de atingir 300.000 mg/L em salmouras. sabão por determinada água ou a capacidade da água neutralizar o sabão pelo efeito do cálcio, magnésio ou Alcalinidade outros elementos como Fe, Mn, Cu, Ba etc. Em geral, A alcalinidade é definida como a capacidade usa-se o teor de cálcio e magnésio de uma água, de uma água neutral izar ácidos, sendo uma expresso em teores de carbonato de cálcio, para definir conseqüência direta da presença e/ou ausência a dureza. A dureza pode ser expressa como dureza de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos. A temporária, dureza permanente e dureza total. A dureza alcalinidade pode ser determinada através de temporária ou dureza de carbonatos é causada pelos titulação alcalimétrica - TA (OH- + CO -2) ou titulação íons de cálcio e de magnésio que se combinam com o 3 alcalimétrica completa – TAC (OH- + CO -2 + HCO -). bicarbonato e o carbonato, podendo ser eliminada com 3 3 As alcalinidades TA e TAC são expressas em grau a ebulição da água. A dureza permanente ou dureza francês (°F) ou em CaCO (mg/L), que apresentam de não carbonatos (cloretos e sulfatos) é a dureza que 3 a seguinte relação: 1 °F = 10 mg/L CaCO . A persiste após a fervura (ebulição) da água. É produzida 3 alcalinidade é medida por sucessivas titulações com pelos íons de cálcio e de magnésio que se combinam ácido sulfúrico ou clorídrico, usando como indicador com os íons de sulfato, cloreto, nitrato e outros. A principal, a fenolftaleína, e indicador secundário, o dureza total é a soma da dureza temporária com a metilorange. Estas titulações podem ser expressas dureza permanente. É simples separar a dureza de como alcalinidade total (soma dos íons de carbonato, carbonatos e a de não carbonatos, se a alcalinidade e bicarbonato e hidróxido) ou como alcalinidade parcial a dureza tiverem sido determinadas, pois a alcalinidade originada pelos constituintes individuais. Somente mede a dureza de carbonatos. A porção da dureza dois tipos de alcalinidade podem estar presentes que excede a alcalinidade é a de não carbonatos. As simultaneamente em uma amostra de água, posto durezas são expressas em mg/L de CaCO3, mesmo que haveria uma reação em hidróxidos e bicarbonatos, que seja devido ao sulfato de magnésio. Se uma água reduzindo estes à forma de carbonatos (OH- + HCO Þ tem uma dureza de 210 mg/L de CaCO3, equivale 3 H O + CO -2). Em função do pH, podem estar presentes a dizer que esta água tem uma dureza equivalente 2 3 na água os seguintes tipos de alcalinidade: àquela de uma solução que contenha 210 mg/L de 333 Cap_5.1_FFI.indd 9 9/12/2008 21:42:49 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica CaCO3, como se toda a dureza fosse causada apenas fixo, de 5 dias. É uma medida que procura retratar pela presença de carbonato de cálcio. Os valores de em laboratório o fenômeno que acontece no corpo dureza são expressos em graus, conforme mostrado d´água. Assim sendo, é medido o oxigênio dissolvido a seguir: da amostra d’água na coleta e após 5 dias, período em que a amostra fica em uma incubadora a uma 1° francês (oF) = 10,00 mg/L de CaCO3 temperatura de 20 oC. A diferença de concentração 1° americano = 17,16 mg/L de CaCO3 de oxigênio representa a demanda bioquímica de 1° russo = 2,50 mg/L de CaCO3 oxigênio (oxigênio consumido para oxidar a matéria 1° alemão = 17,86 mg/L de CaCO3 orgânica via respiração dos microrganismos). Quando As águas duras são incrustantes e produze m a água subterrânea possui muita matéria orgânica grande consumo de sabão, além de dificultar o e microrganismos, é necessário diluir a amostra e cozimento dos alimentos. No Brasil, há algum tempo, introduzir nutrientes. Nas águas subterrâneas, em geral, a unidade mais utilizada para medir a dureza era a DBO é inferior a 5 mg/L de O2. Valores mais elevados o grau francês. Atualmente, os valores de dureza indicam contaminação. são expressos em miligrama por litro (mg/L) ou Demanda Química de Oxigênio (DQO) - é miliequivalente por litro (meq/L) da concentração a medida da capacidade de uma água consumir em CaCO3. As tabelas 5.1.8 e 5.1.9 mostram as oxigênio durante processos químicos. É indicada classificações da água quanto à dureza, com base para medir o teor de matéria orgânica oxidável em duas referências distintas (Logan, 1965; Custodio e de substâncias capazes de consumir oxigênio & Llamas, 1983). (Fe+2, Mg+2, NH +4 ). A DQO estima a concentração da matéria orgânica baseada na concentração de Demanda de Oxigênio oxigênio consumido para oxidar a matéria orgânica, A maioria dos compostos orgânicos são instáveis biodegradável ou não, em meio ácido e condições e podem ser biológica e quimicamente oxidados, energéticas dadas por ação de um agente químico resultando compostos finais mais estáveis (como o oxidante forte. Algumas espécies inorgânicas, tais CO , NO e H ). A matéria orgânica tem necessidades como nitritos, compostos reduzidos de enxofre e 2 3 2 de oxigênio, denominadas de Demanda Bioquímica substâncias orgânicas (hidrocarbonetos aromáticos, de Oxigênio (DBO) e Demanda Química de Oxigênio compostos alifáticos de cadeia aberta e piridinas), (DQO), descritas a seguir. não são oxidadas. A principal vantagem da DQO é a rapidez do ensaio (2 a 3 horas), em relação à DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) - é a que leva 5 dias. Nas águas subterrâneas, os valores medida da quantidade de oxigênio necessária para situam-se comumente na faixa de 1 a 5 mg/L de O . consumir a matéria orgânica contida na água, mediante 2Os valores acima de 10 mg/L de O podem ser um processos biológicos aeróbicos. É uma medida muito 2claro indício de contaminação. A demanda química de importante de contaminação da água e deve referir-se oxigênio pode ser medida através de vários oxidantes, a um certo tempo (24 horas, 5 dias etc.). O tempo de sendo o mais comum o dicromato, cuja reação está referência mais usual é 5 dias (DBO5). A DBO5 é um abaixo indicada: teste padrão, realizado a uma temperatura constante de 20oC e durante um período de incubação, também Cr O 2-2 7 (aq) + 14H+ -(aq) + 6e ⇔ 2Cr3+(aq) + 7H2O (Eo (5.1.5) = + 1,33 V) Classificação Teor de CaCO3 (mg/L) Carbono Orgânico Total (COT) Mole 0 - 100 É a medida do carbono dissolvido, não específico, Intermediária 100 - 200 atribuído às substâncias orgânicas presentes. O COT Dura > 200 é um teste instrumental que mede todo o carbono Tabela 5.1.8 - Classificação das águas segundo a dureza liberado na forma de CO2. em mg/L de CaCO3 (adaptado de Logan, 1965). Íons Principais das Águas Subterrâneas Classificação Teor de CaCO3 (mg/L) Nas águas subterrâneas, a grande maioria das Branda < 50 substâncias dissolvidas encontra-se no estado iônico Pouco Dura 50 - 100 (cátions e ânions). Alguns destes constituintes iônicos, os principais, estão presentes em quase todas as Dura 100 - 200 águas subterrâneas e a sua soma representa a quase Muito Dura > 200 totalidade dos íons presentes. Uma breve descrição Tabela 5.1.9 - Classificação das águas segundo a dureza em das principais características desses íons é feita a mg/L de CaCO (adaptado de Custodio & Llamas,1983). seguir, baseada em Custodio & Llamas (1983).3 334 Cap_5.1_FFI.indd 10 9/12/2008 21:42:49 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Sódio (Na+) - o sódio é um dos metais alcalinos mais presença de sais de Na+ e K+. O cálcio é o elemento importantes e abundantes nas águas subterrâneas. mais abundante existente na maioria das águas Essa abundância está relacionada com as seguintes naturais e rochas, ocorre principalmente nos minerais características: ampla distribuição nos minerais fontes; de calcita, aragonita e dolomita, em rochas calcárias, baixa estabilidade química dos minerais que o contêm; sendo o plagioclásio e a apatita as maiores fontes de solubilidade elevada e difícil precipitação da maioria cálcio nas rochas ígneas. Nas águas meteóricas, os dos seus compostos químicos em solução. O sódio teores de cálcio variam no intervalo 0,1 a 10 mg/L e reage fortemente com a água, produzindo o hidróxido nas águas dos oceanos os valores oscilam em torno (NaOH), e com a amônia, produzindo o amideto de de 480 mg/L. Nas águas subterrâneas, os teores de sódio (2Na + 2NH 2NaNH + H ). As águas naturais cálcio variam, em geral, entre 10 e 100 mg/L.3 2 2 com elevados teores de Na+, geralmente possuem Magnésio (Mg+2) - o magnésio apresenta elevadas concentrações de F-. Nas águas subterrâneas propriedades similares ao cálcio, porém, é mais solúvel o sódio ocorre, principalmente, sob a forma de cloretos, e mais difícil de precipitar, ocorrendo, em geral, sob tendo como minerais fonte os feldspatos plagioclásios, a forma de bicarbonato. Quando em solução, tem a feldspatóides (nefelina e sodalita), anfibólios e tendência de nela permanecer, daí o enriquecimento dos piroxênios. O sódio é o principal responsável pelo seus sais nas águas dos oceanos. O magnésio ocorre, aumento constante da salinidade das águas naturais principalmente, em rochas carbonatadas e tem como do ponto de vista catiônico. Há, em geral, um aumento minerais fontes mais freqüentes a magnesita, a biotita, gradativo dos teores de sódio nas águas subterrâneas, a granada, a hornblenda, a clorita, a alanita e a olivina. a partir da zona de recarga, em direção às suas Juntamente com o cálcio, é o responsável pela dureza porções mais confinadas ou dos seus exutórios. A e produz gosto salobro às águas. As águas meteóricas concentração do sódio varia, em geral, entre 0,1 e 100 apresentam teores de magnésio entre 0,4 e 1,6 mg/L mg/L nas águas subterrâneas e entre 1 e 150 mg/L em enquanto que as águas subterrâneas apresentam teores águas naturais doces, atingindo, em média, 11.100 mais freqüentes no intervalo de 1 a 40 mg/L. mg/L nas águas dos oceanos, e podendo chegar a 100.000 mg/L nas salmouras naturais. As águas com Ferro (Fe) - o ferro ocorre geralmente associado concentrações elevadas de sódio são prejudiciais às ao manganês e confere à água um sabor amargo plantas por reduzir a permeabilidade do solo, sendo adstringente e coloração amarelada e turva, decorrente de sua precipitação quando oxidado. O ferro pode estar especialmente nocivas quando as concentrações de presente com baixos teores (< 0,3 mg/L) em quase todas Ca e Mg são baixas. as águas, ocorrendo sob diversas formas químicas. Potássio (K+) - apesar do potássio e do sódio Entretanto, a sua forma principal de ocorrência é Fe+3 pertencerem ao mesmo grupo dos metais alcalinos, (hidróxido férrico), podendo também ocorrer como Fe+2 seus comportamentos nos processos de solubilização (hidróxido ferroso). O ferro no estado ferroso é instável são diferentes. O potássio é o sexto colocado na na presença do oxigênio do ar, mudando para o estado escala de abundância dos metais nas rochas ígneas. férrico. Os minerais ferromagnesianos, componentes Entretanto, ocorre em pequenas quantidades ou dos diversos litotipos ou de solos lateríticos, tais como está ausente nas águas subterrâneas, devido à sua piroxênios, olivinas e biotita, são os principais minerais participação intensa em processos de troca iônica, portadores de ferro. Nos arenitos e nos folhelhos, além da facilidade de ser adsorvido pelos minerais de os óxidos, os carbonatos e os hidróxidos de ferro argila e, ainda, de seus sais serem bastante utilizados constituem, muitas vezes, o material de cimentação. Alto pelos vegetais. Ocorre, principalmente, nos feldspatos teor de ferro na água subterrânea pode estar ligado à potássicos, micas e leucitas, em rochas ígneas e ocorrência de ferrobactérias ou mesmo à corrosão do metamórficas. Altas concentrações de potássio podem revestimento ou filtro do poço. ser encontradas nos minerais de carnalita e silvinita, Estrôncio (Sr2+) - o estrôncio é encontrado em evaporitos. Nas águas meteóricas, os teores de na natureza sob a forma de carbonatos e sulfatos potássio estão, geralmente, no intervalo de 0,1 a 4 estroncianita (SrCO3) e Celestina (SrSO4). Possui um mg/L, enquanto as águas dos oceanos apresentam, comportamento similar ao cálcio, porém seus sais são em média, 400 mg/L. Os teores de potássio nas águas menos solúveis. Nas águas naturais, as concentrações subterrâneas são inferiores a 10 mg/L, sendo mais de estrôncio variam no intervalo 0,01 a 1,0 mg/L e nas freqüentes valores entre 1 e 5 mg/L. águas dos oceanos, os valores oscilam em torno de 13 Cálcio (Ca+2) - os sais de cálcio possuem de mg/L, podendo atingir 1000 mg/L em salmouras. moderada a elevada solubilidade, sendo muito comum Bicarbonato (HCO -3 ) - este íon não sofre oxidação precipitar como carbonato de cálcio (CaCO3). É um dos nem redução em águas naturais, porém, pode principais constituintes da água e o principal responsável precipitar com muita facilidade como bicarbonato de pela dureza, apresentando-se, em geral, sob a forma de cálcio (CaCO3). Varia entre 50 e 350 mg/L em águas bicarbonato e raramente como carbonato. A solubilidade doces, podendo chegar a 800 mg/L. A água do mar do bicarbonato de cálcio (CaCO3) aumenta em possui teores da ordem de 100 mg/L. 335 Cap_5.1_FFI.indd 11 9/12/2008 21:42:49 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Carbonato (CO -23 ) - a quantidade relativa de de nitrato no intervalo de 0,1 a 10 mg/L, porém, em íons de carbonato é função do pH e do conteúdo águas poluídas, os teores podem chegar a 1.000 mg/L. de gás carbônico. O óxido de cálcio, reagindo com A água do mar possui em torno de 1 mg/L. água, produz o hidróxido de cálcio (CaO + H2O ⇒ CaOH ), que, por sua vez, pode reagir com CO Silício (Si) - o silício, embora seja o elemento mais 2 2 produzindo o carbonato (CaOH + CO ⇒ CaCO + largamente encontrado nas rochas, não ocorre em 2 2 3 H O). Segundo Logan (1965), o carbonato somente quantidades significativas nas águas subterrâneas. 2 excederá o bicarbonato quando o pH for igual ou Aparece, freqüentemente, sob a forma de partículas superior a 10. Em águas naturais doces, a quantidade coloidais (SiO4H4), devido, principalmente, à sua alta de carbonato será muito baixa em comparação com estabilidade química na maioria dos minerais, além da a de bicarbonato. baixa solubilidade dos compostos que forma a partir do intemperismo das rochas. A combinação do oxigênio Cloreto (Cl-) - o cloreto, em geral, é muito solúvel, com o silício forma o óxido chamado de sílica (SiO2). altamente deliqüescente (isto é, possui uma forte O silício ocorre nas águas naturais, freqüentemente, tendência a absorver água e a se liquefazer) e muito no estado coloidal e em solução. Uma pequena estável em solução, logo, dificilmente precipita. Não parte ocorre no estado iônico sob a forma de SiO -4H3 . oxida e nem se reduz em águas naturais. A alta Concentrações maiores de silício iônico, ocorrem em solubilidade e o lento movimento das águas no aqüífero águas naturais fortemente básicas, muito raras na vão provocando aumentos gradativos e constantes dos natureza. O intemperismo de minerais de argila e os teores de cloretos nas águas subterrâneas na direção feldspatos constituem as principais fontes de sílica para do fluxo. Apesar das rochas ígneas serem pobres as águas subterrâneas. Uma outra importante fonte de em cloretos, estes são provenientes da lixiviação de liberação do silício é o quartzo (SiO ), que é um dos minerais ferromagnesianos tanto nestas rochas como, 2mais resistentes minerais ao ataque físico-químico. principalmente, em rochas evaporíticas, tal como o sal- Teores de 20 mg/L nas águas subterrâneas não são gema. Os cloretos estão presentes em todas as águas raros. Nos oceanos, os teores de sílica (SiO ) variam naturais, com valores situados entre 10 e 250 mg/L 2entre 1 e 30 mg/L. Nas águas bicarbonatadas sódicas, nas águas doces. As águas subterrâneas apresentam, os teores de sílica podem chegar a 100 mg/L. geralmente, teores de cloretos inferiores a 100 mg/L. Já nas águas dos mares, eles são abundantes, com Sulfato (SO -24 ) - são sais altamente deliqüescentes valores entre 18.000 e 21.000 mg/L, podendo chegar e moderadamente solúveis a muito solúveis, exceto os a 220.000 mg/L nas salmouras naturais (saturação). O sulfatos de estrôncio (SrSO4) e os de bário (BaSO4). Em cloreto é um bom indicador de poluição para aterros água doce, o sulfato de cálcio (CaSO4) satura a 1.500 sanitários e lixões. mg/L e pode chegar até 7.200 mg/L em águas salinas. Em meio redutor, com abundante matéria orgânica, Nitrato (NO -3 ) – o nitrato é muito solúvel e pode sofrer uma redução bacteriana a S ou S-2, porém, dificilmente precipita. Em meios redutores, tem a em geral é estável. Origina-se da oxidação do enxofre tendência de ser estável, podendo passar a N2 ou presente nas rochas e da lixiviação de compostos NH + 4 e muito raramente para NO - 3 , em meio oxidante. sulfatados (gipsita e anidrita). As águas subterrâneas É muito móvel e altamente deliqüescente, podendo apresentam geralmente teores de sulfatos inferiores a ser removido das camadas superiores do solo para 100 mg/L, principalmente na forma de SO -24 e HSO - 4 . a água (Bower, 1978). O nitrato ocorre em geral em Segundo Hem (1985), este último predomina nas águas pequenas concentrações, representando o estágio muito ácidas (pH < 2), devido à dissociação incompleta final da oxidação da matéria orgânica. Teores acima do ácido sulfúrico. A água do Oceano Atlântico de 5 mg/L podem ser indicativos de contaminação apresenta, em média 2.810 mg/L de sulfatos. da água subterrânea por atividades antrópicas, tais como esgotos, fossas sépticas, depósitos de lixo, Íons Secundários e Traços cemitérios, adubos nitrogenados, resíduos de animais etc. Os resíduos de produtos protéicos provenientes A análise dos constituintes secundários deve ser de esgotos, fezes etc., são ricos em nitrogênio e se solicitada quando há indícios de sua presença na decompõem em nitratos na presença de oxigênio, água por alguma circunstância especial, como o meio de acordo com o ciclo do nitrogênio (nitrogênio geológico, proximidade de qualquer atividade industrial, orgânico, amônia, nitrito e nitrato). A oxidação do comercial e/ou presença de focos de contaminações amoníaco (NH ) para nitrito (NO -) ocorre com a potenciais (lixões, aterro sanitário, depósitos de rejeitos 3 2 participação de bactérias especializadas do grupo de mineração, lagoas de contenção de rejeito industrial nitrosomonas. A oxidação do nitrito para nitrato (NO -) etc.). Os constituintes iônicos e traços são inúmeros 3 requer a participação de bactérias autótrofas do grupo e se apresentam, geralmente, em concentrações nitrobactérias. A presença de nitrito (NO -) na água inferiores a 1% em relação aos constituintes principais 2 subterrânea é um indicativo de poluição recente. As (maiores) e secundários (menores), porém, alguns são águas subterrâneas apresentam, geralmente, teores freqüentemente encontrados nas águas subterrâneas, 336 Cap_5.1_FFI.indd 12 9/12/2008 21:42:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações como, por exemplo, brometos. Embora estes constituintes metais pesados, é o mais solúvel e os seus sais são sejam raros e estejam presentes em quantidades altamente persistentes na água. A sua concentração é, dificilmente mensuráveis por meios químicos usuais, geralmente, inferior a 10 mg/L nas águas subterrâneas nem por isso deixam de ser importantes para a (Mathess, 1973). potabilidade da água. Em águas contaminadas, os constituintes secundários e os traços podem atingir Constituintes Iônicos Tóxicos e Carcinógenos concentrações compatíveis com as dos constituintes principais. Suas determinações oneram bastante o Os constituintes iônicos considerados como tóxicos custo final da análise química, porque a maioria desses e carcinógenos, como por exemplo o cádmio, arsênio, elementos é de difícil detecção, exigindo técnicas bário, entre outros, podem induzir doenças se houver e equipamentos sofisticados e caros. A seguir, são uma ingestão continuada de água com excesso destas apresentados os principais constituintes secundários substâncias. presentes em águas subterrâneas. Antimônio (Sb) - encontra-se sempre associado Boro (B+3) - encontra-se dissolvido como H BO a outros elementos, sendo praticamente constante a 3 3 parcialmente dissociado como H - presença de enxofre. Seu mineral mais importante é 2BO3 . As águas subterrâneas apresentam geralmente teores inferiores a antimonita (Sb2S3), podendo ocorrer nos estados a 0,1 mg/L, porém, às vezes, podem chegar a 10 mg/L. de oxidação +5, +3 e –3, sendo este último o menos A água do mar possui em torno de 4,6 mg/L. estável. Sua presença nas águas subterrâneas é tóxica para o homem, podendo causar danos ao músculo do Brometo (Br-) - seu comportamento químico fígado e do coração. é similar ao do íon cloreto (Cl-). Seu estudo tem Arsênio (As) - ocorre na natureza em quantidades interesse para o entendimento da origem das águas reduzidas (≅ 0,00005%). Está presente na matéria salgadas. Apresenta-se, em geral, com concentrações orgânica, em quase todos os sulfetos metálicos e inferiores a 0,01 mg/L em águas doces, e nas águas marinhas, seus teores variam em torno de 65 mg/L. encontra-se, ainda, dissolvido nas águas naturais. Nas águas doces e marinhas, a razão de rCl-/rBr- é de As fontes naturais de arsênio são, principalmente, aproximadamente 675 (r = meq/L). as jazidas de metais, onde o elemento se encontra na forma de arsenita (AsO -34 ). As principais fontes Manganês (Mn) - não ocorre livre, aparecendo antrópicas são inseticidas, herbicidas e resíduos principalmente na forma de MnO2 (pirolusita), industriais à base de arsênio. Nas águas subterrâneas, Mn2O3 (braunita), Mn2O3·H2O (manganita), Mn3O4 as concentrações de arsênio são comumente abaixo (ausmanita), MnCO3 (rodocresita) e silicato de de 0,1 mg/L, porém, em águas de poços petrolíferos manganês (rodonita). O manganês assemelha- e em águas minerais, ocorrem concentrações de até se ao ferro, tanto quimicamente como em termos 4 mg/L. Vários compostos de arsênio são poderosos de ocorrência nas águas subterrâneas. É menos agentes venenosos, decorrendo daí sua aplicação abundante que o ferro nas rochas, conseqüentemente, como inseticidas e raticidas. Muito perigoso à saúde sua presença nas águas naturais é menos comum e pública, bastando uma pequena ingestão de 100 mg, a sua concentração, em geral, é muito menor que a para envenenar seriamente o organismo humano. do ferro. Ocorre principalmente sob a forma de Mn+2 É carcinógeno, sendo o seu limite de aceitação de podendo também ocorrer como Mn+3. O manganês, 0,05 mg/L. No caso de envenenamento humano por no estado Mn+2, é instável na presença do ar, mudando arsênio, o Ca(OH) , o MgSO e o Fe(OH) são antídotos para o estado MnO 2 4 32 quando a água que o contém é convenientes, pois todos eles provocam a formação exposta ao ar, pois se oxida facilmente. O bicarbonato de compostos insolúveis de arsênio, impedindo, dessa manganoso decompõe-se da mesma forma que o forma, sua ação. bicarbonato ferroso, deixando a água sob a forma de um depósito de cor negra e de aspecto fuliginoso, Bário (Ba+2) - as principais fontes de bário são ao desprender-se o gás carbônico. O manganês e os minerais de Witherita (BaCO3) e de barita (BaSO4). seus compostos são altamente persistentes na água, Dissolve-se em água, gerando o hidróxido Ba(OH)2, de podendo levar mais de 200 dias para ser degradado. O forte ação alcalina. O fluorsilicato de bário (BaSiF6) é manganês, freqüentemente, está presente com baixos usado como inseticida. O consumo de 550 a 600 mg teores (< 0,2 mg/L) em quase todas as águas naturais, de bário pelo homem é fatal. O seu excesso causa sendo mais abundante nas águas ácidas. O manganês bloqueio nervoso e/ou aumento da pressão sangüínea está na lista de substâncias perigosas da EPA (United por vasoconstrição. States Environmental Protection Agency), podendo levar Cádmio (Cd+2) - o cádmio é um metal relativamente à morte animais, pássaros, peixes e vegetais. raro na natureza, e encontra-se principalmente nos Zinco (Zn+2) - o zinco é encontrado em diversos minerais de zinco (blenda, calamina, smithsonita e minerais, como por exemplo, Blenda, ZnS, Calamina, hidrozincita), em porcentagens que variam de 0,1 a 0,3%. Zn4Si2O7(OH)2, Smithsonita, ZnCO , Franklinita, (Zn, Mn) No Brasil não há produção desse metal. Nas águas 3 Fe O , e Hidrozincita, Zn (CO ) (OH) ).O zinco, entre os subterrâneas exibe teores inferiores a 20 mg/L. É muito 2 4 3 3 2 2 337 Cap_5.1_FFI.indd 13 9/12/2008 21:42:50 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica tóxico para a saúde do homem, tendo ação cumulativa de crescimento. Acima deste teor já é prejudicial, sobre o organismo humano. Seu excesso pode causando manchas nos dentes (fluorose dental) e provocar hipertensão arterial, anemia, retardamento deformação dos ossos. Doses excessivas levam o de crescimento e morte. homem à morte. É muito tóxico para os vegetais. Chumbo (Pb) - o chumbo, segundo Hem (1985), Mercúrio (Hg) - raramente é encontrado no estado ocorre com concentrações médias de 16 ppm em rochas elementar. O mais importante composto de mercúrio ígneas, 14 ppm em arenitos e 80 ppm em folhelhos. é o sulfeto cinábrio (HgS). O mercúrio possui baixa Segundo Mathess (1973), as águas subterrâneas condutibilidade elétrica e alta densidade (13,6 g/cm3 têm quantidades médias em torno de 20 mg/L. Este a 20 ºC). É um metal volátil, embora em pequena metal é tolerado para o consumo humano até o limite intensidade, mas seus vapores são extremamente de 0,5 mg/L. Teores acima deste podem provocar tóxicos, podendo causar cansaço, dificuldade de uma intoxicação variável, em função da quantidade concentração e perda de memória. Também seus sais acumulada no organismo e podem causar danos são venenosos, principalmente os solúveis. É o único cerebrais ou levar à morte em casos extremos. metal líquido. Os estados de oxidação que o mercúrio pode assumir são +1 e +2. Apesar da toxicidade Cobre (Cu+) - os principais minerais de cobre são dos sais de mercúrio, o cloreto mercuroso (Hg2Cl2), calcopirita (CuFeS2), calcosita (Cu2S), covelita (CuS), conhecido como calomelano, encontra aplicação na malaquita (Cu2CO3 (OH)2) e azurita (Cu3(CO3)2(OH)2). medicina como estimulante de órgãos de secreção. O cobre tem baixa solubilidade e elevada persistência na água. Ocorre nas águas subterrâneas com teores Selênio (Se) - o selênio é muito raro na natureza inferiores a 1 mg/L. Maiores concentrações ocorrem e seu comportamento químico é semelhante ao do em águas que percolam jazidas de cobre. Segundo enxofre. Está presente nas rochas da crosta terrestre, Hem (1985), nos Estados Unidos foram encontradas quase sempre sob a forma de selenetos, geralmente águas subterrâneas com teores de 312 mg/L de Cu+. acompanhando sulfetos nos minerais de Berzelianita O cobre é um elemento que geralmente ocorre em (Cu4Se), Tiemanita (HgSe) e Naumanita (Ag2Se). águas naturais em baixas concentrações, entretanto, é Nas águas subterrâneas, sua concentração varia em essencial para plantas e animais. Quase todo o cobre torno de 1 mg/L. É tóxico para homens e animais em concentrações acima de 0,01 mg/L. O seu excesso ingerido pelo homem é eliminado, no entanto, altas provoca aumento de incidência de cárie dentária, concentrações podem provocar hemocromatose. atrofia muscular irreversível e é carcinógeno. Cromo (Cr) - o cromo é um metal relativamente raro na crosta terrestre (» 0,03%). Não é encontrado no Principais Gases Dissolvidos na Água estado livre, ocorrendo geralmente associado ao ferro Os principais gases dissolvidos na água subterrânea e ao chumbo. Também substitui, freqüentemente, o são o oxigênio, o gás carbônico e o gás sulfídrico, alumínio em alguns minerais como o berilo (3BeO Al2O3 que comumente não são determinados nas análises 6SiO2) e o coríndon (Al2O3), geralmente em mínimas químicas, sendo os gases dissolvidos de maior quantidades. Entre os minerais de cromo destacam-se interesse para os estudos da água subterrânea. a cromita (FeO Cr2O3) e a crocoíta (PbCrO4). O cromo Como sua solubilidade varia no sentido inverso da possui quatro isótopos estáveis, de números de massa temperatura e aumenta proporcionalmente com a 50, 52, 53 e 54. Seus números de oxidação comuns pressão, os gases dissolvidos influem nos problemas são +2, +3 e +6. O íon crômico Cr3+ é anfótero e de corrosão de revestimentos e filtros metálicos de pode originar sais solúveis tanto na presença de ácidos poços tubulares, bem como na deposição de materiais quanto de bases. incrustantes. Fluoreto (F-) - possui solubilidade limitada e pouco Oxigênio Dissolvido (OD) - é o indicador da contribui para a alcalinidade da água, pois sofre concentração de oxigênio dissolvido na água em hidrólise rapidamente. Os fluoretos,freqüentemente mg/L. O oxigênio (O2) é um gás pouco solúvel em são encontrados em pequenas concentrações nas água, sendo sua solubilidade função da temperatura, águas subterrâneas. A principal fonte de fluoretos em da pressão e dos sais dissolvidos na água. Em rochas ígneas é a fluorita. Normalmente, ocorrem com geral, apresenta pequenas concentrações na água concentrações entre 0,1 e 1,5 mg/L nas águas naturais, subterrânea. A maior parte do oxigênio dissolvido na podendo chegar, às vezes, até 10 mg/L e, raramente, água, que infiltra no solo, é consumida na oxidação a 50 mg/L em águas muito sódicas com pouco da matéria orgânica, durante a trajetória da água cálcio. Nas águas dos oceanos, seus valores estão subterrânea na zona de aeração. O oxigênio dissolvido situados entre 0,6 a 0,7 mg/L. Em regiões áridas, os corrói o ferro, o aço e o latão. Se há um aumento na fluoretos podem aparecer com quantidades elevadas. temperatura, o ataque corrosivo tende a se acelerar A presença do cálcio limita a concentração do flúor. O e a quantidade de oxigênio dissolvido a diminuir. A flúor, em baixos teores, até 1,5 mg/L é benéfico à saúde, maioria das águas subterrâneas tem concentrações na prevenção de cáries dentárias de crianças em fase de O2 entre 0 e 5 mg/L. 338 Cap_5.1_FFI.indd 14 9/12/2008 21:42:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Gás Carbônico (CO2) - é um gás relativamente de nitrificação, no qual dois gêneros de bactérias solúvel e que sofre hidrólise produzindo ácido carbônico participam: nitrosomonas, que oxidam o amônio a parcialmente dissociado. A sua presença deve-se, nitrito, e nitrobacter, que oxidam o nitrito a nitrato. principalmente, à decomposição da matéria orgânica contida no subsolo. Freqüentemente, sua concentração Compostos Orgânicos Sintéticos varia no intervalo de 1 a 30 mg/L, nas águas naturais. Os compostos orgânicos voláteis são persistentes Possui um papel muito importante na determinação das nas águas subterrâneas e os semivoláteis têm pressão concentrações de alguns constituintes da água, como de vapor menor que os voláteis de baixa solubilidade. cálcio, carbonatos e bicarbonatos. A presença de gás Os principais compostos orgânicos sintéticos tóxicos carbônico na água subterrânea é significativa quando são descritos a seguir. ocorre cálcio e bicarbonato em solução. As águas com excesso de CO2 são agressivas e as que perdem CO Hidrocarbonetos Alifáticos ou Aromáticos – são 2 podem converter-se em incrustantes. representados por benzeno, tolueno, etilbenzeno, xilenos etc. Devido ao uso intenso e diversificado Gás Sulfídrico (H2S) - a água subterrânea que nos diversos setores da economia, existem riscos de contém gás sulfídrico é reconhecida pelo seu cheiro contaminação das águas subterrâneas decorrentes de ovo podre. É suficiente apenas um teor de 0,5 mg/L de liberações destes produtos. Os efeitos à saúde deste gás na água fria para o odor ser percebido. O humana causados pela exposição aos derivados dos gás sulfídrico presente na água forma um ácido fraco, hidrocarbonetos do petróleo, seja através da inalação, tornando-a corrosiva. ingestão ou contato com a pele, são, geralmente, nocivos e graves, sendo vários destes compostos Principais Nutrientes indicados como potenciais agentes carcinogênicos e Fósforo (P) - a importância do fósforo decorre denominados como Substâncias Tóxicas Perigosas. do papel que desempenha no metabolismo biológico Quando presentes nas águas, as tornam impróprias (armazenamento de energia e estruturação celular). para consumo humano. Ocorre em águas naturais sob a forma de fosfatos, Pesticidas - são considerados nesta categoria sendo agrupados como fosfato orgânico dissolvido inseticidas, herbicidas, fungicidas, nematocidas, (ortofosfatos), fosfato particulado, fosfato total acaricidas, algicidas e rodenticidas. São substâncias dissolvido e fosfato total. A principal forma de fosfato orgânicas sintéticas, extremamente tóxicas, persistentes assimilada pelos vegetais é o ortofosfato. O fósforo é e de difícil biodegradabilidade (recalcitrantes). São muito difundido na crosta terrestre (cerca de 12% de usadas para combater insetos e ervas daninhas sua composição), sendo encontrado em mais de 250 indesejáveis na agricultura. Nas águas subterrâneas, minerais. O mineral de fósforo mais importante é a só devem ser analisados em águas provenientes de apatita. Segundo Mathess & Harvey (1982), devido à zonas de agricultura intensiva. ação dos microrganismos, a concentração de fosfato, geralmente é baixa (0,01 a 1,0 mL/L) em águas naturais. Fenóis - são substâncias bastante tóxicas, que são Valores acima de 1,0 mg/L, geralmente são indicativos rapidamente degradadas no subsolo. Os compostos de águas poluídas. O fósforo por via antropogênica fenólicos mais freqüentemente encontrados nas pode ser acrescido às águas subterrâneas por águas subterrâneas são os hidróxidos derivados do derivados de fertilizantes, detergentes, efluentes benzeno. Estes são agentes poluentes provenientes de domésticos, inseticidas e pesticidas. A presença de rejeitos de águas industriais, oxidação de pesticidas, Ca+2 limita a concentração do fosfato e a ocorrência degradação microbiana de herbicidas etc. do CO2 dissolvido a favorece. O fosfato apresenta uma nítida tendência para formar compostos com vários Características Microbiológicas íons e coligações fortes com os minerais de argila. Entre as impurezas das águas naturais, incluem-se os Nitrogênio (N) - o nitrogênio é um elemento microorganismos, como as bactérias, vírus, e protozoários, fundamental à vida dos microorganismos, uma vez que podendo causar doenças ao homem. A qualidade integra a molécula de proteína e, conseqüentemente, bacteriológica de uma água para avaliar a contaminação do protoplasma. O nitrogênio gasoso constitui cerca por dejetos humanos e de outros animais de sangue de 78% do ar atmosférico e forma vários sais solúveis quente é feita através de bactérias do grupo coliformes, presentes no solo, que são utilizados pelos vegetais. principalmente os coliformes totais e Escherichia coli Ocorre em várias formas e estados de oxidação, ou coliformes termotolerantes. A Escherichia coli é um resultantes de diversos processos bioquímicos como coliforme de origem exclusivamente fecal. É uma bactéria amônia (livre N-NH e ionizada N-NH ), nitratos (N-NO -), não patogênica, que normalmente habita os intestinos dos 3 4 3 nitritos (N-NO2); nitrogênio molecular (N ) e nitrogênio animais superiores. A sua presença ão representa risco para 2 orgânico (N-orgânico dissolvido e em suspensão). O a saúde pública, mas indica que poderão estar presentes nitrato é produto da oxidação biológica de compostos microorganismos causadores ou transmissores de doenças nitrogenados reduzidos. Esse processo é chamado (patogênicos). São, assim, indicadores microbiológicos 339 Cap_5.1_FFI.indd 15 9/12/2008 21:42:50 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica de contaminação fecal da água, mundialmente utilizados, (ambiente anaeróbico) e por filtração, segundo indicando eventuais perigos para a saúde. Portanto, nem intensidades variadas, em função da permeabilidade toda água que contenha coliformes é contaminada por e condutividade do aqüífero ou do subsolo. Estes microorganismos patogênicos. De acordo com a Portaria microorganismos podem sobreviver no subsolo durante 1.469/2.000 do Ministério da Saúde, são adotadas as algum tempo, variável de acordo com a espécie, mas a seguintes definições para os coliformes totais, coliformes partir de determinado período começam a desaparecer, termotolerantes e Escherichia coli. ou extinguir-se, de modo exponencial. Os coliformes são expressos pelo número mais Coliformes totais (bactérias do grupo coliforme) - provável de coliformes existentes em 100 mL de são bacilos gram-negativos, aeróbicos ou anaeróbicos água. O padrão de potabilidade para consumo facultativos, não formadores de esporos, oxidase- humano estabelecido pelo Ministério da Saúde negativos, capazes de se desenvolver na presença de (Portaria n0 1.469/2.000) determina a ausência de sais biliares ou agentes tensoativos que fermentam a coliformes totais e termotolerantes por 100 mililitros, lactose com produção de ácido, gás e aldeído a 35,0 ± para que seja considerada potável a água de qualquer 0,5 oC em 24-48 horas, e que podem apresentar atividade fonte de abastecimento humano. da enzima ß -galactosidase. A maioria das bactérias do A tabela 5.10 mostra as principais doenças grupo coliforme pertence aos gêneros Escherichia, relacionadas à ingestão de água contaminada e os Citrobacter, Klebsiella e Enterobacter, embora vários microorganismos causadores. outros gêneros e espécies pertençam ao grupo. Coliformes termotolerantes - subgrupo das 5.1.4 Princípios de Classificação das bactérias do grupo coliforme que fermentam a lactose a 44,5 ± 0,2 oC em 24 horas, tendo como principal Águas representante a Escherichia coli. Escherichia Coli - bactéria do grupo coliforme que Técnicas Gráficas fermenta a lactose e manitol, com produção de Os dados de análises de água podem ser ácido e gás a 44,5 ± 0,2 oC em 24 horas. Produz interpretados com base em análises individuais indol a partir do triptofano, oxidase negativa, não ou a partir de um conjunto de dados referentes a promove hidrólise na uréia e apresenta atividade uma área ou a um determinado aqüífero. Para uma das enzimas ß galactosidase e ß glucoronidase, avaliação temporal e espacial de um conjunto de sendo considerada o mais específico indicador de dados, são, freqüentemente, utilizados métodos contaminação fecal recente e de eventual presença gráficos, que podem ser elaborados por softwares de organismos patogênicos. específicos disponíveis no mercado, os quais podem, As bactérias coliformes são, normalmente, inclusive, fazer a representação gráfica dos dados sobre eliminadas com a matéria fecal, na razão de 50 a mapas. O manejo de grande quantidade de dados pode 400 bilhões de células por pessoas por dia. Dado o ser simplificado através da utilização desses gráficos grande número de coliformes existentes na matéria e diagramas, em especial quando se trata de fazer fecal (até 300 milhões por grama de fezes), os testes análises comparativas entre várias análises de água de de avaliação qualitativa desses organismos na água um mesmo ponto em épocas diferentes ou de diferentes têm uma precisão ou sensibilidade muito grande. lugares. Facilmente podem ser ressaltadas relações A água para ser potável não deve conter bactérias entre íons de uma mesma amostra e variações temporais patogênicas. Estas, quando presentes, provêm e espaciais existentes. São úteis não apenas para indicar das descargas intestinais de indivíduos doentes ou a qualidade da água para um determinado uso, mas, portadores destas. É importante observar que a quase totalidade dos organismos patogênicos é incapaz de Doenças Microorganismo Causador viver em sua forma adulta ou reproduzir-se fora do indivíduo que lhe serve de hospedeiro e, portanto, tem Cólera Vibrio cholerae vida limitada na presença de um corpo de água, isto Disenteria bacilar Shiggella sp. é, fora do seu habitat natural. Febre tifóide Salmonella typhi São vários os agentes de eliminação natural Febre entérica Salmonella paratyphi A de organismos patogênicos nas águas. Além da Gastroenterite Escherichia coli e outros tipos de temperatura, destacam-se os efeitos da luz, a Salmonella, Proteus, derby etc. sedimentação, a presença ou não de oxigênio Diarréia infantil Tipos enteropatogênicos de dissolvido, parasitas ou predadores de bactérias e Escherichia coli substâncias tóxicas ou antibióticas produzidas por Leptospirose Leptospira sp. outros microorganismos, como algas e fungos. Nas Tabela 5.1.10 - Doenças freqüentemente relacionadas com a águas subterrâneas, os organismos patogênicos são ingestão de água contaminada por microorganismos (adaptado eliminados ou removidos pela ausência de oxigênio de Pelczar et. al., 1977; OMS, 1979; FUNASA, 2004). 340 Cap_5.1_FFI.indd 16 9/12/2008 21:42:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações também, para ilustrar variações na qualidade, enfatizar Diagrama Triangular Simples diferenças e similaridades; ou, ainda, para ajudar a O gráfico é constituído por um triângulo eqüilátero detectar e identificar alguns dos processos químicos ABC, cujo vértice representa um componente (A,B ou (capítulo 5.2). A seguir, são mostrados os diagramas e C) com 100% do elemento analisado e seus lados as formas gráficas de apresentação dos resultados de estão subdivididos em 100 partes iguais. A água é análises químicas mais comumente utilizados. caracterizada por dois pontos (representando os ânions Diagramas Colunares e os cátions) ligados por uma reta (figura 5.1.4). A altura das colunas representa a concentração Diagrama Triangular de Piper ou % dos íons em meq/L ou mg/L. São utilizados, O diagrama de Piper é utilizado para classificar os principalmente, para comparar as proporções dos distintos grupos de águas quanto aos íons dominantes constituintes iônicos principais de várias análises (cloretada, sódica, carbonatada, magnesiana etc.). Este químicas de águas (figura 5.1.1). sistema de classificação é baseado na sobrepujança de Diagrama Radial de Tickel determinados íons sobre outros. A água é denominada quanto ao ânion ou cátion, cuja concentração, expressa Como ilustrado na figura 5.1.2, Tickel propôs um em meq/L, ultrapassa em 50% suas respectivas somas. diagrama radial onde os íons são representados em Se nenhum deles ultrapassa este valor, a água é meq/L, por pontos proporcionais às suas respectivas denominada de acordo com os dois ânions ou cátions concentrações em %. Localizados em cinco eixos mais abundantes. Para plotar no diagrama, transforma- do diagrama, os pontos são ligados formando um hexágono característico para cada análise. O ponto P se separadamente o valor de cada íon expresso em representa a concentração total da amostra. meq/L em percentagem dos totais de ânions e de cátions (figura 5.1.5). Diagramas Circulares Os diagramas circulares (figura 5.1.3) correspondem a um círculo de raio proporcional aos Sólidos Totais Dissolvidos em meq/L, subdividido em partes proporcionais às concentrações, em meq/L, dos seus constituintes iônicos. Figura 5.1.3 - Diagrama circular simples. Figura 5.1.1 - Diagramas colunares. Figura 5.1.2 - Diagrama radial de Tickel. Figura 5.1.4 - Diagrama triangular. 341 Cap_5.1_FFI.indd 17 9/12/2008 21:42:51 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica linha vertical (poço), representando-se os valores das características químicas em função da profundidade. Estes perfis permitem estudar e ressaltar a existência de estratificações na água subterrânea. Os perfis horizontais são construídos a partir de amostras de água coletadas ao longo da extensão do aqüífero, normalmente para uma mesma profundidade, e ressaltam variações laterais na composição da água subterrânea. Mapas Hidroquímicos Na hidroquímica, normalmente os resultados são apresentados sob a forma de mapas de isoteores (mapa de isoteor de cálcio, STD, cloretos etc.). Esses mapas caracterizam-se pela presença de isolinhas que correspondem a linhas de mesmo teor do background Figura 5.1.5 - Diagrama de Piper. Figura 5.1.6 - Diagrama de Stiff. Diagrama de Stiff Todas as concentrações iônicas em meq/L ou % meq/L são representadas sobre linhas paralelas horizontais. Ligando-se todos os pontos respectivos, obtém-se uma figura geométrica característica para a água analisada, conforme mostrado na figura 5.1.6. Diagrama Semi-logarítmico de Schoeller No diagrama de Schoeller, figura 5.1.7, as concentrações, em meq/L, da amostra são plotadas em papel semi-logarítmico. Esta forma de apresentação dos dados hidroquímicos é bastante flexível e permite aumentar ou reduzir o número de elementos representados, de acordo com as necessidades e os objetivos da interpretação. Hidrogramas Figura 5.1.7 - Diagrama Semi-logarítmico de Schoeller. São gráficos que mostram a variação de uma certa característica em função do tempo. É a forma mais clara de se visualizar as variações temporais de composição da água subterrânea. Normalmente representam-se várias características num mesmo hidrograma. Na figura 5.1.8 é apresentado um exemplo típico de um hidrograma. Perfis Hidroquímicos Os perfis hidroquímicos podem ser verticais e horizontais. Os perfis verticais, em geral mais utilizados, são construídos a partir de análises químicas feitas em amostras de água recolhidas ao longo de uma Figura 5.1.8 - Exemplo de Hidrograma. 342 Cap_5.1_FFI.indd 18 9/12/2008 21:42:51 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações acrescido de alguns desvios-padrão, dependendo orgânicos que podem induzir doenças (câncer) a longo da amplitude da população analisada. Permitem, prazo, caso haja uma ingestão continuada de água no caso de água subterrânea, a visualização rápida com valores acima do valor máximo permitido. das variações espaciais das características químicas Padrão de Qualidade para Substâncias que de um aqüífero (meios contínuos). Outros mapas Representam Risco à Saúde - são parâmetros hidroquímicos consistem em representar sobre um químicos inorgânicos e orgânicos, agrotóxicos e mapa geológico ou topográfico, gráficos, símbolos cianotoxinas, desinfetantes e produtos secundários da ou figuras que representem a composição química da desinfecção. Estas substâncias são tóxicas e podem água. Os mapas hidroquímicos também podem ser induzir doenças caso haja consumo continuado de constituídos por diagramas, sendo mais utilizados os água com sua presença. de Stiff e os circulares. Padrão de Radioatividade para Água Potável - são parâmetros radioativos que comportam riscos para 5.1.5 Padrões de Qualidade das a saúde humana, podendo, por ingestão oral, induzir Águas varias formas de câncer no homem. Padrão Microbiológico de Potabilidade para Consumo humano Consumo Humano - são indicadores da presença de contaminação microbiológica. A presença destes não As características que delimitam o modelo de representa risco para a saúde pública, mas indica que água destinada ao abastecimento doméstico, poderão estar presentes microorganismos causadores denominadas padrões de potabilidade de consumo ou transmissores de doenças patogênicas. São humano, compreendem critérios essenciais e critérios indicadores de eventuais perigos, não representando complementares. Os primeiros dizem respeito, por si só risco para a saúde do homem. principalmente, à proteção contra a contaminação por microorganismos patogênicos e contra a poluição Segundo o Art. 17 da Portaria 1.469/2.000 do Ministério por substâncias tóxicas ou venenosas. Os critérios da Saúde, as metodologias analíticas para determinação complementares visam o controle da qualidade no que dos parâmetros físicos, químicos, microbiológicos e de diz respeito ao aperfeiçoamento da água em aspectos radioatividade devem atender às especificações das estéticos, organolépticos e econômicos, que embora normas nacionais que disciplinem a matéria, da edição desejáveis, não são essenciais à proteção da saúde pública mais recente da publicação Standard Methods for the (cor, sabor, odor, turbidez, dureza, temperatura, pH). As Examination of Water and Wastewater, de autoria das águas geralmente são consideradas potáveis quando instituições American Public Health Association - APHA, podem ser consumidas pelo homem sem ocasionar American Water Works Association - AWWA e Water prejuízos à sua saúde. Os padrões internacionais de Environment Federation - WEF, ou das normas publicadas potabilidade para consumo humano variam em cada pela International Standartization Organization - ISO. país, em função das peculiaridades locais. Entretanto, há uma tendência mundial de padronização das Agricultura normas existentes, através da Organização Mundial de Saúde (OMS). Em épocas passadas, os padrões Os padrões da água para uso na agricultura (irrigação) de potabilidade da água eram regidos apenas pela são mais simples, porque o número de parâmetros a serem avaliação dos sentidos da visão, gustação e olfato. considerados é menor. A classificação das águas para fins A evolução das técnicas de análises químicas, agrícolas é determinada pela concentração de alguns íons físico-químicas, biológicas e radiológicas, ao longo tais como o sódio, potássio, cloreto, sulfato, bicarbonato do tempo, permitiu o aprimoramento dos padrões de e boro, e parâmetros como a concentração total dos sais potabilidade da água para consumo humano, embora dissolvidos (STD), condutividade elétrica e a concentração ainda existam, nas águas, constituintes químicos de total de cátions, que influenciam de maneira diferenciada natureza inorgânica e orgânica, pouco estudados em no crescimento de cada espécie vegetal. termos de avaliações e normas de potabilidade. Os efeitos dos tipos de água sobre os vegetais A Portaria 1.469/2.000 do Ministério da Saúde levam em consideração não só sua composição (tabela 5.1.11), estabelece padrões de qualidade da físico-química, mas também as características da água para consumo humano, sendo os parâmetros espécie vegetal (tolerância à salinidade e seu ciclo agrupados por tipo de padrão comentados a seguir. de vida) e do solo (permeabilidade, porosidade, textura e composição mineral). A maioria das águas Padrões de Aceitação para Consumo Humano utilizadas mundialmente para uso na agricultura possui - são parâmetros físicos, organolépticos, químicos condutividade elétrica inferior a 2.000 mMho/cm. Os inorgânicos e orgânicos. Em situações normais, estes resultados das colheitas que utilizaram água com parâmetros não representam por si só risco para a condutividade elétrica maior que 2.000 mMho/cm, em saúde humana, exceção para os parâmetros químico geral, não foram satisfatórios. 343 Cap_5.1_FFI.indd 19 9/12/2008 21:42:51 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Parâmetro Unid. VMP Parâmetro Unid. VMP Padrão de Aceitação para Consumo Humano Cor Aparente uH 15 Turbidez UT 5 I Odor - N.O. *1 Temperatura °C - Sabor - N.O. *1 pH - 6,0 - 9,5 *2 Alumínio mg/L Al 0,2 Sódio mg/L Na 200 Amônia mg/L NH3 NH3 1,5 STD mg/L 1000 Cloreto mg/L Cl 250 Sulfato mg/L SO4 250 II Dureza Total mg/L 500 Sulfeto de H mg/L S 0,05 Ferro Total mg/L Fe 0,3 Surfactantes mg/L LAS 0,5 Manganês mg/L Mn 0,1 Zinco mg/L 5 Monoclorobenzeno mg/L 0,12 Tolueno mg/L 0,17 III Etilbenzeno mg/L 0,2 Xileno mg/L 0,3 Padrão de Potabilidade para Substâncias Químicas que Representam Risco à Saúde Antimônio mg/L Sb 0,005 Cromo mg/L Cr 0,05 Arsênio mg/L As 0,01 Fluoreto mg/L F 1,5 Bário mg/L Ba 0,7 Mercúrio mg/L Hg 0,001 II Cádmio mg/L Cd 0,005 Nitrato mg/L N 10 Cianeto mg/L CN 0,07 Nitrito mg/L N 1 Chumbo mg/L Pb 0,01 Selênio mg/L Se 0,01 Cobre mg/L Cu 2 Acrilamida mg/L 0,5 Diclorometano mg/L 20 Benzeno mg/L 5 Estireno mg/L 20 Benzo [a] pireno mg/L 0,7 Tetracloreto de Carbono mg/L 2 III Cloreto de venila mg/L 5 Tetracloroeteno mg/L 40 1,2 Dicloroeteno mg/L 10 Triclorobenzenos mg/L 20 1,1 Dicloroetano mg/L 30 Tricloroeteno mg/L 70 Alaclor mg/L 20 Hexaclorobenzeno mg/L 1 Aldrin e Dieldrin mg/L 0,03 Lindano (g-BHC) mg/L 2 Atrazina mg/L 2 Metolacloro mg/L 10 Bentazona mg/L 300 Metoxicloro mg/L 20 Clordano (isômeros) mg/L 0,2 Molinato mg/L 6 IV 2,4 D mg/L 30 Pendimetalina mg/L 20 DDT (isômeros) mg/L 2 Pentaclorofenol mg/L 9 Endossulfan mg/L 20 Permetrina mg/L 20 Eldrin mg/L 0,6 Propanil mg/L 20 Glifosato mg/L 500 Simazina mg/L 2 Heptacloro + *3 mg/L 0,03 Trifluralina mg/L 20 V Microcistinas mg/L 1 Até 10 mg/L em até 3 amostras nos últimos 12 meses Bromato mg/L 0,025 Monocloramina mg/L 3 VI Clorito mg/L 0,2 2,4,6 Triclorofenol mg/L 0,2 Cloro livre mg/L 5 Trihalometanos total mg/L 0,1 Padrão de Radioatividade para Água Potável VII Alfa Global Bq/L 0,1 Beta Global Bq/L 1 Padrão Microbiológico de Potabilidade da Água para Consumo Humano VIII Escherichia coli ou CT*4 n°/100 mL Ausência Coliformes Totais n°/100 mL Ausência Notas: I - Parâmetros físicos e organolépticos. *1 - Critério de referência II - Parâmetros químicos inorgânicos. *2 - Recomendado III - Parâmetros químicos orgânicos. *3 - Heptacloro epóxido IV - Agrotóxicos *4 - Coliformes termotolerantes, preferência p/ Eschericia coli V - Cianotoxinas UT - Unidade de turbidez VI - Desinfetantes e produtos secundários da desinfecção Bq/L - Becquerel/Litro VII - Parâmetros radioativos. N.O. - Não objetável VIII - Parâmetros microbiológicos mg/L - Micrograma por litro VMP - Parâmetros microbiológicos mg/L - Miligrama por litro UH - Unidade Hazen (mg Pt-Co/L) Tabela 5.1.11 - Padrões de Potabilidade (Portaria 1469, de 29/12/2000, do Ministério da Saúde). 344 Cap_5.1_FFI.indd 20 9/12/2008 21:42:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Existem alguns critérios que permitem verificar As categorias de águas da classificação do USSL a adequabilidade da água para agricultura, sendo estão relacionadas a seguir: atualmente o mais aceito e utilizado a classificação C0 - águas de muito baixa salinidade, que podem do United States Salinity Laboratory - USSL. Esta ser utilizadas sem restrição para irrigação. classificação, mostrada na figura 5.1.9, baseia-se na Razão de Adsorção de Sódio (RAS), como indicador C1 - águas de baixa salinidade, com condutividade do perigo de alcalinização ou sodificação do solo, e na elétrica compreendida entre 100 e 250 mMho/cm a condutividade elétrica da água (CE), como indicador 25 °C (sólidos dissolvidos: 64 a 160 mg/L). Podem do perigo de salinização do solo. Quanto maior o RAS, ser utilizadas para irrigar a maioria das culturas, menos apropriada é a água para fins de irrigação. O na maioria dos solos, com pequeno risco de RAS indica a percentagem de sódio contido numa incidentes quanto à salinização do solo, salvo se a permeabilidade deste último for extremamente água que pode ser adsorvido pelo solo e é calculado baixa. através da equação (5.1.6): C2 - águas de salinidade média, com condutividade rNa+ compreendida entre 250 e 750 mMho/cm a 25 °C RAS = (sólidos dissolvidos: 160 a 480 mg/L). Devem ser r(Ca+2 + Mg+2 ) (5.1.6) usadas com precaução, podem ser utilizadas de 2 preferência em solos silto-arenosos, siltosos ou areno- argilosos quando houver uma lixiviação moderada do onde r representa as concentrações de Na, Ca e Mg, solo. Os vegetais de fraca tolerância salina podem ser em miliequivalente por litro (meq/L). cultivados, na maioria dos casos, sem perigo. Figura 5.1.9 - Diagrama do United States Salinity Laboratory - USSL. 345 Cap_5.1_FFI.indd 21 9/12/2008 21:42:52 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica C3 - águas de alta salinidade, com condutividade Atualmente, existem técnicas modernas de compreendida entre 750 e 2.250 mMho/cm a 25 °C tratamento de água que permitem, na maioria das (sólidos dissolvidos: 480 a 1.440 mg/L). Só podem vezes, que águas de composições diferentes sejam ser utilizadas em solos bem drenados. Mesmo utilizadas para qualquer uso industrial. Porém, os quando o solo é bem cuidado, devem ser tomadas custos de tratamento da água podem ser bastante precauções especiais de luta contra a salinização e onerosos, inviabilizando o seu uso no processo apenas os vegetais de alta tolerância salina devem industrial. ser cultivados. Dentre os vários parâmetros analisados nas águas C - águas de salinidade muito alta, com para fins industriais, o que mais afeta a maioria das 4 condutividade compreendida entre 2.250 e 5.000 indústrias é a capacidade de ataque químico, que mMho/cm a 25 °C (sólidos dissolvidos: 1.440 a revela o seu caráter de agressividade, neutralidade ou 3.200 mg/L). Geralmente não servem para irrigação, incrustabilidade. Sob este ponto, as tabelas 5.1.12 e todavia, podem ser excepcionalmente utilizadas 5.1.13 apresentam os valores dos índices de estabilidade em solos arenosos permeáveis, bem cuidados e do carbonato de cálcio e de saturação que fornecem abundantemente irrigados. Apenas os vegetais de indicações sobre a capacidade de ataque químico das altíssima tolerância salina podem ser cultivados. águas em condições naturais. O índice de estabilidade do carbonato de cálcio (IE) C5 - águas de salinidade extremamente alta, com foi definido por Ryznar (1944), pela equação: condutividade compreendida entre 5.000 e 20.000 mMho/cm a 25 °C (sólidos dissolvidos: 3.200 a IE = 2 pHs – pH (5.1.7) 12.800 mg/L). São águas utilizáveis apenas em sendo IE o índice de estabilidade do carbonato de cálcio, solos excessivamente permeáveis e muito bem pH o potencial hidrogeniônico da água amostrada,pHs cuidados, salvo exceções, unicamente para o potencial hidrogeniônico de saturação teórica palmeiras, sobretudo com condutividade acima (pH de saturação ou pH de equilíbrio do carbonato de 10.000 mMho/cm a 25 °C. de cálcio). S1 - águas fracamente sódicas, podem ser De forma similar, o índice de saturação do utilizadas para quase todos os solos com fraco carbonato (I) foi definido por Langelier (apud Szikszay, risco de formação de teores nocivos de sódio 1993) como: susceptível de troca. Presta-se ao cultivo de quase todos os vegetais. I = pH - pHs (5.1.8) Alguns padrões para uso industrial da água S2 - águas medianamente sódicas, apresentam subterrânea são apresentados na tabela 5.1.14. perigo de sódio para os solos de textura fina e forte capacidade de troca de cátions. Podem ser utilizadas para solos de textura grosseira ou ricos Outros Usos em matéria orgânica e com boa permeabilidade. Pecuário S3 - águas altamente sódicas. Há perigo de formação de teores nocivos de sódio na maioria dos solos, salvo Os padrões para o consumo animal não são nos solos gipsíferos. Exigem tratamento especial do genericamente adotados, em conseqüência da solo (boa drenagem, lixiviação e presença de matéria diversidade das espécies de animais e suas variedades orgânica) e podem ser utilizadas em vegetais com de raças, além de serem influenciados pelo clima, alta tolerância ao sódio. cadeia alimentar, tamanho, sexo etc. A água para S4 - águas extremamente sódicas, geralmente imprestáveis para a irrigação, salvo se a salinidade IE Classificação global é fraca ou, pelo menos, média. Podem ser 4,0 - 5,0 Muito Incrustante 5,0 - 6,0 Moderadamente Incrustante aplicadas em solos altamente drenáveis, ricos em 6,0 - 7,0 Pouco Incrustante ou Agressiva carbonatos. 7,0 - 7,5 Agressiva Esta classificação é bastante abrangente, mas 7,5 - 9,0 Francamente Agressiva deverá ser utilizada em conjunto com a análise dos > 9,0 Muito Agressiva íons de cloreto, sulfato e boro. Tabela 5.1.12 - Índice de Estabilidade de Ryznar (Custodio & Llamas, 1983). Uso Industrial I Classificação Os padrões da água para fins industriais são > 0 Incrustante complexos em função da diversidade de uso da água, pois dependem do tipo da indústria e dos processos = 0 Neutra de industrialização, gerando necessidades diferentes < 0 Agressiva de qualidade de água para cada uso. Tabela 5.1.13 - Índice de Langelier (Szikszay, 1993). 346 Cap_5.1_FFI.indd 22 9/12/2008 21:42:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Parâmetro Unid. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PH - - - 7,5 - 6,5 - 7 - 8 - - Dureza mg/L de CaCO3 50 180 50 - 80 30 - 100 50 - 75 25 50 50 100 Alcalinidade mg/L de CaCO3 - - 80 - 150 128 135 - - Cálcio mg/L Ca - - 500 20 200 - - 10 - Cloretos mg/L Cl - 30 - 20 100 250 - 100 75 Ferro mg/L Fe 0,5 0,3 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,25 0,1 Manganês mg/L Mn 0,5 0,1 0,2 - 0,1 0,2 0,2 0,25 0,05 R.S. mg/L - 500 850 - 1.000 850 - - 200 Nitrato mg/L N - 30 15 - 10 - - - - Amônia mg/L NH3 - traços 0,5 - - - - - - Sulfatos mg/L SO4 - 60 - 20 - 250 - 100 - Fluoretos mg/L F - - 1 - 1 1 - - - Magnésio mg/L Mg - - - 10 30 - - - - 1 - Águas de Refrigeração 6 - Ind. de Bebidas e Suco de Frutas 2 - Ind. de Laticínios 7 - Curtume 3 - Ind. de Conservas Alimentícias 8 - Ind. Têxtil 4 - Ind. Açucareira 9 - Ind. de Papel 5 – Cervejaria Tabela 5.1.14 - Critérios de qualidade da água para indústrias (Mathess, 1982; Szikszay, 1993; Driscoll, 1986). consumo animal, antes de ser fornecida, deverá Recreação ser avaliada nos aspectos químico, físico-químico, A água utilizada para recreação de contato direto ou biológico e radiológico, para evitar contaminações, primária (natação e hidroginástica) exige um controle intoxicações e até a morte do animal. Segundo constante na sua qualidade química, físico-química, Logan (1965), de uma maneira geral, o gado deve biológica e radiológica, pois oferece risco à saúde consumir água com menos de 5.000 mg/L de sais humana, principalmente quando contém organismos dissolvidos (STD). Nas tabelas 5.1.15, 5.1.16 e 5.1.17 patogênicos e metais pesados. Neste caso, é usual são apresentados alguns padrões para consumo animal, adotar-se os seguintes padrões: elaborados por Logan (1965), Bateman apud Costa (1979) e Mackee & Wolf (1966). • Bactérias coliformes: limite - NMP 200/100mL de água Classe STD (mg/L) • pH : 7 Boa ≤ 2.500 • Piscinas com tratamento de cloro: Cloro Residual Satisfatória 2.500 - 3.500 0,4 - 1,0mg/L Pobre 3.500 - 4.500 Insatisfatória ≥ 4.500 Piscicultura Tabela 5.1.15 - Consumo animal (Logan, 1965). Os padrões para o uso em piscicultura estão Resíduo Seco (mg/L) Consumo Animal apresentados na tabela 5.1.18. 5.000 - 6.250 Cavalos bebem bem 6.250 - 7.800 Suportável por cavalos 5.1.6 Padrões de Referência de 7.800 - 9.375 Suportável pelo gado Qualidade Ambiental 9.375 - 15.605 Suportável por ovelhas ≥ 15,605 Nenhum animal bebe Os padrões de qualidade ambiental das águas visam, fundamentalmente, a proteção da saúde Tabela 5.1.16 - Consumo animal (Bateman apud Costa, pública e o controle de substâncias potencialmente 1979). prejudiciais à saúde do homem, como microorganismos STD (mg/L) Animal patogênicos, substâncias tóxicas ou venenosas e 2.860 Aves elementos radioativos. 4.220 Porcos Os exames de controle ambiental das águas são 6.435 Cavalos físicos, químicos, microbiológicos e bacteriológicos. 7.180 Gado (leite) Os limites máximos admissíveis para os parâmetros 10.000 Gado (corte) físicos, químicos, microbiológicos e bacteriológicos, em 12.900 Carneiro geral, são aperfeiçoados à medida que as pesquisas e técnicas analíticas permitam que sejam estabelecidas Tabela 5.1.17 - Consumo animal (Mackee & Wolf, 1966). formas mais precisas de controle ambiental. 347 Cap_5.1_FFI.indd 23 9/12/2008 21:42:52 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Limites de irrigação de hortaliças e plantas frutíferas, à criação Parâmetros Unidade Tolerância natural e/ou intensiva (aqüicultura) de espécies Oxigênio Dissolvido mg/L > 3 destinadas à alimentação humana. PH - 7 IV - Classe 3 - águas destinadas ao abastecimento Condutividade Elétrica mmho/cm 3.000 doméstico após tratamento convencional, à irrigação STD mg/L 1.500 de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras e à Amônio mg/L 10 dessedentação de animais. Fenóis mg/L 1 Detergentes mg/L 3 V - Classe 4 - águas destinadas à navegação, à m harmonia paisagística e aos usos menos exigentes.Inseticidas g/L Ausência Cromo Total mg/L 1 Águas Salinas Fluoreto mg/L 2,3 - 125 VI - Classe 5 - águas destinadas à recreação Chumbo mg/L 4 de contato primário, à proteção das comunidades Ferro mg/L 50 aquáticas, à criação natural e/ou intensiva (aqüicultura) Cobre mg/L 0,5 de espécies destinadas à alimentação humana. Bactérias Coliformes NMP/100 mL 70-100 Vírus Hepatite Ausência VII - Classe 6 - águas destinadas à navegação comercial, à harmonia paisagística e a recreação de Tabela 5.1.18 - Normas para piscicultura (Szikszay, 1993). contato secundário. Águas Salobras A legislação brasileira de controle ambiental da qualidade da água baseia-se em usos da água e seus VIII - Classe 7 - águas destinadas à recreação correspondentes limites de aceitação de poluição e/ de contato primário, à proteção das comunidades ou contaminação. aquáticas e à criação natural e/ou intensiva (aqüicultura) de espécies destinadas à alimentação humana. Águas Superficiais IX - Classe 8 - águas destinadas à navegação Os padrões de qualidade ambiental das águas comercial, à harmonia paisagística e à recreação de superficiais no Brasil foram instituídos pela Resolução contato secundário. do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) Para efeito desta resolução, são adotadas as no 20, 18/06/86, 102, Decreto no 79.367, de 09/03/77, seguintes definições: 120; Portaria no 56-BSB, de 14/03/77, 122; NTA 60, 129. Resolução no 25, de 1976, 132. • Águas Doces - águas com salinidade igual ou Segundo a resolução do CONAMA, as águas são inferior a 0,5‰; divididas em doces, salobras e salinas, e segundo • Águas Salobras - águas com salinidade variando seus usos preponderantes, são classificadas em nove entre 0,5 e 30‰; classes relacionadas a seguir. • Águas Salinas - águas com salinidade igual ou superior a 30‰. Águas Doces Art. 3o. - No caso das águas da Classe Especial, o I - Classe Especial - águas destinadas ao uso para abastecimento sem prévia desinfecção fica abastecimento doméstico, sem prévia ou com simples vinculado à ausência de coliformes totais em qualquer desinfecção e à preservação do equilíbrio natural das amostra realizada. Para as demais classes, estão comunidades aquáticas. estabelecidos os limites e/ou condições especificados na tabela 5.1.19. II - Classe 1 - águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento simplificado, à proteção Águas Subterrâneas das comunidades aquáticas, à recreação de contato primário (natação, esqui aquático e mergulho), a A classificação das águas subterrâneas, em função irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e das suas características hidrogeoquímicas naturais e de frutas que se desenvolvam rente ao solo e que seus níveis de poluição, foi estabelecida pela Resolução sejam ingeridas cruas, sem remoção de película e a do Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama) nº criação natural e/ou intensiva (aqüicultura) de espécies 396, de 03 de abril de 2008. destinadas à alimentação humana. Esta classificação tem em vista prevenir e controlar III - Classe 2 - águas destinadas ao abastecimento a poluição e promover a proteção da qualidade das doméstico após tratamento convencional, a proteção águas subterrâneas que, uma vez contaminadas, das comunidades aquáticas, a recreação de contato exigem processos lentos e custosos para sua primário (natação, esqui aquático e mergulho), a recuperação. 348 Cap_5.1_FFI.indd 24 9/12/2008 21:42:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Classes Parâmetro Unidade 1 2 3 4 5 6 7 8 pH - 6,0 - 9,0 6,0 - 9,0 6,0 - 9,0 6,0 - 9,0 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 6,5 - 8,5 5,0 - 9,0 OD mg/L O2 ≥ 6 ≥ 5 ≥ 4 ≥ 2 ≥ 6 ≥ 4 ≥ 5 ≥ 3 DBO mg/L O2 ≤ 3 ≤ 5 ≤ 10 - ≤ 5 ≤ 10 ≤ 5 - Turbidez UNT ≤ 40 ≤ 100 ≤ 100 - - - - - Cor Pt/L Natural ≤ 75 ≤ 75 - - - - - Alumínio mg/L Al 0,1 0,1 0,1 - - - - - Amônia Não Ionizável mg/L NH3 0,02 0,02 - - 0,4 - 0,4 - Arsênio mg/L As 0,05 0,05 0,05 - 0,05 - 0,05 - Bário mg/L Ba 1 1 1 - 1 - - - Berílio mg/L Be 0,1 0,1 0,1 - 1,5 - - - Boro mg/L B 0,75 0,75 0,75 - 5 - - - Benzeno mg/L 0,01 0,01 0,01 - - - - - Cádmio mg/L Cd 0,001 0,001 0,01 - 0,005 - 0,005 - Cianetos mg/L CN 0,01 0,01 0,2 - 0,005 - 0,005 - Chumbo mg/L Pb 0,03 0,03 0,05 - 0,01 - 0,01 - Cloretos mg/L Cl 250 250 250 - - - - - Cloro Residual mg/L Cl2 0,01 0,01 - - 0,01 - - - Cobalto mg/L Co 0,2 0,2 0,2 - - - - - Cobre mg/L Cu 0,02 0,02 0,5 - 0,05 - 0,05 - Cromo Hexavalente mg/L Cr 0,05 0,05 0,05 - 0,05 - 0,05 - Cromo Trivalente mg/L Cr 0,5 0,5 0,5 - - - - - 1,1 Dicloroeteno mg/L 0,0003 0,0003 0,0003 - - - - - 1,2 Dicloroetano mg/L 0,01 0,01 0,01 - - - - - Estanho mg/L Sn 2 2 2 - 2 - - - Índice Fenol mg/L 0,001 0,001 0,3 1 0,001 - 0,001 - Ferro Solúvel mg/L Fe 0,3 0,3 5 - - - - - Fluoretos mg/L F 1,4 1,4 1,4 - 1,4 - 1,4 - Fosfato Total mg/L P 0,025 0,025 0,025 - - - - - Lítio mg/L Li 2,5 2,5 2,5 - - - - - Manganês mg/L Mn 0,1 0,1 0,5 - 0,1 - - - Mercúrio mg/L Hg 0,0002 0,0002 0,002 - 0,0001 - 0,0001 - Níquel mg/L Ni 0,025 0,025 0,025 - 0,1 - 0,1 - Nitrato mg/L N 10 10 10 - 10 - - - Nitrito mg/L N 1 1 1 - 1 - - - Prata mg/L Ag 0,01 0,01 0,05 - 0,005 - - - Pentaclorofenol mg/L 0,01 0,01 0,01 - - - - - Selênio mg/L Se 0,01 0,01 0,01 - 0,01 - - - STD mg/L 500 500 500 - - - - - Surfactantes mg/L LAS 0,5 0,5 0,5 - 0,5 - - - Sulfatos mg/L SO4 250 250 250 - - - - - Sulfetos mg/L S 0,002 0,002 0,3 - 0,002 - 0,002 - Tetracloroetano mg/L 0,01 0,01 0,01 - - - - - Tricloreto Carbono mg/L 0,03 0,03 0,03 - - - - - Tetracloroetano mg/L 0,003 0,003 0,003 - - - - - 2,4,6 Triclorofenol mg/L 0,01 0,01 0,01 - - - - - Urânio Total mg/L U 0,02 0,02 0,02 - 0,5 - - - Vanadio mg/L V 0,1 0,1 0,1 - - - - - Zinco mg/L Zn 0,18 0,18 5 - 0,17 - 0,17 - Aldrin mg/L 0,01 0,01 0,03 - 0,003 - 0,003 - Clordano mg/L 0,04 0,04 0,3 - 0,004 - 0,004 - DDT mg/L 0,002 0,002 1 - 0,001 - 0,001 - Dieldrin mg/L 0,005 0,005 0,03 - 0,003 - 0,003 - Endrin mg/L 0,004 0,004 0,2 - 0,004 - 0,004 - Endosulfan mg/L 0,056 0,056 150 - 0,034 - 0,034 - Epóxidoheptacloro mg/L 0,01 0,01 0,1 - 0,001 - 0,001 - Heptacloro mg/L 0,01 0,01 0,1 - 0,001 - 0,001 - Lindano mg/L 0,02 0,02 3 - 0,004 - 0,004 - Metoxicloro mg/L 0,03 0,03 30 - 0,03 - 0,03 - Dodecaclorononacl mg/L 0,001 0,001 0,001 - 0,001 - 0,001 - PCB’s mg/L 0,001 0,001 0,001 - - - - - Toxafeno mg/L 0,01 0,01 5 - 0,005 - 0,005 - Demeton mg/L 0,1 0,1 14 - 0,1 - 0,1 - Gusation mg/L 0,005 0,005 0,005 - 0,01 - 0,01 - Malation mg/L 0,1 0,1 100 - 0,1 - 0,1 - Paration mg/L 0,04 0,04 35 - 0,04 - 0,04 - Org. Fosfarados mg/L 10 10 10 - 10 - 10 - 2,4 D mg/L 4 4 20 - 10 - 10 - 2,4,5 - TP mg/L 10 10 10 - 10 - 10 - 2,4,5 - T mg/L 2 2 2 - 10 - 10 - Coliformes Fecais n°/100mL 200 1.000 4.000 - 1.000 4.000 1.000 4.000 Tabela 5.1.19 - Padrões de qualidade ambiental no Brasil (CETESB, 1990). 349 Cap_5.1_FFI.indd 25 9/12/2008 21:42:53 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Segundo a resolução do CONAMA, as águas O Padrão Holandês, avalia o nível de contaminação subterrâneas são classificadas em seis classes em água subterrânea e/ou solo, fixando limites de relacionadas a seguir. concentração baseados na exposição humana ao I - Classe Especial - águas dos aqüíferos, conjunto de contato com a substância, considerando um nível aqüíferos ou porção desses destinadas à preservação máximo de ingestão diária, denominado TDI - Tolerable de ecossistemas em unidades de conservação de Daily Intake. Notadamente a “exposição” considera proteção integral e as que contribuam diretamente para ingestão, contato táctil ou simples contato com o os trechos de corpos de água superficial enquadrados fluido. Esse método vem sendo desenvolvido desde como classe especial. 1994 pelo RIVM (Research for Man and Environment - Holanda) e apóia-se numa base científica que envolve II - Classe 1- águas dos aqüíferos, conjunto de dados de riscos toxicolóxicos e ecotoxicológicos aqüíferos ou porção desses, sem alteração de sua advindos da contaminação da água subterrânea e qualidade por atividades antrópicas, e que não exigem do solo. O método define, basicamente, três níveis tratamento para quaisquer usos preponderantes de valores, como apresentado a seguir: devido às suas características hidrogeoquímicas naturais. • valor de referência (VR), indica o estado natural do local ou background tanto para solo como para III - Classe 2 - águas dos aqüíferos, conjunto de água subterrânea; aqüíferos ou porção desses, sem alteração de sua • valor de alerta (VA) - representa alterações qualidade por atividades antrópicas, e que podem do estado natural do solo e água subterrânea exigir tratamento adequado, dependendo do uso que requerem maiores investigações. É o valor preponderante, devido às suas características médio entre o valor de referência e o valor de hidrogeoquímicas naturais. intervenção; e IV - Classe 3 - águas dos aqüíferos, conjunto • valor de intervenção (VI) - representa o nível de de aqüíferos ou porção desses, com alteração de intervenção. O valor de intervenção indica risco sua qualidade por atividades antrópicas, para as potencial à saúde humana e ao ecossistema, quais não é necessário o tratamento em função requerendo procedimentos de remediação. A dessas alterações, mas que podem exigir tratamento urgência de execução e o nível da remediação adequado, dependendo do uso preponderante, dependem do uso atr ibuído à área ( r isk devido às suas características hidrogeoquímicas assessment). naturais. A tabela 5.1.21 apresenta os valores de qualidade V - Classe 4 - águas dos aqüíferos, conjunto de de águas subterrâneas para o Estado de São Paulo e aqüíferos ou porção desses, com alteração de sua valores de intervenção internacionais. qualidade por atividades antrópicas, e que somente possam ser utilizadas, sem tratamento, para o uso Solos preponderante menos restritivo. A partir do conceito de multifuncionalidade do VI - Classe 5 - águas dos aqüíferos, conjunto de solo, o Ministério de Planejamento Territorial e Meio aqüíferos ou porção desses, que possam estar com Ambiente da Holanda (VROM), publicou, em 1994, alteração de sua qualidade por atividades antrópicas, uma proposta de valores de qualidade de solo e de destinadas a atividades que não têm requisitos de água subterrânea. qualidade para uso. As tabela 5.1.22 apresenta, como exemplo, os A tabela 5.1.20, apresenta a lista de parâmetros da valores de qualidade para solos contendo de 0 a 10% Resolução CONAMA nº 396, com maior probabilidade de matéria orgânica e de 0 a 25% de argila. Para os de ocorrência em águas subterrâneas, seus respectivos elementos que possuem apenas o valor de intervenção, Valores Máximos Permitidos (VMP) para cada um o valor de alerta (T) poderia ser calculado pela seguinte dos usos considerados como preponderantes fórmula T = 0,5 x I. e os limites de quantificação praticáveis (LQP), A tabela 5.1.23 resume os diferentes limites considerados como aceitáveis para aplicação da adotados por alguns países, bem como o proposto citada Resolução. pelo CETESB para o Estado de São Paulo. A CETESB foi a pioneira no Brasil a propor valores Tem sido prát ica usual, nos países mais de referência de qualidade para águas subterrâneas desenvolvidos, utilizar como valores de referência e solos, baseados na metodologia holandesa (Dutch para substâncias orgânicas antropogênicas que não Standard). O Dutch Standard considera características estão naturalmente presentes nos solos e águas locais da litologia, como percentual de matéria subterrâneas, o limite de detecção dos métodos orgânica e de argila, para definição dos limites analíticos. máximos de concentração dos elementos no solo. 350 Cap_5.1_FFI.indd 26 9/12/2008 21:42:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Usos Preponderantes da Água Limite de Quantificação Parâmetros Nº CAS Consumo Dessedentação Irrigação Recreação Praticável Humano de Animais (LQP) Parâmetros Inorgânicos das Águas Subterrâneas Alumínio 7429-90-5 200 (1) 5.000 5.000 200 50 Antimônio 7440-36-0 5 - - - 5 Arsênio 7440-38-2 10 200 - 50 8 Bário 7440-39-3 700 - - 1.000 20 Berílio 7440-41-7 4 100 100 - 4 Boro 7440-42-8 500 (2) 5.000 500 (4) 1.000 200 Cádmio 7440-43-9 5 50 10 5 5 Chumbo 7439-92-1 10 100 5.000 50 10 Cianeto 57-12-5 70 - - 100 50 Cloreto 16887-00-6 250.000 (1) - 100.000 a 700.000 400.000 2.000 Cobalto 7440-48-4 - 1.000 50 - 10 Cobre 7440-50- 2.000 500 200 1.000 50 Cromo (Cr III + Cr VI) 16065831/18540299 50 1.000 100 50 10 Ferro 7439-89-6 300 (1) - 5.000 300 100 Fluoreto 7782-41-4 1.500 2.000 1.000 - 500 Lítio 7439-93-2 - - 2.500 - 100 Manganês 7439-96-5 100 (1) 50 200 100 25 Mercúrio 7439-97-6 1 10 2 1 1 Molibdênio 7439-98-7 70 150 10 - 10 Níquel 7440-02-0 20 (3) 1.000 200 100 10 Nitrato (expresso em N) 14797-55-8 10.000 90.000 - 10.000 300 Nitrito (expresso em N) 14797-65-0 1.000 10.000 1.000 1.000 20 Prata 7440-22-4 100 - - 50 10 Selênio 7782-49-2 10 50 20 10 10 Sódio 7440-23-5 200.000 (1) - - 300.000 1.000 STD - 1.000.000 (1) - - - 2.000 Sulfatos - 250.000 (1) 1.000.000 - 400.000 5.000 Urânio 7440-61-1 15 (2,3) 200 10 (4); 100 (5) - 50 Vanádio 7440-62-2 50 100 100 - 20 Zinco 7440-66-6 5.000 (1) 24.000 2.000 5.000 100 Parâmetros Orgânicos das Águas Subterrâneas Acrilamida 79-06-1 0,5 - - - 0,15 Benzeno 71-43-2 5 - - 10 2 Benzo antraceno 56-55-3 0,05 - - - 0,15 Benzo fluoranteno 205-99-2 0,05 - - - 0,15 Benzo (K) fluoranteno 207-08-9 0,05 - - - 0,15 Benzo pireno 50-32-8 0,05 - - 0,01 0,15 Cloreto de vinila 75-01-4 5 - - - 2 Clorofórmio 67-66-3 200 100 - - 5 Criseno 218-01-9 0,05 - - - 0,15 1,2 Diclorobenzeno 95-50-1 1.000 (1) - - - 5 1,4 Diclorobenzeno 106-46-7 300 (1) - - - 5 1,2 Dicloroetano 107-06-2 10 - - 10 5 1,1 Dicloroeteno 75-35-4 30 - - 0,3 5 1,2 Dicloroeteno (cis+trans) 156-60-5 /156-59-2 50 - - - 5 para cada Dibenzo antraceno 53-70-3 0,05 - - - 0,15 Diclorometano 75-09-2 20 50 - - 10 Estireno 100-42-5 20 - - - 5 Etilbenzeno 100-41-4 200 (1) - - - 5 Fenóis (10) - 3 2 - 2 10 Indeno (1,2,3) pireno 193-39-005 0,05 - - - 0,15 PCBs (somatória de 7) (9) (9) 0,5 - - 0,1 0,01 para cada Tetracloreto de carbono 56-23-5 2 5 - 3 2 Triclorobenzenos 120-82-1; 108-70-3; 20 - - - 5 para cada (1,2,4-TCB + 1,3,5-T + 1,2,3) 87-61-6. Tetracloroeteno 127-18-4 40 - - 10 5 1,1,2 Tricloroeteno 79-01-6 70 50 - 30 5 Tolueno 108-88-3 170 (*) 24 - - 5 o-95-47-6/m-108-383/ Xileno Total (o+m+p) 300 (*) - - - 5 para cada p-106-42-3 Tabela 5.1.20 - Valores Máximos Permitidos (VMP) e os Limites de Quantificação Praticáveis (LQP) dos parâmetros quími- cos, Agrotóxicos e Micoorganismos das águas subterrâneas, de acordo com a Resolução CONAMA nº 396, para cada um dos usos considerados como preponderantes. 351 Cap_5.1_FFI.indd 27 9/12/2008 21:42:53 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Usos Preponderantes da Água Limite de Quantificação Parâmetros Nº CAS Consumo Dessedentação Irrigação Recreação Praticável Humano de animais (LQP) Parâmetros Agrotóxicos das Águas Subterrâneas Alaclor 15972-60-8 20 - - 3 0,1 Aldicarb + ald./sulfona + 116-06-3 /1646-88-4/ 10 11 54,9 - 3 para cada ald. sulfóxido 646-87-3 0,005 para Aldrin + Dieldrin 309-00-2 / 60-57-1 0,03 - - 1 cada Atrazina 1912-24-9 2 5 10 - 0,5 Bentazona 25057-89-0 300 - - 400 30 Carbofuran 1563-66-2 7 45 - 30 5 0,01 para Clordano (cis + trans) 5103-71-9/ 5103-74-2 0,2 - - 6 cada Clorotalonil 1897-45-6 30 170 5,8 - 0,1 Clorpirifós 2921-88-2 30 24 - 2 2 2,4-D 94-75-7 30 - - 100 2 DDT (p,p’- DDT DDD) + p,p’- 50-29-33/ 72-55-9 / 0,01 para 2 - - 3 DDE + p,p’-DDD) 72-54-8 cada Endosulfan ( I + I I) + 959-98-8 / 33213-65-9 0,02 para 20 - - 40 sulfato 1031-07-8 cada Endrin 72-20-8 0,6 - - 1 0,01 0,13 (6) / 0,06 (7) Glifosato + Ampa 1071-83-6 500 280 200 30 0,04 (8) Heptac loro+heptac loro 0,01 para 76-44-8 / 1024-57-3 0,03 - - 3 epóxido cada Hexaclorobenzeno 118-74-1 1 0,52 - - 0,01 Lindano (gama-BHC) 58-89-9 2 4 - 10 0,01 Malation 121-75-5 190 - - - 2 Metolacloro 51218-45-2 10 50 28 800 0,1 Metoxicloro 72-43-5 20 - - - 0,1 Molinato 2212-67-1 6 - - 1 5 Pendimetalina 40487-42-1 20 - - 600 0,1 Pentaclorofenol 87-86-5 9 - - 10 2 Permetrina 52645-53-1 20 - - 300 10 Propanil 709-98-8 20 - - 1.000 10 Simazina 122-34-9 2 10 0,5 - 1 Trifuralina 1582-09-8 20 45 - 500 0,1 Microorganismos das Águas Subterrâneas E. coli - Ausentes 200 - 800 - Enterococos - - - - 100 - Coliformes termotolerantes - Ausentes 200 - 1.000 - Notas (1) Efeito organoléptico ; robifenila - nº CAS 35056-28-2), PCB 153 (2,2’4,4’,5,5’- (2) Máxima concentração na água de irrigação em 100 hexaclorobifenila - nº CAS 3505-1227-1) e PCB 180 anos (proteção de plantas e outros organismos); (2,2’,3,4,4’,5,5’- heptaclorobifenila - nºCAS 35065-29-3); (3) Máxima concentração na água de irrigação em 20 anos (8) Fenóis que reagem com aminoantipirina, válido somente (proteção de plantas e outros organismos); quando ocorre cloração. Os valores máximos permitidos para 3 fenóis previnem a formação de gosto e odor indesejável na (4) Taxa de irrigação ≤ 3500 m /ha; água quando da sua cloração. Para o caso de Limites de (5) 3.500 < Taxa de irrigação ≤ 7.000 m3/ha; Quantificação (LQP ou LQA) maior que o valor de interesse, (6) 7.000 < Taxa de irrigação ≤ 12.000 m3/ha; análises de perfil de sabor deverão ser realizadas de acordo (7) PCBs = somatória de PCB 28 (2,4,4’- triclorobifenila - nº com métodos analíticos padronizados antes e após a cloração CAS 7012-37-5), PCB 52 (2,2’,5,5’- tetraclorobifenila - nº CAS da água. Resultado não objetável indicará atendimento ao 35693-99-3), PCB 101(2,2’,4,5,5’-Pentaclorobifenila - nº CAS padrão de qualidade requerido. 37680- 73-2), PCB 118 (2,3’,4,4’,5-pentaclorobifenila - nº OBS. Unidades em mgL-1, exceto para os microorganismos cuja CAS 31508-00-6), PCB 138 (2,2’,3,4,4’,5 - hexacloro - unidade é no/100 mL. Tabela 5.1.20 (continuação) - Valores Máximos Permitidos (VMP) e os Limites de Quantificação Praticáveis (LQP) dos parâmetros químicos, Agrotóxicos e Micoorganismos das águas subterrâneas de acordo com a Resolução CONAMA nº 396, para cada um dos usos considerados como preponderantes. 352 Cap_5.1_FFI.indd 28 9/12/2008 21:42:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Concentração em peso seco (mg.L-1 ) Parâmetro Holanda SP EPA Canadá S T I I I I Inorgânicos Alumínio - - - 200 - - Antimônio - - - 6 6 - Arsênio 10 35 60 50 50 100 Bário 50 338 625 1.000 2.000 2.000 Cádmio 0,4 3,2 6 5 5 20 Cromo 1,0 16 30 50 100 500 Cobalto 20 60 100 30 200 Cobre 15 45 75 1000 10 1.000 Manganês - - - 100 - - Mercúrio 0,05 0,18 0,3 1 - 20 Chumbo 15 45 75 50 15 100 Molibidênio 5 153 300 250 - 100 Níquel 15 45 75 80 100 1.000 Selênio - - - 10 50 50 Zinco 65 433 800 5000 - 10.000 Compostos inorgânicos Cianetos (livre) 5 753 1.500 100 200 400 Cianetos-complexados (pH<5) 10 755 1.500 - - - Cianetos-complexados (pH= ou >5) 10 755 1.500 - - - Tiocianetos (soma) - 755 1.500 - - - Compostos aromáticos Benzeno 0,2 15 30 10 5 5 Tolueno 0,2 500 1.000 1.600 40 100 Etilbenzeno 0,2 75 150 - - - Xileno (soma)1 0,2 35 70 30 20 60 Fenol 0,2 1.000 2.000 0,1 - - Creosol 2 D 100 200 - - - Catenol D 625 1.250 - - - Resorcinol - 300 600 - - - Hidroquinona - 400 800 - - - Compostos remanescentes Ciclohexano 0,5 7.500 15.000 - - - Ftalatos (soma)3 0,5 2,75 5 - - - Hidrocarbonetos de petróleo totais (TPH) 50 325 600 - - - Piridina 0,5 1,75 3 - - - Estireno 0,5 150 300 230 10 120 Tetrahidrofuram 0,5 0,75 1 - - - Tetrahidrotiofeno 0,5 15 30 - - - Hidrocarbonetos Clorados Diclorometano 0,01 500 1.000 - - - Triclorometano 0,01 200 400 - - - Tetraclorometano 0,01 5 10 - - - 1,1-dicloroetano 4 - 1.300 2.600 - - - 1,2-dicloroetano 0,01 200 400 10 5 50 1,1,1-tricloroetano 4 - 275 550 600 200 - 1,1,2-tricloroetano 4 - 750 1.500 - - - Vinilclorado - 0,35 0,7 - - - Cis 1,2-dicloeteno 4 - 650 1.300 - - - Tricloroeteno 0,01 250 500 - - - Tetracloroeteno 0,01 20 40 - - - Monoclorobenzeno 0,01 90 180 - - - Diclorobenzeno (soma) 0,01 25 50 40 - 0,1 Triclorobenzeno (soma) 0,01 5 10 - - - Tetraclorobenzeno (soma) 0,01 1,26 2,5 - - - Pentaclorobenzeno 0,01 0,5 1 - - - Hexaclorobenzeno 0,01 0,26 0,5 0,1 - - Monoclorofenol (soma) 0,25 50 100 - - - Diclorofenol (soma) 0,08 15 30 - - - Triclorofenol (soma) 0,025 5 10 10 - - Tabela 5.1.21 - Valores de referência de qualidade e intervenção de água subterrânea. 353 Cap_5.1_FFI.indd 29 9/12/2008 21:42:54 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Concentração em peso seco (mg.L1 ) Parâmetro Holanda SP EPA CEE S T I I I I Hidrocarbonetos Clorados Tetraclorofenol 0,01 5 10 - - - Pentaclorofenol 0,02 1,5 3 10 1 5 Cloronaftaleno - 3 6 - - - PCB (soma)5 0,01 0,01 0,01 - - - Pesticidas DDD, DDE, DDT (soma)6 D 0,005 0,01 1 - - Drins (soma)7 - 0,05 0,1 - - - Aldrin D - - 0,03 - 2 Dieldrin 0,00002 - - - - - Endrin D - - 0,15 2 0,5 HCH–compostos (soma)8 - 0,5 1 - - - Alfa – HCH D - - - - - Beta – HCH D - - - - - Gama – HCH (lindano) 0,0002 - - - - - Carbaril 0,01 0,06 0,1 - - - Carbofuran 0,01 0,06 0,1 - - - Maneb D 0,05 0,1 - - - Tabela 5.1.21 (continuação) - Valores de referência de qualidade e intervenção de solo - Padrão Holandês. 354 Cap_5.1_FFI.indd 30 9/12/2008 21:42:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Concentração em peso seco (mg.kg-1 ) Parâmetro Argila e MO = 0%. Argila = 25% e MO = 10% S T I S T I Inorgânicos Arsênio 15 21,7 28,4 29 42 55 Bário 39 80 121 200 413 625 Cádmio 0,4 3,3 6,1 0,8 6,4 12 Chumbo 50 181 312 85 308 530 Cobalto 4 29 53 20 130 240 Cobre 15 47 79 36 113 190 Cromo 50 120 190 100 240 380 Mercúrio 0,2 3,5 6,6 0,3 5,2 10 Molibidênio 10 105 200 10 105 200 Níquel 10 35 60 35 123 210 Zinco 50 154 257 140 430 720 Compostos Inorgânicos Cianetos (livre) 1 11 20 1 11 20 Cianetos-complexados (pH<5) 5 328 650 5 328 650 Cianetos-complexados (pH= ou >5) 5 28 50 5 28 50 Tiocianetos (soma) - 10 20 - 10 20 Compostos Aromáticos Benzeno 0,01 0,11 0,2 0,05 0,53 1 Tolueno 0,01 13 26 0,05 65 130 Etilbenzeno 0,01 5 10 0,05 25 50 Xileno (soma)1 0,01 2,5 5 0,05 12,5 25 Fenol 0,01 4 8 0,05 20 40 Creosol 2 - 0,5 1 - 2,5 5 Catenol - 2 4 - 10 20 Resorcinol - 1 2 - 5 10 Hidroquinona - 1 2 - 5 10 Compostos Remanescentes Ciclohexano 0,02 27 54 0,1 135,1 270 Ftalatos (soma)3 0,02 6 12 0,1 30,1 60 Hidrocarbonetos de petróleo totais (TPH) 10 505 1000 50 2.525 5.000 Piridina 0,02 0,11 0,2 0,1 0,55 1 Estireno 0,02 10 20 0,1 50,1 100 Tetrahidrofuram 0,02 0,05 0,08 0,1 0,25 0,4 Tetrahidrotiofeno 0,02 9 18 0,1 45,1 90 Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos PAH(soma 10)4 0,2 4,1 8 1 20,5 40 Hidrocarbonetos Clorados Diclorometano D 2 4 D 10 20 Triclorometano 0,0002 1 2 0,001 5 10 Tetraclorometano 0,0002 0,1 0,2 0,001 0,5 1 1,1-dicloroetano 5 - 25 50 - 25 50 1,2-dicloroetano - 0,4 0,8 - 2 4 1,1,1-tricloroetano 5 - 25 50 - 25 50 1,1,2-tricloroetano 5 - 25 50 - 25 50 Vinilclorado - 0,01 0,02 - 0,05 0,1 Cis 1,2-dicloeteno 5 - 25 50 - 25 50 Tricloroeteno 0,0002 6 12 0,001 30 60 Tetracloroeteno 0,002 0,4 0,8 0,01 2 4 Hidrocarbonetos clorados remanescentes - 2,5 50 - 25 50 Clorobenzeno (soma)6 - 3 6 - 15 30 Monoclorobenzeno D - - D - - Diclorobenzeno (soma) 0,002 - - 0,01 - - Triclorobenzeno (soma) 0,002 - - 0,01 - - Tetraclorobenzeno (soma) 0,002 - - 0,0025 - - Pentaclorobenzeno 0,0005 - - 0,0025 - - Hexaclorobenzeno 0,0005 - - 0,0025 - - Clorofenol (soma)7 - 1 2 - 5 10 Monoclorofenol (soma) 0,0005 - - 0,0025 - - Diclorofenol (soma) 0,0006 - - 0,003 - - Triclorofenol (soma) 0,0002 - - 0,001 - - Tetraclorofenol 0,0002 - - 0,001 - - Pentaclorofenol 0,0004 0,5 1 0,002 2,5 5 Cloronaftaleno - 1 2 - 5 10 PCB (soma)8 0,004 0,1 0,2 0,02 0,5 1 Tabela 5.1.22 - Valores de referência de qualidade e intervenção de solo - Padrão Holandês. 355 Cap_5.1_FFI.indd 31 9/12/2008 21:42:54 Capítulo 5.1 - Noções de Hidroquímica Concentração em peso seco (mg.kg-1 ) Parâmetro Argila e MO = 0%. Argila = 25% e MO = 10% S T I S T I Pesticidas DDD, DDE, DDT (soma)9 0,0005 0,4 0,8 0,0025 2 4 Drins (soma)10 - 0,4 0,8 - 2 4 Aldrin 0,0005 - - 0,0025 - - Dieldrin 0,0001 - - 0,0005 - - Endrin 0,0002 - - 0,001 - - HCH–compostos (soma)11 - 0,2 0,4 - 1 2 Alfa – HCH 0,0005 - - 0,0025 - - Beta – HCH 0,0002 - - 0,001 - - Gama – HCH (lindano) 0,00001 - - 0,00005 - - Clorados remanescentes - 2,5 5 - 2,5 5 Carbaril - 0,5 1 - 2,5 1 Carbofuran - 0,2 0,4 - 1 2 Maneb - 3,5 7 - 17,5 35 Atrazina - 3,5 7 0,00005 3 6 Não-clorados remanescentes - 5 10 - 5 10 Notas D - O valor de referência é menor do que o limite de detecção; 7 - Clorofenol (soma): soma de mono-, di-, tri-, tetra-, e 1 - Xileno (soma): somatório das formas meta-, ortho- e pentaclorofenol; paraxileno; 8 - Bifenilas policloradas (totais): para o valor de intervenção, 2 - Creosol (soma): somatório das formas meta-, ortho- e considerou-se as formas PCB 28, 52, 101, 118, 138, 153, e 180. paracreosol; Para os valores de referência a mesma soma foi utilizada excluindo- 3 - Ftalatos (soma): soma de ftalatos se o PCB 118; 4 - PAH (soma): hidrocarbonetos poliaromáticos totais; 9 - DDD, DDE, DDT (soma): soma de DDD, DDE e DDT; 5 - Os valores de intervenção foram calculados com base na circular 10 - Drins (soma): soma de Aldrin, Dieldrin e Endrin; “Intervention values soil remediation”. Netherlands Government 11 - HCH-compostos (soma): soma de alfa-, beta-, gama e delta- Gazete 95, de 24 de maio de 1994 e no RIVM report 725201007; HCH; 6 - Clorobenzeno (soma): soma do mono-, di-, tri-, tetra-, penta- e hexaclorobenzeno; Tabela 5.1.22 (continuação) - Valores de referência de qualidade e intervenção de solo - Padrão Holandês. Parâmetro São Paulo Holanda França VN VI (mg/Kg-1) ou ppm Multif. I NT E 75% Máximo APMax Agric. Resid. Indust. Alumínio (AL) 71.500 117.100 15.000 16.000 93.000 99000 - - - - Antimônio (Sb) < 25 < 25 4 5 20 25 - - - - Arsênio (As) 3,42 17,6 50 55 140 300 55 40 100 200 Bário (Ba) 75 223 230 300 800 1.100 625 200 400 1000 Cádmio(Cd) < 0,5 < 0,5 2 3 9 11 12 4 10 20 Chumbo(Pb) 17 23 100 140 350 800 530 200 500 1000 Cobalto(Co) 12,5 65 30 40 120 160 240 30 60 150 Cobre (Cu) 35,1 393 1.000 1.100 5000 7.000 190 200 500 1000 Cromo (Cr) 35,1 172,2 200 250 700 2.000 380 300 750 1500 Ferro (Fe) 77.825 198.500 - - - - - - - - Manganês (Mn) 461 2.330 - - - - - - - - Mercúrio(Hg) 0,05 0,08 15 20 60 130 10 2 5 10 Molibdênio(Mo) < 25 < 25 40 50 150 200 200 8 20 40 Níquel(Ni) 13,2 73,5 400 450 1.700 2.700 210 100 250 500 Prata (Ag) 0,25 15,4 15 20 50 100 - 20 50 100 Selênio(Se) 0,25 0,56 - - - - - 20 50 100 Vanádio(V) 274 818 - - - - - 200 500 1000 Zinco (Zn) 59,9 200 3500 4.000 13.000 17.000 720 600 1500 3000 Notas APMax - Área de Proteção Máxima VI - Valores de Intervenção para o Estado de SP. Agric. - Uso agrícola Multf. - Multifuncionalidade Resid. - Uso residencial I - Investigação Indúst. - Uso Industrial NT - Necessidade de Tratamento VN - Valores Naturais para o Estado de S. Paulo E - Emergência Tabela 5.1.23 - Valores de referência e intervenção nacionais e internacionais em solos (mg/kg) para substâncias inorgânicas (Casarini, 2000). 356 Cap_5.1_FFI.indd 32 9/12/2008 21:42:55 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Referências Survey. Water Supply Paper, [S.l.]n. 2254, 1985. 263 p. APPELO, C. A. J.; POSTMA, D. Geochemistry, groundwater and pollution. Rotterdam: Brookfield, HILL, M. J.; HAWKSWORTH, G.; TATTERSAL, G. 1993. 536 p. Bacteria nitrosamines and cancer of the Stomach. Br. J. Cancer. [S.l.] 1973. n. 28, p. 562-567. BATALHA, B. L.; PARLATORE, A. C. Controle de qualidade da água para consumo humano: bases LOGAN, J. Interpretação de análises químicas de conceituais e operacionais. São Paulo: CETESB, água. Recife: U.S. Agency for International Develop- 1977. 198 p. ment, 1965. 67 p. BOWER, H. Groundwater hidrology. New York: MATHESS, G. Die Beschaffenheit des Grundwassers. McGraw-Hill Book Company, 1978. 480 p. Berlin: Gebrüder Bornträger, 1973. v. 2. COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO MATHESS, G. The properties of groundwater. New AMBIENTAL. Água, qualidade, padrões de potabi- York: John Wiley & Sons, 1982. 406 p. lidade e poluição. São Paulo, 1974. 208 p. MONMANEY, T. Atração pelo ferro. Revista Nova COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO Ciência, [S.l.] 1992. v. 3, n. 4. AMBIENTAL. Guia de coleta e preservação de ORGANIZACIóN MUNDIAL DE LA SALUD. Virus amostras de água. São Paulo, 1988. 150 p. humanos en el agua, aguas servidas y suelo, Gene- COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO bra: OMS, 1979. (Série de Informes Técnicos, n. AMBIENTAL. Compilação de padrões ambientais. 639). São Paulo, 1990. PELCZAR, M.; REID, R.; CHAN, E. C. Microbiologia, CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE. [S.l.]: Ed.McGraw-Hill, Inc., 1997. v. 2. Resolução no 20 de junho de 1986. Brasília, 1986. RYZNAR, J. W. A new Index for determining amount 92 p., p. 72-79. of calcium carbonate scale formed by water. Journal COSTA, W. D. Análise dos fatores que influenciam American Water Work Association, [S.l.], 1944. v. na hidrogeologia do cristalino. São Paulo: CONESP; 36, n. 4, p. 472-486, Recife: SUDENE, 1965. SCHOELLER, H. Geochemie des eaux Souterraines. COSTA, W. D. Análise dos fatores que atuam no Revue de L’Institute Francais du Petrole, [S.l.], aqüífero fissural: área piloto dos estados da Paraíba 1955. v. 10, p. 230 - 244. e Rio Grande do Norte. 1986. Tese (Doutorado) - Uni- SCHOELLER, H. Les eaux souterraines. Paris: versidade de São Paulo, São Paulo, 1986. Masson et Cie., 1962. 642 p., cap. 7. CUSTODIO, E. Notas sobre hidroquímica. Bar- SZIKSZAY, M. Geoquímica das águas. Boletim IG- celona: Comisaría de Aguas del Pirineo Oriental y USP. Série Didática, 1993. São Paulo, v. 5, p. 1-166. Servicio Geológico de Obras Públicas, 1965. 103 p. CUSTODIO, E. Contribuciones al conocimiento geohidroquímico de la Isla de Lanzarote (Islas Canarias, España). In: SIMPOSIO INTERNACIONAL SOBRE HIDROLOGÍA DE TERRENOS VOLCÁNICOS. 1974. Arrecife Lanzarote: UNESCO-PNUD, 1974. CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subter- ránea. 2. ed. Barcelona: Omega, 1983. 2 v. DRISCOLL, F. G. Groundwater and wells. 2 ed. Min- nesota: H. N. Smyth Comp. Inc., 1986. p. 796-820. FENZL, N. Introdução à hidrogeoquímica. Belém: Universidade Federal do Pára, 1988. 188 p. FETTER, C. W. Applied hydrogeology. 3. ed. Oshkosh: University of Wisconsin, 1994. p. 389. BRASIL. Fundação Nacional de Saúde. Manual de saneamento. 3. ed. rev. Brasília: FUNASA, 2006. 408 p. HEM, J. D. Study and interpretation of the chemical characteristics of natural water. U. S. Geological 357 Cap_5.1_FFI.indd 33 9/12/2008 21:42:55 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 5.2 GeoquímICa das ÁGuas subterrâneas Suely Schuartz Pacheco Mestrinho 5.2.1 Introdução 5.2.2 Conceitos Fundamentais Ciclo Hidrológico versus Ciclo Geológico Ageoquímica das águas subterrâneas, também referida como hidrogeoquímica, é O ciclo hidrológico representa o percurso da uma ciência multidisciplinar que relaciona a água desde a atmosfera, passando por várias fases composição química da água aos processos e reações que englobam: precipitação, infiltração, escoamento no ambiente de subsuperfície. O enfoque principal subterrâneo, escoamento superficial, evaporação da hidrogeoquímica é a compreensão da origem e evapotranspiração. O ciclo se inicia a partir da e evolução química dos constituintes presentes na condensação do vapor d’água na atmosfera formando água, em decorrência dos processos físico-químico- nuvens que caem como chuva. No solo, parte do biogeoquímicos que acontecem durante o fluxo da volume precipitado é interceptada pelas plantas, água subterrânea nos aqüíferos, desde a zona de enquanto outra se infiltra em subsuperfície, promovendo recarga até os exutórios naturais. a re-hidratação dos solos e a recarga das reservas Em geral, a composição da água subterrânea freáticas. O excesso não infiltrado gera o escoamento é função da rocha através da qual ela percola. superficial que alimenta os córregos, rios e lagos. Nas últimas décadas, o avanço do conhecimento As águas de escoamento superficial e as descargas da hidrogeoquímica tem permitido a avaliação naturais do escoamento subterrâneo, eventualmente, da influência conjunta das interações entre fases dirigem-se ao oceano de onde retornam à atmosfera líquidas, sólidas e gasosas durante o movimento da por evaporação. A umidade do solo aproveitada pelas raízes dos vegetais é devolvida à atmosfera, na forma água. As principais interações incluem processos de vapor d’água, por evapotranspiração. de dissolução de gases e de minerais, reações de A água que circula no ciclo hidrológico só é pura troca iônica, redox, ácido-base, complexação e de no estado de vapor d’água. Durante a condensação precipitação. A biotransformação de compostos são incorporadas impurezas da atmosfera presentes orgânicos por ação dos microorganismos também como aerossóis e gases. Na superfície a água dissolve exerce impactos sobre os elementos biologicamente uma série de substâncias associadas às formações ativos. A compreensão dos processos físico- geológicas, vegetação e atividades antrópicas. A químico-biogeoquímicos, combinados às condições parcela de água infiltrada no solo pode percolar em hidrogeológicas e climáticas do meio, permitem uma profundidade ou emergir na superfície através das melhor interpretação da interação água/rocha e da fontes, rios ou oceanos. Um curso de água superficial qualidade da água para determinado uso. À parte pode alimentar reservatórios subterrâneos quando dos fatores naturais, os efeitos da poluição, também, seu nível de base é mais elevado do que aquele da devem ser considerados. superfície freática ou o leito do rio ou o fundo do lago é Neste capítulo, são tratados aspectos fundamentais permeável. Em geral, o reabastecimento das reservas para o estudo da geoquímica das águas subterrâneas. subterrâneas depende do regime de precipitações, Inicialmente, são apresentados conceitos relacionados fluxo de água superficial e permeabilidade da zona à origem da água e aos fluxos subterrâneos. Em não saturada. seguida, são abordados outros tópicos tais como: A água subterrânea que integra o ciclo hidrológico princípios básicos da hidrogeoquímica, fatores tem sua origem vinculada à água meteórica, mas outros influentes na mineralização e variação da composição tipos de águas podem estar relacionados ao ciclo química das águas no fluxo, interpretação dos geológico ou de formação das rochas. São elas: a água dados de qualidade da água e comentários sobre a termal, associada ao ciclo hidrológico ou à atividade hidrogeoquímica em climas tropicais. Finalizando, são de vulcanismo; a água fóssil, aprisionada durante a propostos exercícios de aplicação prática envolvendo formação de rochas sedimentares; e a água juvenil esta temática. com origem magmática, vulcânica ou cósmica. 359 Cap_5.2_FFI.indd 1 9/12/2008 21:38:50 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas A figura 5.2.1 mostra as interações entre os • magmática - água acumulada durante a cristalização ciclos hidrológico e geológico, entendidas como de magmas, vinculando constituintes voláteis como processos hidrogeológicos que relacionam águas F, Cl, S, C, P, B etc. Experiências de laboratório de origem diversa e transferência de fluxo entre os indicam que a cristalização de 1 km3 de magma diferentes sistemas. granítico libera 12 litros de água por dia durante 1 milhão de anos (Rebouças, 1998). Via de regra, a origem das Águas subterrâneas composição química não depende da natureza da rocha, a concentração de sais e a temperatura são relativamente constantes, e é do tipo hipertermal; Água meteórica • mista - água resultante da combinação da água É a água de superfície que se infiltra em profundidade. meteórica com a juvenil proveniente de um O tempo de percolação pode variar de dezenas a veio hidrotermal ou outro evento magmático. A milhares de anos. Durante o percurso descendente, composição química é próxima à da água que a água aumenta sua temperatura, em conseqüência predomina na mistura; do gradiente geotérmico e de reações químicas. A • reações químicas - água liberada das reações composição química, via de regra, é um reflexo da químicas que ocorrem na crosta terrestre. geologia e condições de pressão e temperatura. Admite-se que a maioria das águas subterrâneas tem Águas Fósseis origem meteórica. Como o nome sugere, são águas antigas Águas Juvenis aprisionadas em sedimentos, a profundidades >1000 metros. Como o tempo de contato com os minerais Eventos magmáticos como plutonismo ou é grande, apresenta elevados teores de sais e não vulcanismo formam as águas juvenis. É um tipo de conservam a sua composição química original. água menos abundante, gerada em condição de pressão e temperatura mais altas, com característica Características das Zonas Hídricas em química e físico-química comum às águas minerais: maior temperatura e CO2, e presença de elementos subsuperfície distintos. Admitem-se as seguintes origens para as As zonas hídricas em subsuperfície se classificam, águas juvenis: com base nos seus atributos hidrológicos e condição • Vulcânica - água correlacionada à fase final de de saturação, em zona não saturada (ZNS) e zona uma atividade vulcânica, em vias de extinção; é saturada (ZS). Estas zonas são ilustradas na figura formada a partir de exalações de vapor d’água 5.2.2., associadas aos componentes do ciclo acompanhadas de CO2, N2, H2S, HCl, HF e SO2; hidrológico natural e antrópico. Como citado por Figura 5.2.1 - Integração dos ciclos hidrológico e geológico na origem das águas subterrâneas (adaptado de Houslow, 1995). 360 Cap_5.2_FFI.indd 2 9/12/2008 21:38:50 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 5.2.2 - Zonas hídricas em subsuperfície (Mestrinho, 2006a). Rebouças (1994), a percepção de que as águas antrópica que influenciam a qualidade da água na ZNS. nestas zonas estão ligadas por processos hidrológicos Na ZNS com espessura significativa, os processos de recarga e transporte, e pelos mecanismos hidro físico-bioquímicos podem promover transformação e biogeoquímicos de transformação da qualidade, ou retardamento de elementos presentes nas águas conduz ao termo água subterrânea para designar, de infiltração. em um conceito atual, todas as águas que ocorrem em subsuperfície, embora os volumes estocados na Zona saturada zona saturada sejam maiores. As características de porosidade, permeabilidade e espessura das zonas A ZS é considerada único reservatório ou sistema em subsuperfície determinam a comunicação com de reservatórios naturais com poros e/ou fraturas o ambiente superficial e transporte de substâncias das formações geológicas preenchidos por água. A dissolvidas. Estes fatores influenciam a natureza das espessura varia de centímetros a dezenas de metros em reações químicas e a qualidade da água. climas semi-áridos, ou centenas de metros, em clima úmido. A água pode ser encontrada em uma formação Zona não saturada contínua ou em camadas separadas, constituindo os meios aqüíferos. Em maior profundidade, o movimento A ZNS pode ser dividida em três componentes: (a) da água é lento, o que favorece o intemperismo químico a zona das raízes, uma faixa com alta porosidade e dos minerais, em conseqüência do maior tempo permeabilidade, penetrada pelas raízes das plantas; (b) de trânsito, pressão e tensão de CO . As reações a zona vadosa ou intermediária, de espessura variável 2 e com sedimentos de granulometria variável, composta comuns à ZNS também ocorrem na ZS, embora de das águas gravitacional, pelicular e capilar; (c) a franja forma mais intensa em função do maior tempo de capilar, que representa o limite entre a ZNS e a ZS. interação água-rocha. A composição química da água Na ZNS coexistem três fases: o material sólido subterrânea é condicionada à litologia, mas também é poroso de origem geológica ou orgânica; a fase líquida, influenciada por outros fatores tais como: composição com água e os solutos; e a fase gasosa, composta e volume da água de recarga; tipo de ambiente pelo ar com vapor d’água, N2, CO , O e, em menor geológico; características hidrogeológicas do sistema; 2 2 proporção, NH3 e N2O, resultado das atividades características inerentes à água do aqüífero (pH, Eh, biológicas. Em geral, o fluxo de água é lento, multifásico solubilidade, agressividade etc.); reações químicas e em condições aeróbica e alcalina. A ZNS representa e biológicas no fluxo subterrâneo. As características um elo entre as águas da chuva, subterrânea e climáticas também devem ser consideradas, pois superficial. Durante sua infiltração, a água meteórica podem definir a espessura da ZNS e influenciar na interage com componentes de origem natural e recarga. 361 Cap_5.2_FFI.indd 3 9/12/2008 21:38:52 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas sistemas de Fluxos subterrâneos trocados com a atmosfera favorecem as condições oxidantes ou aeróbicas. No sistema intermediário, o Em bacias fechadas, os fluxos subterrâneos têm transporte de O2 é limitado, promovendo condições sido zoneados em três sistemas (Domenico e Schwartz, redutoras e anaeróbicas. Os sistemas regionais, na 1990; Chapelle, 1993): (a) Sistema de fluxo local (zona prática, são considerados isolados da atmosfera. superior de fluxo ativo influenciado pela recarga local); (b) Sistema de fluxo intermediário (zona média, de fluxo mais profundo, moderadamente afetado pelos 5.2.3 Fundamentos da Hidrogeo- eventos de recarga local); e, (c) Sistema regional química (zona mais inferior, não afetada pela recarga local). Aos dois primeiros são associados setores de fluxos A geoquímica das águas é uma matéria relativamente descendentes e ascendentes, com zonas impermeáveis nova e tem sido utilizada como instrumento de apoio intersistemas. Este zoneamento é reconhecido com em diversas áreas. O conhecimento dos processos base empírica e deriva da noção de profundidade. físicos, químicos e bioquímicos nas águas facilita a A tabela 5.2.1 reúne as principais características do interpretação de dados hidroquímicos, uma vez que a fluxo nas ZNS e ZS, com ênfase especial no grau de química do sistema aquático é complexa, com grande conexão com a superfície. Os aspectos hidrodinâmicos número de variáveis envolvidas. Nestes sistemas relacionados a estes sistemas são os seguintes: interagem água, minerais, gases e microorganismos. Um pré-requisito nos estudos de hidrogeoquímica é o • sistema de fluxo local - a recarga está associada às entendimento dos processos que ocorrem associados áreas de topografia mais alta, enquanto a descarga, às águas naturais e aos problemas de contaminação. às mais baixas adjacentes. São aqüíferos rasos, e Se um poluente está presente, os processos atuantes hidrologicamente ativos por infiltração direta da água promovem mudanças no seu estado físico ou forma meteórica. Em climas úmidos e temperados, a taxa química, podendo atenuar seu efeito, retardar a de recarga e descarga é significativa e a velocidade circulação ou mesmo removê-lo do sistema. A seguir, do fluxo pode alcançar a ordem de m/dia; são discutidos processos e reações que ocorrem nos • sistema de fluxo intermediário - uma ou mais fluxos subterrâneos e durante a interação água-rocha, áreas de topografia baixa separam as áreas de temas de fundamental importância para a compreensão recarga e descarga. Correspondem aos sistemas e solução dos problemas relacionados à proteção e ao aqüíferos confinados com profundidade moderada uso das águas subterrâneas. (até 300 m). A velocidade de recarga é baixa, principalmente em regiões áridas (0,1 cm/ano). A Processos Físico-químico-biogeoquímicos condição de clima úmido e de rochas permeáveis nas Águas subterrâneas favorece maior velocidade de fluxo; e • sistema de fluxo regional - a área de recarga se As reações e processos f ís ico-químico- encontra muito afastada da descarga. O caminho biogeoquímicos que ocorrem nas zonas não de fluxo é longo, com muito baixa velocidade, o saturada e saturada determinam o tipo e quantidade que promove intensa mineralização da água. São de constituintes presentes na água. Os principais pouco explorados. processos são (Mestrinho, 2006a): dissolução de gases; reação de ácido-base; sorção e troca iônica; O grau de conexão com a superfície influencia dissolução/precipitação de minerais; oxidação- os processos hidrobiogeoquímicos nos diferentes redução e os processos biológicos ou reações ambientes. No sistema de fluxo local, os gases de biotransformação. A compreensão destes Zonas / Fluxo Condição de Conexão com a Velocidade do Fluxo (Sistema Aqüífero) Aeração Superfície Zona não Saturada Rápida (1 m/dia) Aeróbico Extensa Zona Saturada / Fluxo Local Rápida (1 cm/dia) Aeróbico Extensa (Aqüíferos Livres) Zona Saturada / Fluxo Intermediário (Aqüíferos Confinados – Drenantes Baixa (0,1 - 1 m/ano) Anaeróbico Pequena e não Drenantes) Zona Saturada / Fluxo Regional Virtualmente não Quase estagnado Anaeróbico (Aqüíferos Confinados Profundos) existe tabela 5.2.1 - Classificação e atributos hidrogeológicos dos ambientes de subsuperfície (adaptado de Chapelle, 1993, como citado em Mestrinho e Alberich, 2006). 362 Cap_5.2_FFI.indd 4 9/12/2008 21:38:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações processos requer o conhecimento de conceitos da A lei de Henry não considera as reações químicas química e da microbiologia da água, exigindo do do gás em solução e, portanto, não se aplica bem hidrogeólogo um movimento no sentido de atender aos gases que reagem com a água como amônia e à interdisciplinaridade necessária aos objetivos da gás carbônico. Na transformação do CO2 em ácido hidrogeologia moderna. carbônico (H2CO3), numa proporção de 1%, o desvio Antes da discussão dos processos, é importante é pequeno. Os gases comuns na atmosfera, tais como uma breve introdução sobre o conceito de equilíbrio N2, Ar, O2, H2 e He, são solúveis na água e apresentam químico. A reação de equilíbrio químico entre duas valores de solubilidade próximos, sem variação substâncias A e B para formar os produtos C e D, pode significativa com a temperatura. As solubilidades do ser expressa pela equação: CO2, H2S e NH3 são maiores. Destes gases, o O2 e A + B ⇔ C + D (5.2.1) o CO2 são de particular importância nos processos hidrogeoquímicos. O estado de equilíbrio químico significa que a reação é reversível e apresenta a mesma velocidade o2 na Água nos dois sentidos. A constante de equilíbrio da reação é dada por: A maior parte do oxigênio presente nas águas naturais vem da atmosfera, por aeração, e da = [C][D]K (5.2.2) fotossíntese dos vegetais clorofilados, que repõe o O2 [A][B] dissolvido na água por oxigenação. São processos onde [A], [B], [C] e [D] representam as concentrações comuns às águas superficiais e que não acontecem (em moles/L) das espécies envolvidas durante o diretamente nas águas subterrâneas. Nos sistemas de equilíbrio. fluxo local, a infiltração da água meteórica com oxigênio dissolvido conduz a uma condição aeróbica em A constante de equilíbrio químico pode ser subsuperfície, principalmente quando a permeabilidade expressa conforme a natureza da respectiva reação - hidráulica do sistema permite uma circulação rápida da é a constante de hidrólise para a reação de hidrólise, água. Nos sistemas de fluxo intermediário e regional, da mesma forma para as reações de precipitação, condições anaeróbicas são mais freqüentes. Em formação de complexos, redox etc. Para grande parte geral, o nível de oxigênio dissolvido (OD) nas águas das substâncias presentes na água, os valores destas subterrâneas é baixo, devido ao consumo por parte dos constantes, a temperatura de 25oC, são encontrados microorganismos terrestres e reações de oxidação de nos apêndices dos livros clássicos de química e devem minerais de Fe, S e Mn. A solubilidade do oxigênio na ser corrigidos para a temperatura da água. Maior o valor água também é baixa (9 mg/L a 20ºC), e sua ausência de K implica em maior tendência da reação acontecer favorece as fermentações anaeróbicas cujos produtos no sentido da formação dos produtos. O valor da conferem gosto desagradável à água, tais como: CO , constante de equilíbrio de uma reação particular indica 2Fe(II), sulfetos ou metano. a direção e extensão na qual a reação ocorrerá, mas esta interpretação deve ser cautelosa uma vez que o equilíbrio Co na Água químico das reações na água pode ser alterado por 2 outros fatores, como adição e remoção dos reagentes A origem do CO2 é múltipla e sua magnitude varia e produtos, variação da temperatura, tempo de contato durante o percurso da água meteórica até zonas entre as fases etc. mais profundas. Como a quantidade natural de CO2 na atmosfera é relativamente baixa (350 mg/L), na dissolução dos Gases água da chuva o CO2 dissolvido é baixo. As fontes mais expressivas de CO2 nas águas estão associadas A dissolução de gases na água modifica sua qualidade. A presença de CO2, por exemplo, influencia na alcalinidade e agressividade. Concentrações de H2S superiores a 1 mg/L torna a água imprópria para consumo humano. O acúmulo de CH4 nos poços de exploração de águas subterrâneas pode até causar explosões (Freeze e Cherry, 1979). A solubilidade de um gás específico, em geral, decresce com a temperatura, e é definida pela lei de Henry: λ = K . P (5.2.3) sendo, λ a solubilidade do gás em um litro de água (moles/m3), P a pressão parcial do gás (atmosferas) e K uma constante, função da temperatura (At. m3/ Figura 5.2.3 - Distribuição das espécies para o sistema CO2 moles). - HCO -3 - CO 2-3 na água (modificado de Manahan, 1993). 363 Cap_5.2_FFI.indd 5 9/12/2008 21:38:52 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas às reações químicas e biológicas no solo, como de forma mais efetiva e aumentam a mobilidade biotransformação da matéria orgânica, dissolução dos dos elementos nas zonas não saturada e saturada. carbonatos dos sedimentos e fenômenos de origem Quando o pH é básico (pH > 7), os metais podem ser magmática das águas juvenis. No solo, a produção é imobilizados por precipitação como hidróxidos. Valores máxima na parte superior (± 20 cm), onde a matéria de pH elevados não são comuns em águas naturais, orgânica e os microorganismos são abundantes. As porque a dissolução do CO2 na água, produzindo reações de equilíbrio químico do CO2 dissolvido nas íons H +, favorece a neutralização. Na decomposição águas são as seguintes: da matéria orgânica do solo são produzidos ácidos orgânicos que se dissociam em íons carboxila (COOH-) CO2 + H2O ⇔ H2CO3 (aq) (5.2.4) e H+, reduzindo o pH do meio. Uma base é a substância que produz o íon hidróxido H + - -2CO3 ⇔ H + HCO3 (5.2.5) (OH ) quando dissolvida na água, ou, ainda, uma substância que aceita H+ (prótons). As bases inorgânicas HCO - ⇔ H+ + CO 2- (5.2.6) são compostas de um metal junto a um ou mais íons 3 3 hidróxidos (NaOH, Ca(OH)2 etc.). Outras bases, como O equilíbrio entre dióxido de carbono (CO ), íons a amônia (NH3), não contêm o OH -, mas reagem com a 2 bicarbonato (HCO -) e carbonato (CO 2-) têm um efeito água para produzi-lo como mostra a reação:3 3 tampão sobre o pH da água, razão pela qual a faixa + - de variação do pH é relativamente pequena nas águas NH3 + H2O ⇒ NH4 + OH (5.2.9) naturais (5-9). A figura 5.2.3 apresenta o domínio da Quando um ácido forte reage com uma base fraca, distribuição das espécies do equilíbrio CO - - HCO -2 3 - libera H+, reduzindo o pH do meio. No caso de uma CO 2-3 na água em função do pH. O íon bicarbonato é base forte e um ácido fraco, libera o OH-, e aumenta a espécie predominante na faixa de pH encontrada o pH da água. A reação geral entre um ácido e uma na maioria das águas. O CO2 predomina em águas base pode ser escrita como: ácidas, como algumas águas termais, vulcânicas ou contaminadas. Analiticamente, é muito difícil distinguir Ácido1 + Base2 ⇔ Ácido2 + Base1 (5.2.10) as espécies CO2 e H2CO3 dissolvidas na água. A soma das duas espécies é representada nas reações, de a Base1 é dita como conjugada do Ácido1. forma hipotética, pelo H2CO3. A alcalinidade da água Reações de ácido-base acontecem nas zonas resulta, principalmente, da dissociação do H2CO3, não saturada e saturada em subsuperfície. As representada pela concentração do íon HCO -3 (em mais significativas envolvem o CO2, as espécies meq/L ou mmol/L). dissolvidas do carbono inorgânico como CO 2- e A formação do HCO -3 e CO 2- 3 aumenta a solubilidade 3 HCO -3 e os minerais carbonatos, e controlam o pH de CO2, e águas com altos níveis de CO2 dissolvem das águas. Na dissolução dos carbonatos abaixo, o carbonatos na seguinte ordem decrescente de íon carbonato atua como Base1, aceitando o próton solubilidade: magnesita, aragonita, calcita, dolomita, doado pela água, que funciona como um Ácido1 e siderita e rodocrosita. A dissolução do CO2 depende produz um ácido fraco aumentando o pH. da Temperatura, Pressão, [HCO -3 ] e da atividade ou pressão parcial do CO2. A reação geral é: CO 2-3 + H2O ⇔ HCO - - 3 + OH (5.2.11) CaCO +CO + H O ⇔ Ca2++ 2HCO - (5.2.7) Base Ácido Ácido Base3 2(aq) 2 3 Águas ácidas associadas a depósitos de sulfetos, reação Ácido-base podem ser neutralizadas no contato com calcários. A maioria dos compostos inorgânicos e orgânicos Muitos fenômenos na química aquática envolvem o presentes nas águas é classificada como ácido base equilíbrio ácido-base. Para explicar porque o pH da água da chuva é ligeiramente ácido, o ponto de partida é ou sal. Um ácido é definido como uma substância que + o equilíbrio químico da dissolução do CO da atmosfera se dissolve na água para produzir H (prótons), como 2na água da chuva, chegando-se à concentração de H+ mostra a reação de dissolução do ácido clorídrico calculada da reação de equilíbrio: (HCl) na água: CO2 + H2O ⇔ H + + HCO - H O 3 (5.2.12) 2 (5.2.8) HCl ⇒ H+(g) + (aq) + Cl - (aq) A constante de equilíbrio da reação é dada por: As reações de ácido–base têm efeito significativo [H+ ][HCO− ] sobre os valores do pH, o qual é definido pelo logaritmo K = 3 (5.2.13) negativo da concentração de íons hidrogênio na [CO2 ] solução. Águas ácidas (pH < 7) atacam os minerais 364 Cap_5.2_FFI.indd 6 9/12/2008 21:38:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações onde K = 1,14 x 10-5 moles/L; concentração média de se difunde através da superfície interior do meio [CO2] na atmosfera 350 ppm. No equilíbrio, [H +] = poroso. Todos representam processos de sorção, [HCO -3 ] = 2,25 x 10 -6 moles/L. Sendo pH = - log[H+], o descritos pela reação: valor encontrado para o pH da água da chuva é de 5,6. 2+ - - Neste caso, o 5,6 ≤ pH < 7 não significa chuva ácida. M + XO ⇔ XOM (5.2.15) Quando o íon adsorvido pelo mineral troca sua reações de Complexação - quelação posição com um íon dissolvido na água, preservando A formação de complexos tem um papel importante a estequiometria do mineral, tem-se a troca de íons. na química da água, pois aumenta a mobilidade de É de cátions, quando a espécie envolvida é um metais associados e influencia sua concentração cátion. A quantidade de íons trocáveis, incluindo o + livre na água. Metais tóxicos como Cd, Pb, Cu, Pb, U H , em meq/100 g de sólido a pH = 7, é conhecida ou Pu, quando na forma de íons complexos, podem como capacidade de troca (Q). A troca de cátions é ser transportados durante o fluxo subterrâneo. Numa representada pelas reações: reação de complexação, um cátion metálico se A+ + B+R- ⇔ A+R- + B+ (5.2.16) combina com agrupamentos de íons ou moléculas (doadores de elétrons), de natureza inorgânica ou Mg2+ Mg2+ orgânica, denominados de ligantes. A reação é Ca2+ + 2 Na+ - argila ⇔ 2 Na+ + Ca2+ - argila expressa por: Fe2+ Fe2+ aM z+ + bL -y ⇔ MaLb az - b (5.2.14) No caso de águas ricas em sódio percolando através de argilas com alta concentração de cálcio onde, m é um cátion metálico com carga z+, L um (montmorilonita), a troca de íon pode ser reversa, ou ligante com carga y- (íons ou moléculas ligados seja, diminui o teor de Na+ na água e aumenta o Ca2+. ao átomo metálico central) e a, b são coeficientes O processo é observado em intrusões salinas. estequiométricos. Os materiais que se comportam como adsorventes são os minerais de argila ou oxi-hidróxidos de Fe Exemplos: e Al e as substâncias orgânicas, especialmente o Mn 2+ + Cl- ⇔ Mn Cl- húmus. Ambos são colóides com excesso de carga superficial negativa, capazes de fixar e trocar cátions. Cr3+ + OH- ⇔ Cr (OH)2+ A carga em excesso resulta da substituição de um Complexo é todo composto contendo um íon ou cátion da estrutura por outro de menor valência. O átomo metálico em posição central em relação aos inverso acontece para a troca de anions. Os minerais ligantes, ligados por covalência de coordenação. A argilosos com capacidade de troca de cátions e fórmula química é tradicionalmente colocada entre anions expressiva são: alofano, caulinita, haloisita, colchetes: [Cr(H2O) 3+ 6] , [CoCl 2- 4] . Alguns ligantes montmorilonita, ilita, clorita, vermiculita, sepiolita etc. podem estar ligados ao átomo metálico central por As argilas formam um grupo de minerais secundários mais de um ponto de ligação. Os complexos desse microcristalinos estáveis, presentes na ZNS e em rochas tipo são chamados quelatos e os ligantes de agentes sedimentares, derivados da decomposição de minerais quelantes ou ligantes de quelação. Agentes quelantes primários da rocha original (olivina, augita, hornblenda estão presentes em diversas fontes de poluentes. e feldspatos). São silicatos de alumínio hidratados Os ligantes SO 2-, Cl-, HCO - e OH-, encontrados contendo outros íons como Ca 2+, Fe3+, Mg2+, Al3+, K+, e 4 3 Na+nas águas, podem formar complexos com os cátions . Estruturalmente, são minerais caracterizados pelo mais abundantes como Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe3+, Cu2+, empilhamento de duas unidades diferentes: “folhas” Zn2+ etc. As substâncias húmicas presentes na água e de óxido de silício alternadas com “folhas” de óxido solos são agentes complexantes poderosos. A grande de alumínio. Estas unidades estão ligadas entre si, concentração de matéria orgânica e de minerais pelos oxigênios comuns a ambas; o que diferencia os argilosos na zona não saturada favorece reações grupos é o número de unidades em suas estruturas e conjugadas de complexação e sorção de complexos a facilidade de substituição do silício ou do alumínio organometálicos. por outros elementos. A caulinita é formada por uma “folha” (Si4O10) ligada a outra de alumínio-hidroxila. A adsorção e troca Iônica estrutura é denominada 1:1 ou de duas camadas e possui pouca possibilidade de substituição, ao inverso Muitos minerais e substâncias orgânicas são da montmorilonita que apresenta uma estrutura 2:1. capazes de atrair moléculas de água ou íons por Minerais de argila podem ter um excesso de carga simples adsorção, em função de forças eletrostáticas negativa resultante de substituições na rede cristalina do tipo de Van Der Walls. A adsorção química e/ou do rompimento de ligações em suas arestas. A decorre da reação química entre o íon adsorvido e a compensação de cargas acontece por associação com superfície sólida adsorvente. Na absorção, um soluto outros cátions da água. A capacidade de troca depende 365 Cap_5.2_FFI.indd 7 9/12/2008 21:38:52 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas da intensidade das ligações dos íons trocáveis, que coprecipitação; muitos metais pesados e substâncias geralmente aumenta com a carga elétrica. O H+ é uma radioativas nos solos podem ser fixados junto aos exceção, porque se comporta como um íon bi ou às oxihidratos de Mn e Fe. Os ânions OH-, CO 2-3 e vezes tri-valente em função do pH. No caso dos íons SO 2-4 nas águas naturais e de despejos, formam NH +4 e K +, apesar de monovalentes, possuem raios precipitados com alguns cátions metálicos. Nas águas maiores que dificultam a troca iônica. subterrâneas, as espécies dissolvidas podem precipitar com o aumento da evaporação (climas áridos) ou solubilidade e Precipitação quando águas de diferentes composições se misturam. Alguns minerais precipitam e se dissolvem de forma Substâncias na água existem na forma de sólidos rápida, como acontece com a calcita. São situações suspensos, colóides e como íons em solução. A água de desequilíbrio químico, e nesta condição, para um como bom solvente da natureza dissolve substâncias mineral AmBn, o produto de solubilidade [A +]m[B]n é quando em contato. A solubilidade de uma substância denominado Produto de atividade Iônica – PaI e o é definida como sua concentração de saturação em água pura, a uma dada temperatura, expressa em g/L, índice de saturação – Is das espécies A e B na água mg/L ou kg/cm3. A presença de uma espécie dissolvida é definido por: tem influência significativa sobre a solubilidade de outra IS = log (PAI/Ks) (5.2.19) espécie, particularmente quando existe um íon comum a ambas. Neste caso, a solubilidade diminui devido ao O índice de saturação é um parâmetro útil para efeito do íon comum ou aumenta com a força iônica determinar o estado de equilíbrio da água no aqüífero. da solução. Durante a solubilização da dolomita, por IS > 0 indica água supersaturada, com precipitação; exemplo, pode haver precipitação da calcita e liberação IS = 0 estado de “equilíbrio” fase mineral e água; e de Mg2+ para água. É o processo de dedolomitização, IS < 0 água insaturada, com dissolução mineral. que ocorre pela saturação de cálcio na água e o efeito do íon carbonato, comum às duas espécies. A reação reações de oxidação-redução é a seguinte: As reações de oxidação-redução ou de redox CaMg(CO3)2 + Ca 2+ ⇒ 2CaCO + Mg2+ (5.2.17) acontecem pela transferência de elétrons entre 3 reagentes e produtos. Muitas reações são catalisadas Na dissolução de um mineral pouco solúvel AmBn, por microorganismos, do tipo bactérias, e determinam o equilíbrio químico entre a fase sólida e a sua solução a natureza de espécies químicas nas águas, como: de saturação pode ser representado pela reação: carbono, nitrogênio, oxigênio, enxofre, ferro e manganês. A reação de redox envolve a transferência AmBn (s) ⇔ mA + - (aq) + nB (aq) (5.2.18) de elétrons e elementos que ocorrem em mais de um A constante de equilíbrio Ks = [A +]m [B-]n é chamada estado de valência. Se um elétron é ganho, existe perda de produto de solubilidade e varia com a temperatura. de valência positiva ou redução. A reação de redução O tamanho relativo da constante de equilíbrio indica a pode ser representada pelos exemplos: solubilidade do sólido na água pura. Sais de cloretos Estado oxidado+elétron ⇔ Estado reduzido (5.2.20) e sulfatos (log Ks entre 1,54 e -4,62) são fases mais solúveis que os sulfetos e hidróxidos (log K entre -11,1 Fe3+ + e- ⇔ Fe2+s e -27,5). A capacidade da água dissolver substâncias Por analogia, a oxidação é a perda de elétrons ou aumenta com a presença de ácidos orgânicos e de valência negativa. Juntas, as duas reações são inorgânicos e com a temperatura. O tempo de contato referidas como reações de oxidação-redução ou de também deve ser considerado. redox. Uma completa reação de redox será: A precipitação ocorre por saturação da solução, através da reação com o soluto ou mudanças de pH Ox1 + Red2 ⇔ Red1 + Ox2 (5.2.21) e Eh do meio. A espécie que estava em solução, na Exemplo: O + 4Fe2+ + 4H+ ⇔ 2H O + 4Fe3+ forma de íons livres, passa para o estado sólido após o 2 2 equilíbrio químico. Com o aumento do pH muitos metais Ox1 e Red2 são referidos, respectivamente, como precipitam na água. De forma análoga à solubilidade, agente oxidante e agente redutor, ou aqueles que a precipitação ocorre quando duas soluções são promovem a oxidação e a redução. O fluxo de elétrons misturadas e o produto das concentrações iônicas, na solução pode ser avaliado pelo pe ou potencial elevadas a uma potência dada pelos coeficientes na de elétrons, definido como o logaritmo negativo da equação, excede o produto de solubilidade Ks. Esta concentração de elétrons. Cada reação é caracterizada condição não é única. pelo seu potencial de redox chamado de Eh, o qual A precipitação se inicia com a formação de define a habilidade de um ambiente natural de conduzir núcleos primários, prosseguindo com o crescimento um processo de redox. O Eh pode ser calculado da ou formação de novos núcleos. Os precipitados equação de Nernst (5.2.22) e é relacionado ao pe incorporam outros íons da solução, por efeito da através da equação (5.2.23). 366 Cap_5.2_FFI.indd 8 9/12/2008 21:38:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações RT [Ox] Eh = Eo + ln (5.2.22)nF [Red] Eh = pe/16,9 (5.2.23) sendo, eh o potencial de oxidação da solução em volts, eo o potencial padrão da reação de redox em volts, r a constante dos gases, 0,00199kcal/(mol.K), t a temperatura em graus Kelvin, F a constante de Faraday, 23,06kcal/V e n o número de elétrons envolvidos na reação. Em geral, o Eh das águas naturais é mais positivo em um meio oxidante e negativo no redutor. Formas oxidadas e reduzidas de alguns elementos importantes nas águas são mostradas na tabela 5.2.2. Figura 5.2.4 - Diagrama Eh - pH com os limites do campo As reações de redox são especialmente importantes de estabilidade da água e ambientes naturais, em função do na hidrogeoquímica. A presença de ferro na água Eh e pH (modificado de Carvalho, 1995). subterrânea indica uma condição de redox diferente do aqüífero cuja água contém nitrato. Elementos Um bom exemplo para ilustrar a aplicação das e moléculas estão presentes na água em vários condições de Eh - pH é a especiação do ferro nas estados de oxidação, que determinam propriedades, águas subterrâneas. Dentro da faixa de pH dos tais como toxidade, hidrólise, tendência de formar sistemas aquáticos naturais (5-9), o hidróxido de compostos insolúveis etc. Mudanças das condições ferro é a espécie estável predominante, mas, em de Eh e pH afetam a solubilidade e, por conseqüência, águas mais profundas, de condições anaeróbicas a mobilidade de muitos metais. Esta relação pode (baixo Eh), se encontra apreciável quantidade de ser expressa graficamente na forma do diagrama Eh Fe2+ solúvel. Quando estas águas são expostas ao – pH na figura 5.2.4, ilustrando diferentes ambientes. oxigênio atmosférico precipita Fe(OH)3. É o caso O diagrama mostra os campos de estabilidade para das manchas vermelhas encontradas em bombas sólidos e/ou espécies aquosas em função do Eh que extraem águas subterrâneas ou nas paredes ou pe e do pH. É uma boa ferramenta para fazer dos poços. Em águas subterrâneas, o Fe3+ somente predições sobre a ocorrência de espécies oxidadas está presente nas águas naturais muito ácidas com ou reduzidas em um ambiente particular no aquífero. pH < 3, que são raras. No campo, existem dificuldades de se medir o Eh Em geral, o limite das condições oxidantes no e pe para caracterizar as condições de redox em subsolo corresponde à zona de variação do nível do aqüíferos profundos. Neste caso, a relação entre a lençol freático e a profundidade desta zona depende concentração da espécie oxidada e a reduzida pode das condições climáticas e geológicas. Águas ricas fornecer uma idéia do potencial de redox do meio. em oxigênio podem penetrar através das fendas e fissuras das rochas e alcançar maiores profundidades; nas zonas de variação do nível freático, condições oxidantes e redutoras podem ser alternadas em Formas elemento Formas oxidadas função de estações secas e chuvosas. Estas reduzidas mudanças são relativamente rápidas e se traduzem por variações também abruptas na composição das Carbono CO2; HCO - 3 CH4 águas subterrâneas, especialmente na concentração dos sulfatos. Nitrogênio NO - N ; NH +3 2 4 Processos biológicos Enxofre SO 2-4 H2S ; S 2- Os microorganismos que vivem na água usam Ferro Fe3+ ; Fe(OH)3 Fe2+ ; FeS sólidos dissolvidos e suspensos durante o metabolismo, retirando espécies químicas e/ou liberando produtos Cromo Cr6+ (CrO 2- ; Cr O 2-) Cr3+ ; Cr(OH) para água. Os processos biológicos aceleram os 4 2 7 3 processos geoquímicos, uma vez que aumentam Manganês Mn4+ Mn2+ a concentração dos sais solúveis do solo, por degradação microbiana de substâncias insolúveis e tabela 5.2.2 - Exemplos das formas oxidadas e reduzidas retiradas de nutrientes das plantas superiores, e do de elementos importantes nos sistemas aquáticos. CO2 no ar do solo, por respiração das raízes. 367 Cap_5.2_FFI.indd 9 9/12/2008 21:38:52 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas O doador de elétrons mais comum na natureza é Os principais fatores que determinam as condições o carbono orgânico. As reações envolvendo oxidação de redox em um ponto do sistema aqüífero são: de compostos orgânicos para inorgânicas como CO2 distância da área de recarga e a abundância relativa e H2O, são referidas como reações de biodegradação de compostos doadores e aceptores de elétrons, ou biotransformação, porque são catalisadas por presentes na fase sólida ou aquosa. A utilização microorganismos que usam a energia das reações de seqüencial destes aceptores mantém o potencial redox para a síntese celular. As transformações mais de elétrons em níveis específicos, exercendo um efetivas ocorrem em climas quentes úmidos, onde efeito de tampão redox. Como ilustra a figura 5.2.5, a degradação da matéria orgânica é mais rápida. as respectivas reações de redox progridem até que Um dos fatores mais importantes para os processos composto com oxigênio seja totalmente consumido, biológicos é a presença ou ausência de oxigênio, e neste ponto o potencial de redox cai para o nível do onde se adaptam, respectivamente, os organismos próximo aceptor disponível no sistema. aeróbicos e anaeróbicos. Além dos compostos de Sendo as reações de redox catalisadas por carbono, os nutrientes para os microorganismos microorganismos, um aporte de nutrientes por são os compostos de nitrogênio (NH3), fosfatos, contaminação da água pode aumentar a densidade nitratos e sulfatos. Os fatores que influenciam na da população microbiana. Quando os poluentes são atividade microbiana são: profundidade, presença compostos orgânicos, a reação de biotransformação de nutrientes, pH, Eh, conteúdo de sais, temperatura pode atenuar a concentração ou mesmo promover sua e permeabilidade do aqüífero. eliminação. A compreensão destas reações tem sido As bactérias anaeróbicas catalisam reações de importante para o estudo da remediação de compostos redução dos sulfatos, das espécies de Fe-Mn, dos orgânicos na ZNS e ZS. nitratos e a metanogêse. De modo simplificado, a abundância relativa do carbono orgânico e Velocidade das reações e dos Processos dos receptores de elétrons governa o progresso destas reações de redox num sistema aqüífero. As pesquisas sobre a velocidade das reações Considerando o *CH O um tipo de composto e processos físico-químico-biogeoquímicos que se 2 orgânico hipotético, junto aos principais aceptores desenvolvem no meio aquático são ainda escassas. de elétrons comuns no sistema aqüífero, são A cinética destas reações é complicada. Algumas ilustradas a seguir as reações de biotransformação reações entre soluto-soluto ou soluto-água são rápidas sob condições aeróbicas e anaeróbicas. e a meia-vida é de fração de minutos ou até segundos. É o caso das reações homogêneas que ocorrem em • Reação simples de decomposição dos compostos uma única fase, como as reações de ácido-base e orgânicos em presença de O2. de complexação. As reações que envolvem espécies dissolvidas, gases e água são tão rápidas que podem 1/4 CH2O*+1/4O2(g) ⇒ 1/4CO2(g)+1/4H2O (5.2.24) ser assumidas como em equilíbrio no fluxo subterrâneo. A dissolução e precipitação são exemplos de reações • Reações na ausência de O - Os microorganismos heterogêneas com tempo médio entre dias a 106 anos. 2 usam as reações de redox como fonte de energia O tempo nos processos de adsorção-desorção varia de para biotransformação, por redução dos compostos com oxigênio. a) Denitrificação: + CH2O* + 4/5NO - 3 + 4/5H ⇒ CO2(g) + (5.2.25) 2/5N2 + 7/5H2O b) Redução de Fe(III): + ¼CH2O* + Fe(OH)3 + 2H ⇒ ¼CO2(g) + 2+ (5.2.26)Fe + 11/4 H2O c) Redução dos sulfatos: CH2O*+ ½SO 2-. + - 4 + ½H ⇒ ½HS +H2O + (5.2.27) CO2(g) d) Formação do metano: CH O* + ½CO ⇒ ½CH + CO . (5.2.28) Figura 5.2.5 - Tampão redox para diferentes aceptores de 2 2(g) 4 2(g) elétrons presentes nas águas subterrâneas. 368 Cap_5.2_FFI.indd 10 9/12/2008 21:38:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações segundos a dias, mas depende da superfície específica resultante da interferência dos seguintes fatores: físico- de contato, que é maior na matriz porosa das rochas químicos e químicos (pH, Eh, pressão e temperatura), sedimentares. Para se avaliar a probabilidade destas físicos ou mecânicos (quebramento-lajeamento e reações alcançarem o equilíbrio, deve-se considerar deslocamento de blocos e fragmentos finos), geológicos o tempo de residência da água no sistema de fluxo e (mineralogia da rocha, porosidade, feições estruturais), a velocidade das reações. Um esquema comparativo e biológicos (ação mecânica e química de organismos sobre o tempo médio ou a meia-vida de algumas vivos). A depender da intensidade destes fatores, o reações é apresentado na figura 5.2.6. intemperismo é classificado como físico, químico e As reações de redox são lentas e mediadas por biológico. Em se tratando de interações químicas entre microorganismos, portanto, têm intervalos variáveis os minerais das rochas e solos com a água meteórica, e não estão incluídas. Com base nos dados de o intemperismo químico é um dos mais importantes sedimentos marinhos, estima-se que a meia-vida fenômenos do ciclo geoquímico secundário, e determina destas reações varia de horas a poucos anos. É o tipo e concentração dos constituintes nas águas interessante observar que quase todas as reações subterrâneas e superficiais. citadas têm maior velocidade que os fluxos das Mais especificamente, o intemperismo químico águas subterrâneas. A velocidade das reações envolve o ataque químico dos minerais na presença varia de modo significativo com as características de ácidos minerais e orgânicos, por processos do sistema aqüífero e/ou com a introdução de químicos de hidratação/hidrólise, dissolução/ substâncias estranhas ao sistema, como os poluentes. precipitação, reações de oxi-redução, ácido-base e A dissolução de gases, por exemplo, afeta o pH da complexação. Os produtos de intemperismo são os água e modifica as condições de redox. A textura, minerais secundários, sólidos amorfos neoformados, porosidade e permeabilidade da rocha, e presença polímeros orgânicos, minerais primários residuais de minerais particulares, são fatores que aceleram (quartzo) e os íons solúveis, que são transportados reações de dissolução/precipitação. A mobilidade ou pela água tais como os cátions solúveis, bicarbonatos, retardação de metais e poluentes orgânicos nas águas ácido silícico, sulfatos e cloretos. A natureza dos subterrâneas é também influenciada pela presença produtos gerados depende dos minerais envolvidos de minerais argilosos, óxidos amorfos e matéria e das condições de temperatura, precipitação, pH, orgânica natural. A população microbiana afeta a Eh, atividade biológica, drenagem etc. biodegradação de compostos orgânicos e catalisa Sendo o tempo de contato entre os minerais muitas reações de redox. e a água subterrânea maior do que nas águas superficiais em subsuperfície, a tendência do sistema água/mineral/rocha alcançar o estado de Interações Água-rocha / Intemperismo químico equilíbrio é maior. A composição da água é um As rochas primárias, uma vez formadas a temperaturas reflexo da composição da rocha onde ela circula. O e pressões elevadas, ficam em permanente desequilíbrio ataque químico dos minerais inicia com a hidratação numa temperatura mais baixa. Dá-se o nome de (água na estrutura dos minerais) e prossegue com intemperismo ao conjunto de transformações que a hidrólise (desintegração do mineral por ação dos passam os minerais nas rochas e nos sedimentos, íons H+ e OH-), influenciada pelo tempo de reação, Figura 5.2.6 - Esquema comparativo do tempo médio ou meia-vida de algumas reações (adaptado de Domenico & Schwartz, 1990). 369 Cap_5.2_FFI.indd 11 9/12/2008 21:38:53 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas temperatura, CO2 disponível e presença de ácidos influencia de forma direta a composição das águas. na água (H2CO3, H2NO3, HNO - 2 , H2SO4 e os ácidos Águas mais ácidas aceleram a dissolução de carbonatos, orgânicos). Durante a hidrólise dos silicatos, de resultando em águas ricas em Ca2+ e Mg2+. início são liberados os íons Ca2+, Mg2+, Na+, K+, e O intemperismo químico de diferentes materiais em seguida o Si4+ e Al3+. O pH é fator importante na produz águas de composição variada. Os silicatos das solubilização, transporte e re-deposição do Si4+ e rochas cristalinas são relativamente mais resistentes ao Al3+, e na formação de hidrolisados. O processo pode intemperismo, o que não acontece com os minerais das promover a formação de minerais secundários, como rochas sedimentares. A fragmentação dos minerais das no caso da alteração da biotita e K-feldspato com a rochas sedimentares implica o aumento da superfície formação da caulinita, aumentando a alcalinidade e de contato rocha-água e auxilia a solubilização. o pH em função do HCO - e OH. Outro fator relevante para a compreensão da 3 A tabela 5.2.3 apresenta os minerais comuns nas composição química das águas é a mobilidade dos rochas, sua composição, ocorrência e a característica constituintes liberados ou envolvidos no intemperismo. da reação de dissolução. Os minerais primários A mobilidade geoquímica de um elemento depende de são os que sofrem intemperismo e secundários os fatores relacionados à solubilidade, capacidade em neoformados por intemperismo. Cada grupo de participar da troca iônica e tipo de ligação química. minerais exibe variedades, com diferentes graus de A solubilidade do elemento na água é função do resistência ao ataque químico. seu potencial iônico (P), propriedade intrínseca que A simples reação de dissolução é chamada de representa a distribuição de carga na superfície e congruente e é associada, principalmente, às rochas determina a atração entre os dipolos da molécula de e solos contendo carbonatos. Uma exceção à regra é água. É definido pela equação: a dissolução incongruente da dolomita resultando na P = Z/R (5.2.31) precipitação da calcita, durante a dedolomitização. A sendo Z a carga iônica e r o raio iônico. reação de dissolução é incongruente quando libera constituintes para a água e se formam minerais O íon com menor carga e maior raio apresenta menor secundários e/ou sólidos amorfos, em geral, mais força de atração, e tende a permanecer em solução estáveis que os minerais primários originais. São como espécie iônica simples. A figura 5.2.7. mostra a reações importantes dos silicatos e óxidos minerais, separação geoquímica de alguns elementos importantes envolvendo liberação da sílica dissolvida (H4SiO4) e na água, com base no seu potencial iônico P. cátions como cálcio, sódio, magnésio e potássio. Conforme os valores de P, distinguem-se três Quando alumínio e ferro estão presentes nos categorias de elementos ou substâncias: minerais primários, se formam produtos secundários 0 < P < 3 - cátions que ficam em solução até de baixa solubilidade, como minerais argilosos e altos valores de pH (Li+, Na+, K+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, óxidos e hidróxidos, os quais possuem propriedades Ca2+), e, portanto, são móveis; eletrostáticas na superfície que influenciam nos 3 < P < 12 - elementos com tendência a hidrólise processos de sorção e, portanto, na evolução química (Al3+, Fe3+, Si4+, Mn4+) e, assim, considerados da água natural. O intemperismo da biotita (5.2.29) e imóveis, com tendência a se concentrar no resíduo do K-feldspato (5.2.30), com a formação da caulinita e insolúvel no processo de alteração; do óxido de ferro, e aumento da alcalinidade e do pH (HCO -3 e OH -), é ilustrado nas reações a seguir: P > 12 - elementos que formam íons complexos e contêm oxigênio (B3+, C4+, N5+, S6+, Mn7+). (Biotita) 4KMg2FeAlSi3O10(OH)2 + O2 + 20H2CO3 + nH2O ⇒ 4KHCO3 + 8Mg(HCO3)2 + 2Fe2O3nH2O + (5.2.29) 2Al2Si205(OH)4 + 4SiO2 + 10H2O (Caulinita) (K-feldspato) (Caulinita) 2KAlSi3O8 + 3H2O ⇒ Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + (5.2.30) 2KOH Uma vez que os íons liberados para água estão relacionados à composição do mineral original, em diversos casos, as reações e os processos do intemperismo em profundidade podem ser deduzidos da composição da água subterrânea. A dissolução de sais solúveis como carbonatos, sulfatos e cloretos, Figura 5.2.7 - Separação dos elementos com base no po- que ocorrem em quantidades significativas nas rochas, tencial iônico (adaptado de Mason, 1985). 370 Cap_5.2_FFI.indd 12 9/12/2008 21:38:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações tIPos de mIneraL VarIedade ComPosIÇÃo roCHa (*) reaÇÃo de IntemPerIsmo 1 2 3 Quartzo - SiO2 X X X Resistente à dissolução FELDSPATOS Albita NaAlSi3O X X - Dissolução incongruente por 8 Plagioclásio ácidos Anortita CaAl2Si2O8 X X - (idem) Ortoclásio / microclina - KalSi3O8 X X X (idem) SILICATOS FERROMAGNESIANOS Tremolita Ca2(MgFe)4AlSi7AlO22(OH)2 X X - Oxidação do Fe e dissolução NaCa2(Mg, congruente Anfibólios Hornblenda Fe, Al) Si Oxidação do Fe e dissolução 5 8O22(OH)2 X X - incongruente Biotita K(Mg, Fe)3AlSi3O10(OH)2 X X - (idem) Micas Clorita (Mg, Al, Fe)6(Si, Al)4O10(OH)8 X X - (idem) Diopsídio Ca(Mg, Fe)Si O X X - Oxidação do Fe e dissolução 2 6 Piroxênios congruente Augita Ca(Mg, Fe, Al)(Al, Si)2O6 X X - (idem) Vidro-Vulcânico (não- mineral) - Ca, Mg, Na, K, Al, Fe silicato X - - Dissolução incongruente Olivina - (Mg, Fe)2SiO4 X X - (idem) ALUMINOSILICATOS HIDRATADOS Caulinita Al2Si2O5(OH)4 - - X Minerais secundários Minerais argilosos Montmorilonita Al2Si4O10(OH)2 - - X (idem) Ilita KAl2(AlSi3O10)(OH)2 - - X (Idem) Calcita/aragonita - CaCO3 - - Dissolução congruente por ácidos Dolomita - Ca, Mg(CO3)2 - - X (idem) Fluorita - CaF2 X - - Halita - NaCl - - X Dissolução congruente por água ÓXIDOS/HIDRÓXIDOS Bauxita - AlOOH - - X Minerais secundários Hematita - Fe2O3 - - X (idem) Limonita - FeOOH - - X (idem) SULFETOS/SULFATOS Pirita / Marcassita - FeS2 X X X Oxidação do Fe e S Gipso - CaSO4.2H2O - - X Dissolução congruente por água Anidrita - CaSO4 - - X (idem) Barita - BaSO4 X X - (*) Tipos de Rochas: 1 - Ígnea; 2 - Metamórfica; 3 - Sedimentar tabela 5.2.3 - Minerais formadores de rochas: composição, ocorrência e reações de intemperismo (adaptado de Berner & Berner, 1987; Houslow, 1995). 371 Cap_5.2_FFI.indd 13 9/12/2008 21:38:53 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas Observa-se que íons de elementos como Ca, Mg e Constituintes Fontes Prováveis Na são mais móveis e permanecem na água depois de ESTRÔNCIO Minas de estrôncio (Sr) liberados no processo de intemperismo. Os elementos Rochas vulcânicas e aluviões; Si e K estão na escala intermediária, enquanto Al e Fe BÁRIO salmoura pobre em sulfato. são imóveis e permanecem nos solos. Esta ordem Micas; ambligolita; piroxênio e concorda com os estudos mineralógicos que apontam outros; evaporitos; águas juvenis. O os feldspatos plagioclásios, piroxênios e anfibólios, LÍTIO teor aumenta com a temperatura e como os silicatos mais facilmente intemperizados. Os decresce com o Mg. Salmouras de elementos Al, Fe e Si formam minerais secundários que campos de óleo. ficam nos solos, e o K permanece nos minerais mais Atividade vulcânica; água do mar; resistentes como a biotita. FLUORETO rochas ígneas e sedimentares. No estudo do transporte e destino dos poluentes Água do mar; fontes termais; é recomendável considerar os aspectos particulares BROMETO depósitos salinos. do aqüífero e dos processos que podem modificar a Depósitos salinos; poços de IODETO mobilidade destes elementos. petróleo. Depósitos de boratos solúveis; BORO Classificação e origem dos Constituintes rochas vulcânicas. VANÁDIO Resíduos fósseis (carvão e óleo). das Águas subterrâneas NITRATO Matéria orgânica. Os constituintes da água subterrânea são derivados Solos e rochas. Valores anômalos das interações entre a água e os diversos sólidos, FERRO podem ser associados à presença líquidos e gases que acontecem desde a área de recarga de FeO coloidal. até a descarga. Assim, a origem dos constituintes está MANGANÊS Solos e rochas. associada à qualidade das águas de infiltração, ao SÍLICA Soluções vulcânicas; fontes termais. tempo de trânsito e tipos litológicos atravessados. Desintegração do urânio das rochas RADÔNIO (222 Rn) As espécies inorgânicas presentes em concentração graníticas. >5mg/L são referidas como constituintes maiores tabela 5.2.4 - Origem dos constituintes inorgânicos ou principais. Os constituintes menores e traços normalmente encontrados nas águas subterrâneas (0,01-10mg/L) estão em maior proporção, mas sua (Mestrinho 2006b). concentração pode exceder a dos elementos principais. O teor de ferro dos minerais ferromagnesianos ou das 5.2.4 mineralização das Águas rochas com minérios de ferro é um bom exemplo. As substâncias orgânicas associadas aos sedimentos subterrâneas também podem estar presentes nas águas naturais. Os constituintes classificados como principais No contexto dos aspectos discutidos, a mineralização são os íons Cl-, SO 2-, HCO -, Na+, Ca2+, Mg2+ e, em da água subterrânea decorre de processos geológicos, 4 3 algumas situações, os íons NO 2-, CO 2-, K+ e Fe3+. As hidrológicos e hidrogeoquímicos que atuam de forma 3 3 substâncias dissolvidas pouco ionizadas como alguns conjunta conforme as particularidades inerentes a ácidos, hidróxido de Fe e a sílica (H4SiO4) em estado cada sistema e aos fatores externos. Numa visão coloidal, podem integrar a solução aquosa natural, sistêmica, para se explicar a mineralização das águas assim como seus íons derivados (Fe2+, Fe3+ e H3SiO - 4 ). subterrâneas e a evolução da sua composição, deve-se Entre os gases dissolvidos CO2 e O2 são os principais, considerar os fatores endógenos (sistema de fluxo, tipo ainda que não sejam analisados sistematicamente. litológico, tipo de estruturas, processos geoquímicos e Os constituintes menores incluem os íons NO 2-, microbianos em subsuperfície) e exógenos (aspectos 3 CO +3, K e Fe 3+, além do NO -2 , 2-, NH + e Sr2+ e outros climáticos e geofisiográficos) influentes no meio. A 4 menos freqüentes como Br-, S2-, PO 2-4 , H3BO - 3 , NO - inter-relação destes processos é complexa e exige uma 2 ,OH-, I-, Fe3+, Mn+2, H+, NH +, Al3+ etc. Os traços são os ampla conjunção interdisciplinar de especialistas.4 íons metálicos As2+, Sb2+, Cr3+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Ba2+, Cd2+, Hg2+, etc., que podem apresentar concentrações Fatores Influentes na mineralização superiores ao background regional em áreas com jazidas naturais ou com contaminações antrópicas. A tabela 5.2.4 Fatores endógenos apresenta a origem provável de constituintes inorgânicos normalmente encontrados nas águas subterrâneas. Os fatores endógenos são aqueles naturais ao Elementos radioativos são comuns na litosfera e sistema como o tipo litológico, manto de alteração quando presentes classificam a água como radioativa. e estruturas das rochas. Na interação água-rocha, a Os estudo das fontes minerais radioativas mostram intensidade de decomposição química depende da que o 222Rn é a emanação mais abundante nas resistência dos minerais e do grau de agressividade águas minerais e o principal responsável pela sua ou reatividade química da água. O ataque químico radioatividade. dos minerais deixa maior teor de sais quando a 372 Cap_5.2_FFI.indd 14 9/12/2008 21:38:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações renovação de água é deficiente (clima semi-árido) Fatores exógenos ou o ambiente de circulação dificulta a percolação Os fatores exógenos são os que não estão profunda. O manto de intemperismo resultante da relacionados às características do aqüífero, como alteração das rochas tem constituição e espessura clima, relevo e hidrografia. A principal influência do de acordo com as condições do intemperismo e a clima diz respeito ao balanço hídrico entre as taxas natureza da rocha que lhe deu origem. Em termos de pluviometria e evapotranspiração potencial. Nas hidrogeológicos, esse capeamento representa a regiões de clima semi-árido, a precipitação de sais zona não saturada que pode funcionar como um aqüífero superior granular, que, acima de um aqüífero por evaporação concentra sais na camada superficial inferior fissural, alimenta a água das fraturas. Nesta da ZNS. Durante a infiltração da água meteórica, situação, a mistura de águas de diferentes origens os sais são transportados para rios e lagos, pelo promove mudanças de composição química da água. escoamento superficial, e para os aqüíferos, ao longo O manto de intemperismo exerce um papel relevante de encostas ou dos próprios rios. Em regiões de clima na proteção da qualidade, preservação e distribuição úmido, onde a taxa de precipitação anual excede das águas para zona saturada. a evapotranspiração potencial, a salinização das Os feldspatos das rochas cristalinas têm sido águas e dos solos tende a ser mais baixa. Estudos apontados como um dos responsáveis pela liberação desenvolvidos por Costa (op. cit.), Oliveira e Batista de sais, em função da maior facilidade ao intemperismo. (1998) e Guerra e Negrão (1996) demonstram que Estudos conduzidos por Costa (1996), em alguns águas subterrâneas no nordeste do Brasil exibem aqüíferos do Nordeste, demonstram que rochas ricas maior salinidade em áreas de baixa pluviometria ou em feldspatos, tais como migmatitos, pegmatitos maior índice de aridez. e alguns granitos e gnaisses, apresentam maior Os aqüíferos freáticos pouco profundos e os propensão para salinização das águas. Rochas do tipo fissurais com manto de intemperismo pouco espesso micaxistos e filitos, nas quais a percolação da água são os mais influenciados pelas variações climáticas. é lenta e a dissolução dos minerais é mais intensa, Os efeitos mais comuns são: (a) aumentando a também podem armazenar águas mais mineralizadas. evaporação não há excedente para infiltração e os Para as rochas resistentes como os quartzitos, com sais se concentram nas camadas superficiais; (b) a fraturas mais abertas e sem minerais solúveis, se maior pluviometria favorece a infiltração e lixiviação de espera águas com menor concentração de sais ou sais dissolvidos para a ZS; (c) o efeito da capilaridade mais leves. Em geral, nas rochas com fraturas abertas promove o transporte de sais para a ZNS e favorece existe maior facilidade de escoamento e renovação das a formação de crostas de calcita e gipso na camada águas. Neste caso, o risco de salinização diminui, mas superior do freático. aumenta o risco de contaminação. O relevo, hidrografia e condição climática são No nordeste do Brasil, a condição de clima fatores que também exercem influência significativa semi-árido é desfavorável ao intemperismo químico. na química da água. Em condições semi-áridas, a Comumente, a ZNS é pouco espessa, a taxa de drenagem superficial pode ser influente na maior parte lixiviação é menor e a evaporação favorece o acúmulo do ano, favorecendo o fluxo do rio para as encostas de sais na água, mesmo antes da infiltração na ZNS ou marginais e a recarga das fraturas próximas aos rios. na fratura das rochas. Na condição de clima tropical, Se as águas do rio estão salinizadas, existe o risco de a taxa de precipitação anual promove a formação de salinização das águas subterrâneas. Quando o clima mantos espessos, diversificados em função da rocha favorece (precipitação elevada), existe um escoamento original e da topografia. Em algumas situações, a da água subterrânea das encostas para os rios, cobertura pode atingir profundidades de 50 metros nas refletindo na perenidade destes na ausência de chuvas. encostas e até ultrapassar 100 metros nas depressões, Estes fatores mudam as condições físico-químicas acumulando contribuições significativas de água. no fluxo e, possivelmente, a composição química da A salinização das águas subterrâneas pode ter várias água, porque influenciam os processos de diluição, causas, e é bom exemplo para ilustrar a conjunção precipitação, dissolução e as reações de redox. As dos diversos fatores influentes na mineralização. águas subterrâneas e superficiais devem ser tratadas A condição de solos salinos, permeáveis e pouco de forma integrada. espessos facilita a lixiviação de sais da ZNS para a A água de poços tubulares perfurados em rochas ZS, que são adicionados aos produtos da dissolução cristalinas na região do semi-árido no Nordeste exibe dos minerais no aqüífero. Quando a água infiltrada uma característica comum: o Cl- é o íon predominante é isenta de sais, o tempo de trânsito na ZS torna-se (>50%). Não existindo minerais com Cl- na rocha, relevante para a mineralização. Quando a água circula significa pouca influência da litologia. Considerando a lentamente, como em rochas com fraturas fechadas, e condição climática, a origem do Cl- está associada à a renovação das águas é deficiente (clima semi-árido), água da chuva que passa por evaporações sucessivas a água concentra sais. durante a infiltração. 373 Cap_5.2_FFI.indd 15 9/12/2008 21:38:53 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas evolução e mudanças na Composição da Água Até a última década, era comum admitir a composição das águas subterrâneas como constante e sem a interferência de outras águas. Num aqüífero, a qualidade da água pode passar por modificações progressivas decorrentes de causas naturais ou antrópicas. Os constituintes passam por processos e reações durante o fluxo, influenciados por fatores endógenos e exógenos. A química da água é particular a cada sistema aqüífero e pode sofrer mudanças químicas. Os cátions são os mais passíveis de participar de reações de troca iônica, precipitação e complexação, portanto, apresentam mudanças mais significativas que os ânions. A figura 5.2.8 ilustra o conjunto de reações e processos durante o fluxo subterrâneo. A composição da água na recarga passa por alterações até a descarga, em função da dissolução dos minerais, mudanças na mineralogia e nas condições de redox, infiltração de outras águas, mistura de águas por drenança ascendente e outras reações durante o fluxo. Considerando os sistemas de fluxos local, intermediário e regional, a evolução química da água Figura 5.2.8 - Processos e reações químicas que ocorrem pode ser discutida por dois aspectos (Kehew, 2001): nas águas subterrâneas (adaptado de Houslow,1995). (a) diferenças químicas entre os fluxos e (b) mudanças no mesmo fluxo. 5.2.9 (Kehew, op. cit.). Observa-se que as zonas mais profundas e respectivas áreas de descarga exibem evolução química da Água entre diferentes Fluxos alta concentração de sais, caracterizadas pelos fácies Em geral, a composição química da água é função hidroquímicos sulfatos e cloretos. da mineralogia do aqüífero e do tempo de trânsito da Na prática, se observa que em aqüíferos água no sistema. O fluxo local é mais dinâmico, o que multiconfinados o tempo de residência cresce com significa menor contato água-rocha e tendência de a profundidade e as águas subterrâneas apresentam água do tipo bicarbonatada decorrente da dissolução uma estratificação comandada pela litologia e do CO do solo. À medida que a profundidade aumenta, solubilidade dos minerais. Águas mais rasas evoluem 2 a velocidade de fluxo se torna progressivamente mais de bicarbonatadas para sulfatadas e cloretadas com o lenta e evolui para os fluxos intermediário e regional. aumento da profundidade. Em síntese, os fatores que No último, a concentração de sais solúveis, associados influenciam na composição da água entre aqüíferos de aos evaporitos ou à água do mar trapeada no ambiente igual litologia, com idade da água e trajeto diferentes de deposição, torna a água muito salina. Diferentes são: condições físicas e geológicas do intemperismo, fácies hidroquímicos, associados a um fluxo regional variação de temperatura e profundidade e a extensão hipotético e não confinado, são mostrados na figura do contato água-rocha. Figura 5.2.9 - Fácies hidroquímicos relacionados ao tipo de sistema de fluxo num aqüífero hipotético regional (adaptado de Kehew, 2001). 374 Cap_5.2_FFI.indd 16 9/12/2008 21:38:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações evolução química no mesmo Fluxo CaSO4 + 2H2O ⇒ Ca 2+ + SO 2-4 + 2H2O Num sistema de fluxo local e com mineralogia As águas bicarbonatadas mais rasas evoluem para homogênea, a água não exibe variação significativa cloretadas com a profundidade, por difusão iônica - entre as zonas de recarga e descarga. Quando a de Cl ou dissolução da halita mineralogia do aqüífero é heterogênea ou o fluxo NaCl ⇔ Na+ + Cl- atravessa diferentes rochas, a composição química da água é variável, como se observa nas seqüências 4) troca de Cátions - Ca 2+ e Mg2+ presentes na + sedimentares. A água pode apresentar um zoneamento água trocam com o Na das argilas esmectíticas, que + ao longo do fluxo em decorrência da dissolução e são ricas em Na . precipitação progressiva de minerais, troca iônica (RNa2+) + Ca2+ ou Mg2+ ⇔ (RCa2+/Mg2+) + 2Na+ entre o meio poroso ou fraturado e mudanças nas condições de redox. Podem variar a concentração dos Quando existe a interferência de águas meteóricas constituintes e os valores de STD, pH e Eh. A intensidade ou em aqüíferos com zonas de drenagem ascendente e a velocidade destes processos dependem da idade/ ou descendente, ocorre a mistura de águas com tempo de residência da água, profundidade, variação diferente composição. Na zona de transição pode climática etc. haver precipitação química. A água com teor elevado de Ca2+Em maior profundidade, o fluxo é mais lento e a precipita CaCO3 ou CaSO4 com o carbonato mineralização mais efetiva; a temperatura, pressão e ou sulfato da outra água. tensão de CO2 são maiores, o que permite ataque mais A hidrologia isotópica é uma boa ferramenta para intenso dos carbonatos e mesmo dos silicatos. Algumas auxiliar nos estudos sobre a recarga e dinâmica da das reações químicas no fluxo são descritas a seguir. água subterrânea nas ZS e ZNS, na datação e distinção entre águas de diferentes origens ou proporções das 1) dissolução de minerais - dissolução dos misturas, e auxiliar na interpretação sobre as mudanças carbonatos, silicatos e alumino-silicatos, aumentando de composição nas águas subterrâneas (capítulo 4.3). a concentração de cátions, alcalinidade e pH. Exemplo: reação do H2CO3 com o calcário e/ou 5.2.5 Interpretação dos dados de com dolomito, liberando Ca2+, Mg2+ e HCO -3 para a solução. qualidade da Água H2CO3 + CaCO3 ⇔ Ca 2+ + 2HCO -3 A base de dados hidroquímicos pode representar 2H2CO3 + CaMg(CO3)2 ⇔ Ca 2+ + Mg2+ + 4HCO - amostras de um único poço ou de diferentes poços, 3 num sistema aqüífero particular. A classificação química 2) reações de redox - mudanças nas condições inicial da água se refere à concentração dos cátions de redox durante a circulação da água controlando o e ânions presentes. A interpretação dos processos comportamento dos íons metálicos, compostos com hidrogeoquímicos é mais complexa e pode explicar a Fe2+, Mn2+ e Fe3+, espécies de enxofre (SO 2-4 , H2S e origem da água ou sua evolução química. FeS2) e os gases dissolvidos com carbono (CO2, CH4). A modelagem hidrogeoquímica é uma ferramenta Exemplo: oxidação da pirita na presença da importante para alcançar informações, dentre outras, calcita, em condições alternadas secas e úmidas, sobre o balanço de massa dos minerais dissolvidos ou acelerada pela presença de bactérias. precipitados, especiação dos íons, índice de saturação em relação aos minerais e estado de redox da água. É FeS2 (s) + 7/2O2 + H2O ⇒ Fe 2+ + 2SO 2-4 + 2H + um método que permite a representação matemática Fe2+ + 1/4O + H+ ⇒ Fe3+ + 1/2H O da hidrogeoquímica, utilizando-se as equações de fluxo 2 2 3+ ⇒ + e de conservação de massa que simulam o transporte Fe + 3H2O Fe(OH)3 (s) + 3H de solutos. Requer o uso de programas de computação H+ + CaCO ⇒ Ca2+ + HCO -3 3 adequados, como WATEQ4F, MINTEQ, PHREEQC, Ca2+ + SO 2- ⇒ CaSO PHREEQCI e AQUACHEM. Os dois últimos, quando 4 4 (s) conjugados, fornecem informações sobre especiação, A diminuição da pressão parcial de O2 conduz à equilíbrio entre minerais e gases, adsorção e troca de redução e perda do SO 2--4 , liberação de CO2, e cátions e transporte em uma dimensão. O AQUACHEM remoção do HS- para formar FeS e FeS2 permite a geração de gráficos, os quais, associados aos SO 2- + 2CH O ⇒ HS- + HCO - + H CO mapas hidrogeológicos, auxiliam na classificação da 4 2 3 2 3 água, avaliação temporal e espacial, e a comparação 3) dissolução de sais solúveis - se evaporitos entre diferentes amostras. Maior detalhamento sobre estão na seqüência, a composição da água depende o assunto não é objeto deste texto. do mineral presente, se halita, anidrita, gipso etc. As relações iônicas também são usadas para avaliar Exemplo: dissolução do gipso, produzindo Ca2+ a coerência geoquímica dos dados analíticos e fazer e SO 2-. inferências sobre as mudanças de composição da 4 375 Cap_5.2_FFI.indd 17 9/12/2008 21:38:54 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas água, fases minerais dissolvidas ou precipitadas e representação Gráfica e relações Iônicas reações que influenciam na composição da água. Em qualquer situação, o alcance das conclusões depende métodos Gráficos da experiência do profissional envolvido. Nos itens seguintes são delineadas algumas considerações A representação gráfica tem sido usada, também, que permitem, de forma simples e aproximada, para classificar a tipologia química da água e verificar classificar a tipologia da água e avaliar os processos a abundância relativa dos elementos principais. É hidrogeoquímicos. um método rápido para avaliar a evolução química da água, indicando diferenças e similaridades entre amostras ou processos e reações químicas. Os Classificação do tipo de Água diagramas dos tipos colunares, radiais e ternários A classificação da água é feita com base nas propostos na literatura (Domenico e Schwartz, 1990, espécies mais abundantes. Dentre os constituintes Hem, 1985, Szikszay, 1993), são úteis para ilustrar principais, o cátion ou ânion que perfaz mais de a proporção dos íons em uma amostra. Contudo, 50% do conteúdo iônico total, classifica a água de para estudar a hidroquímica ou variação espacial acordo com a espécie predominante (e.g. sulfatada, e temporal da água entre diferentes aqüíferos, um cloretada, bicarbonatada etc.), ou pelo cátion e grande número de figuras pode ser requerido. O ânion que predominam (e.g. bicarbonatada-sódica, tratamento das diferentes populações de amostras bicarbonatada-cálcica, etc.). Quando várias espécies relacionadas a distintas origens ou fácies minerais se apresentam com concentrações igualmente exige a aplicação de métodos estatísticos. Os abundantes, a água exibe uma tipologia química mista diagramas de Stiff e Piper apresentados nas figuras (e.g. sulfatada-cloretada-cálcica). 5.2.10 e 5.2.11 ilustram características das águas Um constituinte classificado como elemento associadas a diferentes tipos litológicos. menor ou traço, quando em concentração alta, também pode entrar na denominação (por exemplo, reações químicas das Águas subterrâneas fluoretada). Para o uso da água, os valores absolutos O padrão ou tendência da dispersão dos pontos dos constituintes são comparados aos padrões nos triângulos individuais dos cátions (Na+, Ca2+, Mg2+) de qualidade da legislação vigente ou aos critérios e dos ânions (Cl-, SO 2-4 , HCO - 3 ) no diagrama de Piper específicos do uso. pode indicar reações de precipitação ou dissolução, A influência de fatores intrínsecos e extrínsecos troca de íons e misturas de águas (Houslow, 1995). ao aqüífero devem ser considerados na interpretação Quando os dados exibem uma tendência linear dos dados de qualidade. A coleta, preservação e em direção a um dos vértices do triângulo de cátions análise da amostra devem ser realizadas de forma e/ou de ânions e a concentração de STD aumenta adequada para garantir a representatividade do local ou diminui, pode ser indicativo, respectivamente, de em estudo. precipitação ou dissolução progressiva. O constituinte Figura 5.2.10 - Diagrama de Stiff para águas de diferentes tipos de rochas (adaptado de Houslow, 1995). 376 Cap_5.2_FFI.indd 18 9/12/2008 21:38:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 5.2.11 - Diagrama de Piper para águas de diferentes tipos de rochas (adaptado de Houslow, 1995). correspondente ao vértice está sendo adicionado ou removido da solução. A figura 5.2.12 mostra reações de precipitação ou de dissolução do gipso, com remoção ou adição de Ca2+ e SO 2-4 ao longo do fluxo. Em geral, quando íons estão sendo adicionados o valor do STD da água aumenta e se outros íons são removidos por troca iônica, tende a ser constante. A presença da montmorilonita favorece a troca iônica ou remoção de Ca2+ e Mg2+ da água e adição de Na+, Figura 5.2.12 - Reações na água subterrânea com aumento neste caso, a dispersão dos pontos migra do lado do de cálcio (adaptado de Houslow, 1995). Ca2+ e Mg2+ em direção ao vértice do Na+. Por analogia, as reações dos ânions são igualmente interpretadas, como se observa na figura 5.2.13. mistura de águas A figura 5.2.14 mostra a mistura de duas águas (1) e (3) que resulta na amostra (2), entre os dois membros finais. A quantidade relativa de cada amostra (1) ou (3) na mistura é inversamente proporcional à distância até o ponto (2), ou seja, quanto mais perto se apresenta a mistura de um membro final, maior sua quantidade na mistura. Não existindo adição ou remoção de alguma fase, a amostra (2) deve exibir igual proporção nos triângulos dos cátions e dos ânions. A proporção relativa dos membros finais na mistura pode ser determinada usando-se a relação matemática: Proporção de 1 = b/(a+b) Proporção de 3 = a/(a+b)a sendo a a distância de um membro (1) para a mistura (2) e b a distância da mistura (2) para o membro (3). relações Iônicas As informações sobre a tipologia química da água junto às relações iônicas (meq/L) têm sido usadas para confirmar a análise química e auxiliar na dedução da Figura 5.2.13 - Reações na água subterrânea com aumento rocha original. As reações químicas podem também de bicarbonato (adaptado de Houslow, 1995). 377 Cap_5.2_FFI.indd 19 9/12/2008 21:38:54 Capitulo 5.2 - Geoquímica das Águas Subterrâneas são mais solúveis; o intemperismo dos silicatos apresenta Mg>Ca; • Ca >= SO 2-4 : a principal fonte de sulfato é o CaSO4 (anidrita, gipso, ácido sulfúrico da oxidação da pirita); se a relação é inversa significa remoção do Ca, por precipitação e/ou troca iônica, ou águas ácidas resultantes da oxidação da pirita; • Na >= Cl: a fonte principal de Cl é o NaCl; o sódio está associado a silicatos e na troca iônica; a relação inversa sugere remoção por troca iônica; • HCO -3 >> SiO2: intemperismo de carbonatos; • Ca > = Na: intemperismo de carbonatos, exceto quando existe troca iônica. 5.2.6 Hidrogeoquímica de Climas tropicais Nos trópicos, o intemperismo das rochas exibe suas particularidades e novos campos de pesquisa nesta área estão emergentes. A extrapolação de conhecimentos relacionados aos ambientes tropicais aos ambientes de clima temperado não é adequada. A velocidade de reações, atividades biológicas e ausência de estações bem definidas são exemplos de alguns de fatores distintos aos dois ambientes. O ferro é um exemplo clássico: a quantidade é Figura 5.2.14 - Mistura de duas águas no diagrama de Piper baixa em sedimentos superficiais e solos de climas (adaptado de Houslow, 1995). temperados e naqueles dos trópicos. A presença de óxidos de ferro é clássica do intemperismo de ser deduzidas quando os dados são representativos de climas tropicais, e a implicação geoquímica do aqüíferos homogêneos, com composição mineralógica ferro é significativa. Sua presença pode mudar o conhecida. As relações iônicas podem ser calculadas comportamento de outras variáveis importantes, como com o auxílio de softwares adequados (WATEVAL matéria orgânica, metais e outros. Um espesso manto ou AQUACHEM). Os tipos químicos comuns para de intemperismo, via de regra, se comporta como meio a classificação da água, seguidos da discussão aqüífero granular ou transmissor de águas infiltradas no das relações iônicas associadas aos aqüíferos com substrato do aqüífero fissural. Em regiões com manto carbonatos e rochas graníticas são apresentados, de intemperismo pouco desenvolvido ou ausente, as respectivamente, nos blocos (1) e (2) abaixo. infiltrações nos meios fissurais e cársticos, de forma (1) Classificação química preferencial, se faz por via direta através de percolações entre as fissuras e cavidades das rochas. • Na-Cl: dissolução da halita ou mistura com água do mar; Diversos fatores afetam o movimento da água no ciclo hidrológico nos trópicos e resultam em efeitos • Na- HCO3: troca iônica; distintos daqueles fora dos trópicos. É importante se • Ca-HCO -3 : água subterrânea comum; considerar o balanço hídrico da região, a presença da • Ca-SO 2-: dissolução de gipso; vegetação, tempo e distribuição das chuvas etc. Em 4 • Ca-Mg-HCO -: dissolução de dolomita ou calcita- geral, a gestão dos recursos hídricos ainda não tem 3 Mg; sido adequada a climas tropicais. Falta conhecimento mais consistente de aspectos relacionados à estrutura, • Ca-F-SO 2-4 : erro provável na análise. funcionamento e dinâmica da água nestas condições. (2) Proporções Iônicas Finalmente, embora muitas pesquisas tenham sido desenvolvidas, existe ainda uma grande lacuna para • Na >> K: intemperismo de feldspatos e micas; a compreensão dos problemas relacionados ao o K é facilmente retido pelas plantas e minerais comportamento da água e migração dos constituintes argilosos; químicos nas condições diversificadas de clima tropical • Ca > = Mg: minerais do tipo calcita, dolomita e gipso úmido, árido e semi-árido atuantes no Brasil. 378 Cap_5.2_FFI.indd 20 9/12/2008 21:38:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações exercícios Propostos DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ, F. W. Physical and chemical hydrogeology. New York: John Wiley and 1) Os dados de análise química da água de cinco poços, Sons, 1990. 824 p. que se situam ao longo do mesmo sentido de fluxo num sistema aqüífero são apresentados na Tabela 5.2.1.5. Com DREVER, J. I. the geochemistry of natural waters. base nos resultados apresentados, pergunta-se: Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1988. 437 p. a) Quais as principais mudanças nos valores de FETTER, C. W. Contaminant hydrogelogy. New concentração dos íons ao longo do fluxo? York: Macmillan Pub. Co., 1993. 458 p. b) Cite os processos químicos associados a estas FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A . Groundwater. En- mudanças e os métodos de interpretação que podem glewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1979. 604 p. ser usados para avaliar estas informações. c) Que fácies hidroquímico será dominante se a água GUERRA, A. M.; NEGRÃO, F. I. Domínios hidrogeo- sofrer mistura com a água do mar? lógicos do Estado da Bahia. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 9., 1996, mg/L Salvador. anais... Salvador : ABAS, 1996. p. 15. Poço t (ºC) pH Ca mg na K HCo3 so4 Cl std HEM, J. D. study and interpretation of the chemical 1 23,8 8 34 5,6 3,2 0,5 124 2,4 4,5 138 characteristics of natural water. 3rd ed. [Reston,VA]: 2 26,3 7,6 54 14 6,9 1 253 3,6 8,5 238 U.S. Geological Survey, 1985. 263 p. (U.S. Geological 3 26,6 7,7 58 17 6,1 0,7 163 71 9 272 Survey Water Supply Paper, 2254). 4 25,4 7,7 66 29 8,3 2 168 155 10 392 5 26,3 7,4 106 60 21 3,7 206 344 28 726 HOUSLOW, A. W. Water quality data: analysis and interpretations. Boca Raton: Lewis Publishers, 1995. tabela 5.2.5 - Dados da análise química da água nos poços investigados. 397 p. 2) Explicar a variação da composição química da água KEHEW, A. E. applied chemical hydrogeology. subterrânea ao longo do fluxo que atravessa uma unidade Upper Saddle River, N.J.: Prentice-Hall, 2001. 368 p. de rochas sedimentares, incluindo calcários (calcita pura), MANAHAN, S. E. Fudamentals of environmental che- arenitos (com albita – NaAlSi3O8), gipso (puro), argilitos, e mistry. Boca Raton: Lewis Publishers, 1993. 844 p. folhelhos ricos em matéria orgânica, disposta de acordo com as três diferentes seqüências sugeridas a seguir. O fluxo da MASON, B.; MOORE, C. B. Principles of geochemis- água começa com a infiltração na zona não saturada em try. 4 th ed. New Deli: Wiley Publishers, 1985. 350 p. equilíbrio com uma específica pressão de CO2. MESTRINHO, S. S. P.; ALBERICH, M. V. E. Acuíferos y a) Solo com matéria orgânica ⇒ calcário ⇒ gipso ⇒ unidades hidrogeológicas In: reCursos hídricos: arenito ⇒ argilito ⇒ folhelho conceptos básicos y estudios de caso en Iberoa- b) Solo com matéria orgânica ⇒ arenito ⇒ argilito ⇒ mérica. 2. ed. Montevideo: Ed. Piriguazú, 2006. v.1. calcário ⇒ gipso ⇒ folhelho cap III. 1. c) Solo com matéria orgânica ⇒ gipso ⇒ argilito ⇒ MESTRINHO, S. S. P. Fundamentos de hidrogeoquí- calcário ⇒ arenito ⇒ folhelho mica In: reCursos hídricos: conceptos básicos y estudios de caso en Iberoamérica. 2. ed. Monte- video : Piriguazú Ed., 2006, v.1. Cap. IV. 3. referências MESTRINHO, S. S. P. Qualidade das águas. In: BERNER, E. K.; BERNER R. A. the global water GONÇALES, V. G. ; GIAMPÁ, C. E. Q. (Ed.) Águas cycle: geochemistry and environment. Englewood subterrâneas e poços tubulares profundos. São Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1987. 397 p. Paulo: Signus, 2006. p. 99-136. APPELO, C. A. J.; POSTMA, D. Geochemistry, OLIVEIRA, S. P. B.; BATISTA, J. J. Influência do índice groundwater end pollution. 2nd ed. Leiden: Balke- de aridez e da litologia nos processos de salinização ma, 2005. 649 p. das águas do Aqüífero Fissural na região semi-árida do Nordeste. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CARVALHO, I. G. Fundamentos da geoquímica dos ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 10., 1998, São Paulo. processos exógenos. Salvador: Bureau Gráfica e anais... São Paulo: ABAS, 1998. 1 CD-Rom. Editora, 1995. 239 p. REBOUÇAS, A. C. Metodologia de la evaluación de CHAPELLE, F. H. Groundwater microbiology and sistemas acuiferos. In: CONGRESSO LATINO AME- geochemistry. New York: Jonh Wiley and Sons, 1993. RICANO DE HIDROLOGIA SUBTERRÂNEA, 2., 1994, 424 p. Santiago. Curso pré-congresso. Santiago: ALHSUD, COSTA, W. D. Problemática da água subterrânea no 1994. 38 p. Nordeste brasileiro. revista Águas subterrâneas, SZIKSZAY, M. Geoquímica das águas. boletim IG- São Paulo, v. 1, n. 14, p. 62-88, 1996. usP: Série didática, São Paulo, n. 5, nov. 1993. 166 p. 379 Cap_5.2_FFI.indd 21 9/12/2008 21:38:54 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 5.3 ContamInação das Águas suBterrâneas João Manoel Filho 5.3.1 Introdução usos: • regulação de processos biológicos; Od esenvolvimento industrial acelerado que teve lugar no mundo no último meio século, • navegação;culminou, como se sabe, com a formação • geração de energia elétrica; de grandes aglomerações urbanas. A degradação que este processo já causou ao meio ambiente nas • refrigeração de máquinas; últimas três décadas e os males que ainda continua • processos químicos industriais; disseminando, estão longe de serem revertidos, a despeito da preocupação manisfestada por boa • limpeza e transporte de dejetos em geral. parte da sociedade. Nos países desenvolvidos, as descargas de produtoss químicos solúveis, de Conceito de Contaminação e Poluição resíduos industriais de toda sorte, e bem assim de resíduos sólidos e líquidos urbanos, são enormes e Os conceitos e definições apresentados a seguir crescem a cada dia. Nos países em desenvolvimento, fazem parte da linguagem dos profissionais da área de a falta de saneamento e a precariedade dos controles Recursos Hídricos e pesquisadores em geral. sobre as atividades industriais, também se refletem na degradação do meio ambiente, sobretudo dos Água subterrânea - é uma solução diluída de recursos de água superficial e subterrânea. inúmeros elementos e compostos sólidos, líquidos ou Os problemas de melhoria da qualidade da água gasosos em proporções diversas, provenientes do ar superficial exigem a redução dos lançamentos de resíduos (durante o processo de condensação e precipitação), dos nas fontes de poluição conhecidas. Já a proteção dos solos e das rochas (nas quais circula ou é armazenada) aqüíferos exige a identificação das áreas e dos mecanismos e do contato com as atividades humanas. através dos quais os poluentes podem alcançar os Poluir (do latim polluere = sujar) - a poluição pode sistemas de fluxo subterrâneo. Para tanto, é necessário ser definida como uma alteração artificial da qualidade fazer previsões, as mais confiáveis possíveis, sobre o físico-química da água, suficiente para superar os transporte de contaminantes na água subterrânea. limites ou padrões preestabelecidos para determinado O objetivo deste capítulo é tratar dos conceitos básicos de contaminação e poluição, descrever o fim. Por exemplo, o aumento da temperatura de uma comportamento hidroquímico de contaminantes e água, além dos limites tolerados por uma determinada apresentar os modelos básicos de transporte de espécie de peixes, representa uma poluição da água solutos no meio poroso. para a finalidade a que se destina. Poluente - é toda e qualquer substância que 5.3.2 Fundamentos Básicos ameaça a saúde, a segurança e o bem-estar (questões econômicas), traz prejuízo para a vida aquática, A importância da água para a vida na Terra e para as altera as características de águas receptoras para atividades humanas pode ser avaliada pelas principais determinados fins ou modifica normas de qualidade funções e usos dessa substância, mostrados a seguir. preestabelecidas. Funções: Água poluída - o conceito de água poluída depende • compõe 70% do corpo humano; do ponto de vista do qual se encara o problema, ou seja, uma água pode ser considerada poluída para • é um ambiente para a vida aquática; um determinado fim e não para outro. A seguir, serão • é um elemento vital para os seres vivos; apresentados alguns exemplos, mostrando diversas • desempenha funções fisiológicas (regula a situações onde a água pode ser considerada como temperatura do corpo e dilui componentes solúveis). poluída. 381 Cap_5.3_FFI.indd 1 9/12/2008 21:46:21 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas • Piscicultura - para um piscicultor, uma água com origens de Contaminação da Água temperatura muito elevada para uma determinada subterrânea espécie de peixe pode ser considerada como poluída, na medida em que compromete a As contaminações das águas subterrâneas podem sobrevivência da espécie de seu interesse; ter origens diversas, sendo atualmente mais comuns • agricultura - para um agricultor, uma água pode aquelas relacionadas diretamente com atividades ser considerada poluída, se apresentar um teor industriais, domésticas e agrícolas. excessivo de sódio e/ou uma salinidade elevada o atividades Industriais - as indústrias podem bastante para afetar o desenvolvimento da cultura produzir contaminação subterrânea através de: que estiver desenvolvendo; • águas usadas, contendo compostos químicos, • ecologia - uma água cuja qualidade comprometa metais e/ou com alta temperatura; a vida silvestre, reduzindo o desenvolvimento • elementos radioativos; de uma determinada espécie animal predadora (por exemplo, pássaros que se alimentam de • chorumes (infiltrações através de aterros sanitários, insetos), pode trazer como conseqüência, a longo lixões etc); prazo, o desenvolvimento acelerado da espécie • acidentes com produtos químicos. presa, causando um desequilíbrio ecológico. O desenvolvimento excessivo dos insetos, no caso, atividades domésticas - a atividade doméstica pode poderia afetar as culturas, prejudicando o homem, contaminar a água subterrânea das seguintes maneiras: criando, assim, uma cadeia de conseqüências e • chorumes de aterros sanitários, lixões etc; alterando o ambiente natural. A presença de zinco, • acidentes com rompimentos de fossas sépticas ou por exemplo, mesmo em concentrações da ordem de redes de esgotos. 0,02 mg/L, é considerada tóxica para os peixes. O limite recomendado para água potável é de 5 mg/L, atividades agrícolas - a agricultura pode contaminar admitindo-se como toleráveis concentrações de até a água subterrânea através de: 40 mg/L; • solutos dissolvidos por chuva ou irrigação; • engenharia sanitária - diz-se que uma água é • fertilizantes minerais, naturais etc.; poluída se ameaçar a saúde pública. • sais, herbicidas, pesticidas etc. Água contaminada - é uma água que possui organismos patogênicos, substâncias tóxicas e/ou Fontes de Contaminação da Água radioativas, em teores prejudiciais à saúde do homem. subterrânea Assim, toda água contaminada é poluída, mas nem toda água poluída (desde que não afete a saúde do De acordo com a classificação estabelecida pelo homem) é contaminada. Office of Technology Assessment (OTA) do Congresso dos Quanto à distribuição espacial, a poluição (e a Estados Unidos, modificada por Fetter (1993), é possível contaminação que pode originar) pode ser: distinguir as seguintes fontes de contaminação: • Pontual - quando a fonte está concentrada numa (a) Fontes projetadas para recepção de pequena superfície, como por exemplo um poço substâncias: tubular, ou escavado; • fossas sépticas (águas residuais e esgotos • difusa - quando a fonte de contaminação se domésticos); estende, mesmo com baixa concentração, sobre • poços de injeção (resíduos perigosos, run-off uma grande superfície, como é o caso de áreas urbano, esgotos municipais); de irrigação ou áreas urbanas, ou do transporte • aplicações no solo como fertilizantes (lodos de por via atmosférica; estações de tratamento, esterco de animais em • Linear - quando a fonte de contaminação é um rio ou currais, aviários etc.); canal. Nitrogênio, fósforo e metais pesados podem Em geral, as contaminações pontuais dão origem originar-se dessas fontes e contaminar as águas a concentrações elevadas, localizadas em plumas subterrâneas. que podem permanecer estratificadas em um (b) Fontes projetadas para armazenar, tratar ou aqüífero. As contaminações difusas tendem a criar receber substâncias: uma estratificação regionalizada e os mananciais de superfície e poços produzem uma mistura • aterros sanitários (lixões urbanos, restos de demolições, contaminada e não contaminada, em proporções lodos de estações de tratamento, materiais tóxicos e crescentes com o tempo. resíduos perigosos de fundições ou indústrias); 382 Cap_5.3_FFI.indd 2 9/12/2008 21:46:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • valas clandestinas abertas (lixo doméstico queimado, modos de Contaminação da Água cujas cinzas, diluídas pelas chuvas, podem produzir subterrânea contaminações da água subterrânea); • resíduos de mineração; Nos aqüíferos, devido à lenta circulação das águas • vazamentos em tanques de armazenamento (produtos subterrâneas, capacidade de adsorção dos terrenos e de petróleo, químicos agrícolas e outros). pequeno tamanho dos canalículos, uma contaminação pode levar muito tempo até manifestar-se claramente. O (c) Fontes projetadas para reter substâncias notável poder de depuração dos aqüíferos, em relação durante transporte: a muitos contaminantes, e o grande volume de água • vazamentos em oleodutos, gasodutos, esgotos etc; que armazenam, fazem com que as contaminações extensas se manifestem muito lentamente e as • acidentes com caminhões e trens condutores de contaminações localizadas somente apareçam depois produtos químicos. de algum tempo e, mesmo assim, quando deslocadas (d) Fontes produtoras de substâncias em virtude para captações em explotação. de outras atividades: Em outras palavras, os aqüíferos são muito menos vulneráveis à poluição do que as águas • irrigação (percolação do excesso de água de superficiais. Mas, uma vez produzida a contaminação, irrigação até o nível freático, levando pesticidas e a recuperação, dependendo do tipo de contaminante, fertilizantes dissolvidos); pode levar muitos anos e até mesmo tornar-se • aplicações de pesticidas para controle de pragas economicamente inviável. (ervas daninhas, insetos, fungos etc.); De um modo geral, as águas subterrâneas podem • aplicações de fertilizantes (nitrogênio, fósforo, sofrer contaminação direta, sem diluição, quando potássio, dos quais apenas o nitrogênio pode se o poluente atinge diretamente o aqüífero através de constituir em contaminante); poços negros ou poços abandonados e/ou com • run-off urbano (sólidos dissolvidos e em suspensão, deficiências construtivas, e contaminação indireta, oriundos das emissões dos veículos motorizados, com diluição, quando o poluente atinge o aqüífero depois de passar por alterações a partir do ponto de resíduos de óleos e graxas, fezes); origem. A seguir serão discutidas as formas mais usuais • percolação de poluentes atmosféricos (emissões de contaminação da água subterrânea. de automóveis, fumaças de indústrias, incinerações etc.). Os poluentes incluem hidrocarbonetos, exposição de resíduos sólidos no solo químicos orgânicos sintéticos, químicos orgânicos naturais, metais pesados, compostos de enxofre e As atividades industriais e municipais das grandes de nitrogênio. cidades produzem diariamente grandes quantidades de resíduos sólidos que são armazenados em aterros (e) Fontes que podem atuar como condutoras ou simplesmente lançados na superfície do terreno. da água contaminada: Estimativas feitas por Yen & Scanlon (1975) indicam que uma cidade de 1 milhão de habitantes pode gerar • poços produtores (óleo, gás, energia geotérmica um volume anual capaz de cobrir uma área de 80 ha e água), nos quais os contaminantes podem ser com profundidade média de 5 m. Embora parte desse introduzidos durante a perfuração; volume possa ser reduzida por meio de reciclagem • poços mal construídos, com cimentações deficientes, de materiais e por incineração, o método básico de e/ou com revestimentos corroídos, podem constituir- armazenagem desses resíduos continua sendo os se em vias de contaminação entre aqüíferos; aterros sanitários. • poços escavados (tipo amazonas), abandonados, Mantell (1975) apresenta uma discussão sobre podem ser usados como receptores de lixo. o projeto, construção e operação de locais para armazenamento de resíduos. Nos aterros sanitários, o (f) Fontes naturais cuja descarga é criada pela resíduo sólido é reduzido em volume por compactação atividade humana: e, em seguida, coberto com terra. Em condições ideais, • Interações entre água superficial e subterrânea os projetos recomendam que o recobrimento do (indução da água de um rio contaminado em um resíduo compactado, com terra, seja feito diariamente, aqüífero); mas na prática isso acontece com menor freqüência. O aterro, constituído de uma sucessão de camadas • Lixiviação natural (minerais dissolvidos de rochas e de lixo compactado e terra, pode ser construído na solos em níveis que podem atingir de 10 a 100 g/L superfície do solo ou em escavações. de sólidos totais dissolvidos); Principalmente nas regiões úmidas, o lixo enterrado • Intrusão de água do mar em aqüíferos costeiros em aterros sanitários está sujeito a produzir, sob o efeito (avanço regional e ascensão do cone de água das percolações dos excessos da água de chuva, um salgada pela base das estruturas de captação). líquido contaminante que se denomina chorume. O STD 383 Cap_5.3_FFI.indd 3 9/12/2008 21:46:21 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas (Sólidos Totais Dissolvidos) do chorume além de ser e mais de 50 m de profundidade. Os processos físicos bastante alto, pode ainda conter muitos contaminantes e químicos nem sempre são capazes de produzir uma inorgânicos e orgânicos (tabela 5.3.1). redução significativa das substâncias tóxicas existentes Robertson et al. (1974) identificaram mais de nas plumas de chorumes. 40 compostos orgânicos em águas subterrâneas Em geral, a escolha de locais com características contaminadas por chorumes oriundos de plásticos e hidrogeológicas ideais para a deposição de lixo outros materiais sólidos industriais, em um aqüífero urbano ou de resíduos perigosos não é fácil. São, arenoso nos Estados Unidos. Muitos chorumes principalmente, problemas estéticos e de custo contêm substâncias tóxicas provenientes de resíduos de transporte que tornam certas áreas impróprias industriais líquidos jogados em aterros sanitários. São para a construção de aterros sanitários. Por essas e muitos os exemplos de contaminações de aqüíferos outras razões, é que muitos locais de deposição de por aterros sanitários. Entre eles pode-se destacar lixo são encontrados em terrenos que apresentam os trabalhos de Garland & Mosher (1975), Apgar & no mínimo algumas características hidrogeológicas Satherthwaite (1975), Mackay et al. (1986), Freyberg desfavoráveis. (1986) e Roberts et al. (1986). Já está comprovado que em regiões úmidas, as Em aterros sanitários ou em lixões situados sobre infiltrações de água de chuva nos aterros sanitários materiais permeáveis, como por exemplo, areias, produzem chorume pelo menos durante os primeiros cascalhos ou rochas fissuradas, a migração do 30 ou 40 anos de sua existência. Sabe-se muito chorume pode produzir, após algumas décadas, pouco sobre a capacidade de produção de chorume contaminação das águas subterrâneas ao longo de em períodos muitos longos (Freeze & Cherry, 1979). áreas muito maiores do que a ocupada pelos resíduos. Foi observado, por exemplo, que alguns aterros Nos Estados Unidos, Kimmel & Braid (1974) mapearam sanitários da época do Império Romano ainda estão uma pluma de chorume com extensão superior a 3 km produzindo chorume. Por outro lado, a conclusão de muitos pesquisadores é que nos dias de hoje existem pouquíssimas ocorrências de aqüíferos contaminados Faixa de Variação por chorumes. Resta saber, de agora em diante, se essa Parâmetro (mg/L) conclusão será a mesma nos próximos séculos. K+ 200 -1.000 Em locais planejados e devidamente operados, Na+ 200 -1.200 os resíduos sólidos podem ser enterrados sem oferecer praticamente nenhum risco para as águas Ca2+ 100 -3.000 subterrâneas. Antes de mais nada, um estudo Mg2+ 100 -1.500 hidrogeológico prévio para a escolha do local é Cl- 300 -3.000 essencial. O chorume jamais deve ser deixado escoar SO 2- 10 -1.000 sem controle, mas sim coletado e tratado como resíduo 4 líquido (Farvolden & Hughes, 1976). Uma das maneiras Alcalinidade 500 -10.000 preconizadas para garantir que o chorume não vai Fe (total) 1-1.000 escapar da área do aterro sanitário é criar um gradiente Mn 0,01-100 hidráulico local mediante bombeamento de poços ou Cu <10 construir um dreno. Esses métodos todavia, implicam na necessidade de tratamento do chorume. Ni 0,01-1 Além de chorume, a infiltração de água de chuva Zn 0,1-100 em depósitos de resíduos produz vários tipos de gases Pb < 5 por decomposição bioquímica de matéria orgânica. Os Hg < 0,2 mais comuns são: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), gás sulfídrico (H2S), hidrogênio gasoso (H2) e NO -3 0,1-10 nitrogênio gasoso (N2). A migração de gases de aterros NH +4 10 -1.000 sanitários, além do perigo representado pela eventual Carbono orgânico total dissolvido explosão de metano, pode causar danos à vegetação 200 - 30.000 (COTD) e criar problemas estéticos, além do mau odor. Estudos de casos de migração de gases são descritos por Demanda química de oxigênio 1.000 - 90.000 Flower (1976) e Mohsen (1975). (DQO) Sólidos totais dissolvidos (STD) 5.000 - 40.000 Lançamentos de esgotos pH 4 - 8 Os esgotos são lançados sobre ou abaixo tabela 5.3.1 - Faixas de variação dos teores de substâncias da superfície do solo de várias maneiras. O uso contaminantes dissolvidas no chorume de aterros sanitários generalizado de fossas sépticas e drenos, não somente (Freeze & Cherry, 1979; Griffin et al., 1976; Leckie et al., contribui para que o esgoto filtrado alcance a superfície 1975). do terreno, como se constitui, provavelmente, numa 384 Cap_5.3_FFI.indd 4 9/12/2008 21:46:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações das principais causas de contaminação da água removidas por filtração e adsorção, de maneira que o subterrânea no mundo. Nos países industrializados, seu avanço é muito retardado em relação à velocidade a porcentagem de esgotos municipais submetidos a do fluxo advectivo. Em areias médias ou em materiais tratamento primário e secundário está aumentando mais finos, organismos patogênicos e coliformes somente e contribuindo para reduzir a poluição das águas conseguem penetrar alguns metros (Krone et al., 1958). superficiais. Não obstante, esses tratamentos Estudos de campo, todavia, mostraram que em produzem grandes volumes de matéria sólida residual aqüíferos heterogêneos de areia ou cascalho, bactérias conhecida como lodo de esgoto. Em muitas áreas, oriundas de esgotos podem ser transportadas por tanto esse lodo quanto o esgoto líquido, que contêm dezenas ou centenas de metros na água subterrânea substâncias nutrientes como nitrogênio e fósforo, (Krone et al., 1957; Wesner & Baier, 1970). além de metais pesados, são lançados na superfície Os vírus são partículas orgânicas muito pequenas (0,07 do terreno em zonas florestais e de cultivo. Essas - 0,7 mm) e relativamente imóveis em materiais geológicos substâncias representam o adubo que estimula o granulares (Drewry & Eliassen, 1968; Robeck, 1969; Gerba crescimento da vegetação e das culturas agrícolas, et al., 1975; Lance et al., 1977). Em depósitos granulares tornando férteis até mesmo terras inférteis. Mas, um muito permeáveis, a adsorção é um mecanismo de dos impactos negativos dessa prática é o perigo retardamento mais importante do que a filtração. Em potencial de degradação da qualidade das águas campo, o comportamento dos vírus em aqüíferos é subterrâneas. Em algumas situações, efluentes de pouco compreendido por conta das dificuldades de esgotos intensamente tratados são usados na recarga amostragem e identificação dos mesmos. artificial de aqüíferos, seja para fins de abastecimento Ao contrário do que acontece nos meios porosos urbano de água, seja para controle da intrusão de água granulares, onde vírus e bactérias de esgotos penetram salgada em aqüíferos costeiros. pequenas distâncias quando transportadas pela Segundo Freeze & Cherry (1979), uma das mais água subterrânea, nos meios fraturados as distâncias sérias conseqüências do lançamento de esgotos no alcançadas podem ser bastante grandes. Isto porque solo, através de fossas sépticas, foi a contaminação esses microorganismos podem viver por muitos dias ou, da água subterrânea por alkyl benzeno sulfonatos até mesmo, por meses abaixo do nível freático. Como (ABS), que são substâncias não biodegradáveis e nas fraturas a velocidade da água subterrânea pode que até meados dos anos 1960 eram os principais ser bem elevada, o tempo é suficiente para produzir componentes dos detergentes de uso doméstico. distâncias de transporte de vários quilômetros. Vários casos de contaminação de aqüíferos freáticos pouco profundos nos Estados Unidos foram descritos atividades agrícolas por Perlmutter et al. (1964). O uso de fertilizantes e pesticidas nas atividades A partir de 1965, a indústria de detergentes agrícolas é responsável pela degradação da qualidade substituiu o ABS pelo LAS (linear alkyl sulfonato), que da água subterrânea em muitas áreas de cultivo intenso. é um composto biodegradável em ambiente aeróbico. Nos países industrializados, é mais freqüente o uso de Daí em diante, os casos de contaminação de poços fertilizantes inorgânicos, quimicamente manufaturados, por detergentes praticamente desapareceram, o que enquanto que nos países em desenvolvimento, foi até certo ponto considerado surpreendente, porque geralmente empregam-se dejetos humanos ou de muitos sistemas sépticos drenam para ambientes animais como fertilizantes orgânicos. anaeróbicos de água subterrânea, nos quais os efeitos Os três principais nutrientes exigidos pelas culturas da biodegradação provavelmente são mínimos. O LAS são: nitrogênio (N), potássio (K) e fósforo (P). As pode sofrer retardamento por adsorção. quantidades anuais aplicadas desses elementos Um outro contaminante oriundo de sistemas variam muito de um lugar para outro, de acordo com sépticos e presente na água subterrânea é o as colheitas. Para o nitrogênio, as aplicações variam na nitrato, considerado como um dos mais freqüentes. faixa de 100 a 500 kg/ha.ano (Freeze & Cherry, 1979). Geralmente é transportado com a água subterrânea Como os fertilizantes são usados todos os anos, é de se e não sofre completa redução bioquímica para esperar que em muitas áreas os excessos se infiltrem e nitrogênio gasoso (N2). alcancem o nível freático contaminando os aqüíferos. Outro problema associado com o lançamento de Dentre os fertilizantes, o principal contaminante é o esgotos, tratados ou não, na superfície do terreno ou nitrogênio (N) na forma de nitrato (NO -3 ). O nitrato move-se à pequena profundidade, é o de saber a que distância com a água subterrânea e pode atingir extensas áreas. e a que velocidade bactérias patogênicas e vírus Concentrações superiores aos limites permissíveis podem se mover em sistemas de fluxo subterrâneo. para água potável são encontradas em muitas regiões Esse problema é também crucial na delimitação de áreas agrícolas do mundo, como, por exemplo, na Inglaterra de proteção de poços que explotam água subterrânea (Foster & Crease, 1972), Alemanha (Groba & Hahn, para abastecimento humano nas proximidades de rios 1972) e Estados Unidos (Ayers & Branson, 1973; contaminados. Quando as bactérias são transportadas Spalding et al., 1978; Hill, 1982; Flipse et al., 1984). com a água subterrânea no meio poroso, elas são Em áreas onde existem componentes verticais de 385 Cap_5.3_FFI.indd 5 9/12/2008 21:46:21 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas fluxo, a contaminação por nitrato pode atingir grandes em comparação com o grau de atração das moléculas profundidades. Por exemplo, a presença de nitratos em mk. Essa tensão (dinas/cm) é definida como o trabalho poços profundos (240 a 400 m) na Califórnia, aumentou necessário para separar por unidade de área, uma aproximadamente de 1 mg/L em 1950, para uma faixa substância da outra. de 10 - 17 mg/L em 1962 (Broadbent, 1971). A figura 5.3.1 mostra a tensão interfacial entre dois líquidos, g e L, e uma superfície sólida. O ângulo derramamento e Vazamento de Petróleo q, formado pela interface entre os dois líquidos e Nos países industrializados e, sobretudo, nas a superfície sólida, medido no líquido mais denso, grandes cidades, existem centenas de milhares de é chamado ângulo de contato, que é dado pela tanques de aço enterrados, armazenando derivados equação (5.3.1). Essa equação relaciona o ângulo de hidrocarbonetos em postos de gasolina. Produtos de contato com as tensões interfaciais para as três de petróleo são transportados ao longo de milhares interfaces: líquido G/sólido, líquido L/sólido e líquido de quilômetros de oleodutos subterrâneos através dos G/líquido L. continentes. Caminhões tanques, transportando óleo sSG − sSL e gasolina, estão permanentemente circulando. Não é cos(q) = s (5.3.1) de admirar, portanto, que essas fontes estejam quase GL sempre produzindo vazamentos e/ou derramamentos Em geral, um ou outro fluido espalha-se e adere e ameaçando deteriorar a qualidade das águas à superfície do sólido, isto é, molha o sólido. Este é o subterrâneas. Em muitos países, são comuns os chamado conceito de molhabilidade. Se q > 900 o líquido problemas de vazamento de combustíveis através de L preferencialmente molha a superfície. Se q > 900, o tanques muito velhos. Esses vazamentos tendem a líquido g preferencialmente molha a superfície sólida. contaminar as águas subterrâneas quando os níveis Ou seja, se temos dois líquidos competindo por uma freáticos são muito altos e as infiltrações de água de superfície, um domina e adere à superfície sólida. Em chuva são freqüentes. sistemas óleo-água, a água tende preferencialmente A contaminação por produtos de petróleo, seja a a molhar a superfície sólida. Todavia, se a superfície partir de vazamento de tanques, de oleodutos ou de é seca e fica inicialmente molhada pelo óleo, então o derramamentos na superfície do terreno, é um tipo de óleo é o líquido que molha o sistema. Um carro que foi poluição muito diferente daquela produzida por outros encerado é um exemplo de uma superfície “molhada produtos. A principal diferença é que óleo e gasolina pelo óleo”. Sobre ela a água forma bolhas isoladas são menos densos do que a água e imiscíveis nela. que não conseguem se espalhar como fazem sobre a Por isso, óleo ou gasolina oriundos de vazamentos superfície de um carro não encerado. ou derramamentos, só migram na zona não saturada. Pode-se concluir, então, que a zona não saturada Tratam do assunto Schwille (1967), Van Dam (1967), pode ser molhada pelo óleo, se o solo é seco, ou pela Dietz (1971), Egberg & Sunada (1984) e Abdul (1988). água, se o solo é úmido. Para graus de saturação muito A zona não saturada tem o seu espaço vazio ocupado baixos, a água forma anéis pendulares ao longo dos por água e ar. Um derramamento de óleo (ou derivado pontos de contato entre os grãos, com um filme muito de petróleo) na superfície do solo, gera uma terceira fase fino de água aderindo à superfície restante dos grãos. fluida que, sob o efeito da força gravitacional e de forças A água não se move, mas, mesmo assim o sistema é capilares, vai competir pelo espaço poroso disponível. Por molhado pela água. exemplo, para água, ar e óleo, vão existir permeabilidades Quando ocorre um espalhamento de óleo (ou não saturadas kw, ka e ko, respectivamente, chamadas derivado, como a gasolina por exemplo) na superfície de permeabilidades efetivas dos respectivos fluidos. do solo, se o terreno estiver seco, produz-se uma zona Como a área da seção transversal do espaço poroso disponível para cada fluido é menor do que a área total de vazios, introduz-se o conceito de permeabilidade relativa, definido, para cada fluido, como a relação entre a permeabilidade efetiva e a permeabilidade total (ou intrínseca) da rocha. A permeabilidade efetiva de cada uma das fases é função do grau de saturação. Na superfície de contato entre um líquido e uma outra substância (por exemplo, um outro líquido imiscível, um gás ou um sólido), existe uma energia interfacial livre, denominada tensão interfacial, entre as duas fases. Essa energia resulta da diferença no grau de atração das moléculas de uma substância em relação à outra. A tensão interfacial sik, para duas substâncias, i e k, resulta da diferença no grau de Figura 5.3.1 - Representação esquemática da distribuição de atração (na superfície de contato) das moléculas mi, tensão interfacial entre dois líquidos e uma superfície sólida. 386 Cap_5.3_FFI.indd 6 9/12/2008 21:46:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações molhada pelo óleo. No primeiro estágio da migração, homem isolar com segurança os resíduos radioativos o movimento do óleo é vertical, sob a influência da da biosfera por longos períodos de tempo. gravidade, e apresenta alguma migração lateral O chamado ciclo do combustível nuclear envolve condicionada por forças capilares. O movimento todos os estágios da indústria nuclear, nos quais são descendente do óleo cessa quando o mesmo atinge gerados resíduos radioativos. Esses estágios incluem à zona saturada. Ocorre, então, uma considerável a mineração, trituração, refinamento e enriquecimento migração lateral dentro da zona capilar e proximidades de urânio, fabricação de combustível, consumo da superfície freática. Como o óleo é imiscível na de combustível em reatores, reprocessamento de água e menos denso que ela, ele pode deprimir a combustível, solidificação de resíduos e armazenagem superfície freática, mas não penetra na zona saturada. de resíduos em repositórios geológicos profundos. Um Teoricamente, a estabilidade acontece quando a subproduto indesejável dessas atividades é a produção migração lateral por forças capilares torna-se muito de grandes volumes (centenas de milhões de m3/ano lenta e ocorre uma condição chamada de saturação nos Estados Unidos) de rejeitos de mineração, que residual de óleo. ficam acumulados na superfície do solo ou preenchendo Quando o derrame ou vazamento de óleo é um depressões topográficas confinadas por diques de pequeno volume em relação à superfície disponível para terra. Como esses rejeitos contêm isótopos de urânio, contato, à medida que o óleo se move através da zona tório e rádio, os rejeitos de mineração são considerados não saturada, a zona de migração de óleo pode atingir a de baixo nível radioativo. O rádio 226 (226Ra), com uma saturação residual e permanecer imóvel antes de penetrar meia-vida de 1.620 anos é o elemento que apresenta até a superfície freática. O volume V, de meio poroso o maior perigo ambiental. A sua concentração máxima necessário para imobilizar um dado volume V , de óleo, permitida na água potável é de 3 picos Currie por litro 0 -9 depende de dois fatores: porosidade (η) do meio e tipo (3 pCi/L), equivalente a 10 mg/L. de hidrocarboneto que constitui o óleo, conforme indica A refinação do urânio gera pequenas quantidades a equação (5.3.2) (Freeze & Cherry, 1979). de resíduos sólidos ou semisólidos de baixo nível radioativo, que geralmente contêm 226Ra, 230Th e 238U V0 em concentrações pequenas, mas significativas. V = ηS (5.3.2) Esses rejeitos são enterrados próximo às refinarias, 0 em pouca profundidade. Na refinaria de Port Hope, sendo s a saturação residual do óleo. Ontário, depois de mais de 20 anos de enterrado, um 0 rejeito ainda produzia chorume contendo 226Ra, além Na prática, sob condições de campo, não é possível de outros contaminantes não radioativos. obter os dados necessários para avaliar a distribuição A operação de reatores nucleares para produção de das permeabilidades relativas e, por isso, fica difícil energia, de armas ou para pesquisa, gera resíduos de baixo efetuar quantificações. Modelos de laboratório (Schwille, nível radioativo na forma de equipamentos descartados 1967), comprovaram que pequenas diferenças nas ou de refugos ligeiramente radioativos oriundos da permeabilidades, lateral ou vertical, podem produzir grandes descontaminação de locais de trabalho. Os rejeitos de distorções na forma da zona de migração de óleo. reatores contêm diversas espécies de nuclídeos com Os derrames acidentais e os vazamentos de meias-vidas variando de segundos até dezenas de anos produtos de petróleo na superfície da Terra, geralmente, ou mais. Dentre esses, o césio 137 (137Cs), o estrôncio 90 não envolvem grandes volumes de fluido e, além disso, (90Sr) e o cobalto 60 (60Co), com meias-vidas de 28, 33 a migração é limitada pela saturação residual de óleo. e 6 anos respectivamente, são os mais perigosos para Essas características podem levar a pensar que esses o ambiente. Rejeitos com esses nuclídeos precisam de produtos não representam uma séria ameaça à qualidade centenas de anos para decair até níveis muito baixos de das águas subterrâneas. Isso não é verdade. O óleo cru radioatividade (Freeze & Cherry, 1979). e seus derivados são constituídos de hidrocarbonetos Esses resíduos radioativos enterrados em pequena de alta solubilidade na água. A gasolina, por exemplo, profundidade podem ser considerados como uma fonte tem solubilidade de 20 a 80 mg/L. Pode ser detectada potencial de contaminação das águas subterrâneas e pelo gosto e odor em concentrações inferiores a 0,005 de outros ambientes. Para evitar problemas de migração mg/L (Ineson & Packham, 1967). de resíduos nucleares enterrados, os pesquisadores recomendam que os repositórios fiquem situados Lançamento de resíduos radioativos em ambientes hidrogeológicos capazes de garantir isolamento a longo prazo. O local precisa: Temida por muitos como uma ameaça para o futuro da espécie humana e por outros considerada • ter estabilidade geomorfológica e estrutural; como uma solução para os problemas de energia do • estar isolado de superfícies rochosas fraturadas planeta, a geração nuclear de eletricidade deu lugar a e de zonas em que o regime de fluxo subterrâneo controvérsias em todo o mundo. Atualmente existem seja complexo demais para permitir uma avaliação muitas incertezas sobre as atividades de geração de confiável do fluxo (ou seja, o local deve apresentar energia nuclear. Uma delas é sobre a capacidade do um padrão hidrogeológico simples); 387 Cap_5.3_FFI.indd 7 9/12/2008 21:46:22 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas • não apresentar linhas de fluxo subterrâneo que conduzam diretamente à biosfera ou a zonas de explotação de água potável; • reunir condições favoráveis de baixa velocidade da água subterrânea e de retardamento químico; • ter um nível freático profundo o bastante para que o rejeito possa ser enterrado na zona não saturada. Estas condições são consideradas como ideais e a experiência revela que nem sempre são fáceis de serem reunidas em um mesmo local. exemplos de Contaminações Indiretas de aqüíferos e Poços São apresentados a seguir alguns possíveis Figura 5.3.3 - Freático contaminado (de maior carga) poluindo um modelos de contaminação da água subterrânea: aqüífero confinado profundo, através de um poço abandonado com rupturas no revestimento na zona contaminada. • filtração vertical descendente, através de uma camada semipermeável, de água contaminada de um aqüífero livre superior de maior carga potenciométrica (figura 5.3.2); • contaminação produzida por deficiência construtiva em poços ou por efeitos de corrosão no revestimento (5.3.3, 5.3.4 e 5.3.5); • intrusão de água salgada por ascensão de cone salino em poços produtores (figura 5.3.6); • infiltrações através da zona não saturada a partir de fossas sépticas ou a partir de irrigações praticadas com águas residuais (figura 5.3.7); • infiltrações através da zona não saturada a partir de águas de chuvas penetrantes em depósitos de lixo, ou em depósitos de rejeitos de explotação mineral (figura 5.3.8). Figura 5.3.4 - Freático contaminado (de maior carga) polu- indo um aqüífero confinado profundo, através de um poço com defeito de cimentação, permitindo filtração vertical descendente pelo espaço anelar. Figura 5.3.5 - Freático contaminado (de maior carga) poluindo a água bombeada de um aqüífero confinado profundo através de Figura 5.3.2 - Lento processo de contaminação de um um poço com rupturas no revestimento, que permitem a entrada aqüífero confinado drenante profundo, por filtração vertical direta de água contaminada e com defeito de cimentação, que descendente de água contaminada de um aqüífero freático permite filtração vertical descendente de água contaminada de maior carga potenciométrica. pelo espaço anelar e entrada na captação pelos filtros. 388 Cap_5.3_FFI.indd 8 9/12/2008 21:46:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Principais tipos de Contaminantes Os principais tipos de contaminantes da água subterrânea podem ser classificados em: inorgânicos, orgânicos e biológicos. Contaminantes Inorgânicos - nitrogênio agrícola, radionuclídeos (produtos radioativos), nitritos e nitratos e metais pesados (mercúrio, cádmio, chumbo etc). Contaminantes orgânicos - pesticidas, pesticidas agriquímicos, aditivos de gasolina e produtos de petróleo conhecidos como BTEX (benzeno, tolueno, eteno, xileno). Contaminantes Biológicos - bactérias e vírus. 5.3.3 Comportamento Hidroquímico de Contaminantes São inúmeros os processos hidroquímicos que afetam as substâncias contaminantes das águas Figura 5.3.6 - Poço sobre um aqüífero com água salgada, subterrâneas. Aqui, todavia, com base em Freeze & que se contamina por ascensão do cone salino. Cherry (1979), serão abordados apenas alguns dos mais importantes desses processos, ou seja, aqueles associados com o nitrogênio e com certos grupos de substâncias metálicas, não metálicas e orgânicas. nitrogênio O nitrogênio dissolvido na forma de íon nitrato (NO -3 ) é o contaminante mais comum encontrado na água subterrânea. A sua presença em concentrações excessivas é cada dia maior e está se ampliando e ameaçando muitos sistemas aqüíferos em muitas partes do mundo. Isto é conseqüência das atividades agrícolas e do lançamento indiscriminado de esgotos Figura 5.3.7 - Contaminação de um poço em um aqüífero livre, sobre e abaixo da superfície do solo. Além da forma por uma fossa séptica e por infiltrações a partir de uma área irrigada com águas residuais. iônica de nitrato, que é a principal, o nitrogênio também ocorre na forma de amônio (NH +4 ), amônia (NH3), nitrito (NO2), nitrogênio gasoso (N2), óxido nitroso (N2O) e nitrogênio orgânico (N), ou seja, aquele existente nas substâncias orgânicas. Fertilizantes minerais, esgotos e resíduos de plantas encontrados na superfície do solo, no próprio solo ou em zonas pouco profundas do subsolo, são as principais fontes diretas do nitrato presente nas águas subterrâneas. O nitrato também pode ser gerado por fontes indiretas, isto é, por conversão do nitrogênio orgânico (N) através de dois processos: • amonificação, pelo qual o N é convertido em amônio (NH +4 ); e • nitrificação, pelo qual o amônio (NH +4 ) é transformado em nitrito (NO -2 ) e daí em nitrato (NO - 3 ). Figura 5.3.8 - Contaminação de um aqüífero freático e de Devido à sua forma aniônica, o NO - 3 move-se na um poço, por infiltrações de águas de chuva sobre um lixão água subterrânea praticamente sem retardamento, e sobre um depósito de rejeitos de mineração. motivo pelo qual pode ser considerado como a 389 Cap_5.3_FFI.indd 9 9/12/2008 21:46:22 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas forma estável do nitrogênio dissolvido. Isto acontece, As formas dissolvidas de carbono (HCO -3 , CO 2- 3 , CO2, principalmente, em ambientes fortemente oxidantes, H2CO3), de cloreto (Cl -) e de enxofre (SO 2-, HS-4 , H2S) como é o caso das águas subterrâneas muito pouco estão presentes em teores elevados em muitas águas profundas, em sedimentos de alta permeabilidade ou subterrâneas naturais e contaminadas. Dos elementos em rochas fraturadas, que possuem altos teores de não metálicos citados serão aqui considerados, pela sua oxigênio gasoso (O ) dissolvido. importância como contaminantes ou como constituintes 2 Existem duas formas isotópicas do nitrogênio: 14N e tóxicos naturais: arsênio, flúor, selênio e fósforo. 15N, das quais o 14N é o mais abundante na atmosfera. O arsênio é um elemento venenoso, liberado para A abundância relativa do 15N, isto é, a razão isotópica o ambiente pela queima de carvão e pela fundição de 15N/14N, em nitrato, pode ser utilizada para distinguir o minérios. No passado era usado na composição de nitrato proveniente de dejetos humanos e animais do inseticidas e como um dos ingredientes da composição nitrato oriundo de fertilizantes minerais (Flipse et al., de fluidos usados no embalsamamento de corpos. Tem 1984). A razão isotópica 15N/14N é expressa geralmente alguns usos industriais modernos. Ocorre em estados em relação a um padrão como um valor d15N, em partes de valência +5, +3, +1, 0, -3. Todavia, os estados por mil, definido por: importantes de arsênio dissolvido na água são o arsenato H 3-nnAsO4 , com um estado de valência de +5 e o d15N(o /oo ) = arsenito HnAsO 2-n 3 , com um estado de valência de 15 14 15 14 +3. Os compostos sintéticos orgânicos substituíram ( N / N)amostra − ( N / N)padrao (5.3.3)x1.000 o arsênio em muitos dos seus usos. Mas, devido ao (15N / 14N)padrao seu uso no passado, à sua presença em resíduos de processamento de minérios e às contribuições de O padrão para o nitrogênio é a composição da fontes naturais, o arsênio ainda é um elemento de atmosfera. Se o valor de d15N é positivo, então o interesse em termos de qualidade ambiental. nitrato da amostra sofreu um enriquecimento de 15N em O selênio e o flúor apresentam interesse devido relação ao padrão atmosférico. Tipicamente, o nitrato aos limites permissíveis estabelecidos para a água oriundo de dejetos humanos e de animais apresenta potável. Esse interesse manifesta-se muito mais pelas um d15N de +10 0/ acima do padrão. contribuições oriundas de fontes naturais, que podem 00 ocorrer em níveis tóxicos, do que de fontes produzidas pelo traços de metais homem. O selênio pode existir em estados de oxidação +6 , +4 e -2, e em concentrações significativas em A presença de metais na água subterrânea rochas tais como xistos, carvão, minérios de urânio e apresenta especial interesse, sobretudo para aqueles em alguns solos (Lewis, 1976). Em forma dissolvida na elementos cujos limites máximos permissíveis são água subterrânea, o selênio está presente, sobretudo, fixados pelos padrões de água potável. Dentre estes, como íons, SeO 2- 3 e SeO 4- 4 . As concentrações de encontra-se prata, cádmio, cromo, cobre, mercúrio, selênio dissolvido na água subterrânea podem ser ferro, manganês e zinco. Com exceção do ferro, controladas por adsorção, por exemplo em partículas todos esses metais, quando ocorrem em águas coloidais de óxido de ferro hidratado (Moran, 1976). O subterrâneas naturais e não contaminadas, apresentam flúor, devido aos seus efeitos benéficos para a saúde concentrações muito baixas, inferiores a 1 mg/L. dos dentes, é adicionado à água de abastecimento A química ambiental dos traços de metais é complexa, público em muitas cidades. Por isso, sempre recebeu muita atenção. É um constituinte natural da água sendo muito difícil prever o comportamento do transporte subterrânea em concentrações que variam de menos de desses elementos nos sistemas de água subterrânea. Em 0,1 mg/L até cerca de 10 a 20 mg/L. Os limites máximos muitos ambientes subterrâneos, fenômenos de adsorção permitidos para a água potável variam de 1,2 a 2,4 e reações químicas de precipitação são responsáveis por mg/L, dependendo da temperatura da região. uma movimentação muito lenta dos metais em relação O fósforo não apresenta risco para a saúde quando à velocidade da água subterrânea. Não surpreende, ocorre na água potável. Todavia, tem importante portanto, que os casos de contaminação por traços de significado ambiental, porque a sua presença em metais sejam relativamente raros (Kaufman, 1974). Mas, corpos de água superficial, mesmo em pequenas nos casos em que realmente ocorre uma contaminação quantidades, produz um crescimento acelerado de por traços de metais, as conseqüências podem ser sérias algas e da vegetação aquática, ou seja, produz uma (Freeze & Cherry, 1979). eutrofização do sistema aquático. Por isso, o fósforo é considerado como um poluente quando atinge traços de não-metais lagos, represas e rios. A sua ocorrência nas águas subterrâneas é importante em situações onde existem Dentre os elementos não metálicos conhecidos, conexões dos aqüíferos com as águas superficiais. apenas alguns receberam maior atenção nos estudos O uso extensivo de fertilizantes e o lançamento de de água subterrânea. É o caso do carbono, cloro, esgotos no solo contribuem para aumentar o risco da enxofre, nitrogênio, flúor, selênio, arsênio, fósforo e boro. presença de fósforo nas águas de superfície. 390 Cap_5.3_FFI.indd 10 9/12/2008 21:46:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações substâncias orgânicas • os fluxos advectivo, dispersivo e difusivo; • interações sólido-soluto; As substâncias orgânicas de origem natural, como por exemplo os ácidos húmicos e fúlvicos, não • reações químicas; apresentam problema do ponto de vista da qualidade • fenômenos de decaimento. da água. As que realmente preocupam são as Todos podem ser encarados como fenômenos tipo substâncias orgânicas produzidas pelo homem, que fonte-sumidouro para o soluto. segundo Giger & Roberts (1977) seriam da ordem de 2 milhões em 1977 e esse número crescia a uma taxa da ordem de 250.000 novas formulações por ano, das dispersão Hidrodinâmica quais 300 a 500 atingiriam produção comercial. Seja uma massa de soluto centrada em um Muitas dessas substâncias não são biodegradáveis ponto de um domínio de fluxo em um meio poroso e muitas outras não podem ser removidas em estações de tratamento de esgoto. Esses compostos orgânicos saturado. O referido soluto, também chamado atingem a superfície dos solos através do uso de traçador, pode ser caracterizado por sua densidade pesticidas, do lançamento de esgotos na superfície r, concentração C ou qualquer outra propriedade, do terreno e, ainda, através dos aterros sanitários, dos como cor ou condutividade elétrica. Sabendo que a contêineres enterrados com produtos orgânicos, dos água subterrânea se move com velocidade média v, derrames acidentais durante o transporte e outras vias. façamos algumas experiências. Felizmente, nos meios porosos existem vários 1a experiência (dispersão longitudinal) - seja s, mecanismos que tendem a evitar ou retardar a uma superfície de separação abrupta da água em um migração de muitas substâncias orgânicas da aqüífero contendo, de um lado, um soluto com uma superfície do solo ou do interior do próprio solo concentração C = 1 e do outro, uma concentração para zonas mais profundas do subsolo. Esses C = 0 de um dado soluto (figura 5.3.9). mecanismos incluem precip i tação química, Na base apenas da lei de Darcy, essa frente degradação química, volatilização, degradação abrupta, movendo-se com velocidade média v, biológica, consumo biológico e adsorção. percorreria um espaço L = v.∆t após um intervalo Em termos de contaminação ambiental, as de tempo ∆t. Na realidade, se após esse intervalo de substâncias que mais preocupam são as não tempo a concentração for medida em alguns pontos, degradáveis por bactér ias, seja no solo ou verifica-se que a frente abrupta simplesmente não nas estações de tratamento de esgotos. Tais existe, havendo em seu lugar uma zona de variação substâncias constituem compostos refratários. As progressiva da concentração entre os valores 1 e 0 substâncias mais perigosas para a qualidade das (figura 5.3.9). A experiência mostra, ainda, que a largura águas subterrâneas são as relativamente solúveis, da zona de transição entre esses valores extremos da não voláteis e refratárias. O principal mecanismo concentração, tende a ampliar-se com o tempo. de depuração de muitas dessas componentes é a 2a experiência (dispersão hidrodinâmica) - adsorção, que pode evitar a penetração dos mesmos consideremos uma injeção de água contendo um até os sistemas aqüíferos. traçador, em um poço localizado em um ponto x=0 O esqueleto sólido dos materiais do solo e subsolo, de um aqüífero, em um instante t=0. Usando a representado por constituintes minerais e amorfos, velocidade média da lei de Darcy, poder-se-ia esperar orgânicos e inorgânicos, fornece as superfícies para que as partículas do traçador se movessem como um a adsorção dos compostos orgânicos. Infelizmente, só existem isotermas de adsorção (item 6.3.4) para volume de forma fixa, alcançando a distância L=v.∆t um número muito pequeno dos produtos químicos após o tempo ∆t. Mais uma vez, a observação orgânicos que estão invadindo a biosfera. Essas isotermas relacionam-se com uns poucos materiais geológicos permeáveis e ainda assim numa faixa muito restrita de condições hidroquímicas. Daí porque fica difícil estabelecer conclusões gerais quanto à magnitude do risco potencial que resulta do uso crescente de compostos orgânicos, para os recursos hídricos. 5.3.4 transporte de massa Refere-se ao transporte de um soluto, isto é, da massa de uma substância que se move com a água nos interstícios do meio poroso. Os mecanismos que atuam no transporte de um poluente em um Figura 5.3.9 - Espalhamento ou dispersão longitudinal de meio poroso são: uma frente de soluto inicialmente abrupta. 391 Cap_5.3_FFI.indd 11 9/12/2008 21:46:23 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas vai demonstrar que isso não ocorre e o traçador espalha-se na direção do fluxo e na direção normal ao mesmo, ocupando uma área em forma de elipse. Essa área tende a crescer com o tempo no plano horizontal e as curvas de igual concentração têm a forma de elipses confocais (figura 5.3.10). Esse fenômeno de espalhamento do traçador no meio fluido é chamado dispersão hidrodinâmica. 3a experiência - considerando o fluxo estacionário de água em uma coluna cilíndrica de areia homogênea saturada (figura 5.3.11a). Inicialmente injeta-se, num instante t = 0, um traçador não reativo (por ex. água Figura 5.3.10 - Espalhamento de um traçador a partir de um com uma concentração C de NaCl não muito alta ponto de injeção.o para que a densidade não altere o padrão de fluxo). Medindo-se a variação de concentração do sal com o tempo, C = C(t), na base da coluna, pode-se construir a chamada curva de passagem (figura 5.3.11), representando a relação entre a concentração relativa do traçador e o tempo. A curva de passagem supõe que o traçador se move através da coluna sem dispersão hidrodinâmica, como um pistão, e sai da coluna como uma função degrau (isso é o que mostra a linha vertical na figura 5.3.11b). Na realidade, porém, ocorre uma dispersão hidrodinâmica e a curva de passagem espalha-se, fazendo com que o traçador apareça na base da coluna (no tempo t’) antes da chegada da água que se move à velocidade média v. A dispersão faz com que algumas moléculas do traçador se movam mais depressa e outras mais lentamente, em relação à velocidade média da água. No instante t’’, a curva de passagem encontra- se no ponto médio da curva em forma de s. A dispersão produzida pelas variações de velocidade que ocorrem ao nível microscópico, dentro do espaço poroso, é chamada dispersão mecânica. A dispersão, notadamente transversal, que ocorre na ausência de movimento ou sob velocidades muito baixas, é atribuída à difusão molecular, produzida pelo movimento aleatório das moléculas em um fluido, das zonas de alta concentração para as zonas de baixa concentração. O termo dispersão hidrodinâmica é utilizado para descrever a dispersão resultante dos dois fenômenos. O movimento do traçador com velocidade média no meio poroso é chamado advecção ou convecção. Além da advecção, dispersão mecânica e difusão molecular, vários outros fenômenos podem alterar a distribuição de concentração do traçador à medida que ele se move no meio poroso. Por exemplo, os grãos da matriz sólida podem adsorver partículas do traçador, ou pode haver reações químicas (por exemplo, dissolução da matriz sólida pelo soluto), e, ainda, trocas iônicas e decaimento radioativo. Geralmente, as variações de concentração do soluto Figura 5.3.11 - Dispersão longitudinal de um traçador produzem mudanças na densidade e na viscosidade em uma coluna de meio poroso: (a) fluxo estacionário e do líquido, afetando, portanto, o regime de fluxo, isto suprimento contínuo de traçador após um tempo t0; (b) é, a distribuição de velocidade, que depende desses injeção do traçador expressa como uma função degrau; (c) parâmetros. concentração relativa do traçador na saída da coluna. 392 Cap_5.3_FFI.indd 12 9/12/2008 21:46:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Chama-se traçador ideal aquele que não altera o Fluxo difusivo - a difusão em soluções é o processo padrão de fluxo, ou seja, não modifica a densidade pelo qual constituintes iônicos ou moleculares se movem nem a viscosidade do líquido. na direção dos seus gradientes de concentração. Ela ocorre em um sistema binário (constituído de um soluto Fluxos advectivo, dispersivo e difusivo e um solvente), ao nível microscópico, e é também chamada de difusão molecular. A difusão de uma Em cada ponto microscópico x de um EVR substância pode ocorrer na ausência de qualquer (Elemento de Volume Representativo), centrado em movimento hidráulico e só deixa de existir quando x0, no domínio de um meio poroso, existe um vetor se anulam os seus gradientes de concentração. velocidade do líquido v(x,t; x ) e uma concentração Quando a solução está em movimento, a difusão 0 C(x,t; x0) de uma dada substância (soluto ou traçador). também contribui, juntamente com a dispersão Essa concentração expressa a massa da substância mecânica, para o espalhamento do traçador. A massa por unidade de volume do líquido (por ex. g/m3). de substância difusiva que atravessa uma seção Como os valores de concentração e velocidade transversal na unidade de tempo é proporcional ao da substância não podem ser avaliados ao nível gradiente de concentração. Este é o enunciado da microscópico, o que se emprega são valores médios, chamada 1a lei de Fick, expressa por: ao nível macroscópico. Trabalha-se, portanto, expressando cada valor q* = −D*∇C (5.3.7) pontual desses parâmetros, como a soma do seu valor médio mais um desvio da referida média, isto é: onde q* é o fluxo difusivo de massa, isto é, a massa de soluto por unidade de área na unidade de tempo v(x,t; x0 ) = vi = v + ∆v [M/L 2 i T], d* é o coeficiente de difusão molecular [L 2/T] = = + ∆ (5.3.4)C(x,t; x ) C C C e ∇C é o gradiente de concentração do soluto, que é 0 i i uma quantidade decrescente na direção da difusão. O fluxo médio de massa - quantidade (g) da Coeficiente de dispersão mecânica - em meio poroso substância que passa, com velocidade média, por isotrópico, o coeficiente de dispersão é relacionado com unidade de área (m2) de meio poroso, na unidade de dois parâmetros: aL, chamado dispersividade longitudinal tempo) - é dado por: [L], e at, chamado dispersividade transversal [L]. Experiências de laboratório em colunas de areia, indicam C v = (C + ∆C )(v + ∆v ) que a dispersividade longitudinal é cerca de 10 a 20 i i i i (5.3.5) vezes maior do que a dispersividade transversal. Civi = Cv + C∆vi + v∆Ci + ∆Ci∆vi vi vj Para os valores médios, os desvios são nulos e, Di j = aT vdi j + (aL − aT ) (5.3.8) portanto, C∆vi=0 e v∆Ci =0. Logo, resulta que o fluxo v médio da substância Civi = Cv+∆Ci + ∆vi é igual à onde, soma de dois fluxos macroscópicos, fluxo advectivo 0 se i ≠ j ou convectivo e fluxo dispersivo. di j = delta de Kronecker = 1 se i = j Fluxo advectivo ou convectivo - é o fluxo Cv da Se um dos eixos coordenados é orientado na água à velocidade média (v =q /η) da lei de Darcy. direção do vetor velocidade média, o coeficiente Fluxo dispersivo - é o fluxo ∆C ∆v resultante das (ou tensor) de dispersão tem a forma de uma matriz i i variações (ou desvios) da velocidade nas vizinhanças diagonal. Em duas dimensões, por exemplo, onde do ponto considerado dentro do Elemento de Volume v2 =v 2x + v 2 y , supondo um alinhamento com o eixo x Representativo e que produz o espalhamento da (vy=0), da equação (5.3.8) obtém-se: substância. Procura-se, porém, expressar esse fluxo em termos de valores médios de concentração e aLv 0  DL 0  velocidade. Como resultado do trabalho de muitos D =  0 a v =   (5.3.9) T 0 DT pesquisadores, admite-se (Bear, 1972) que o     fluxo dispersivo pode ser expresso em função do gradiente de concentração, na forma de uma lei de onde, dL é o coeficiente de dispersão longitudinal e dt Fick, ou seja: é o coeficiente de dispersão transversal. Em um sistema de coordenadas arbitrariamente ∂C ∆Ci∆vi = −D∇C→ ∆C ∆v = − D orientado, tem-se: i i ij ∂ x (5.3.6)j D = xx Dxy  D onde d é um tensor simétrico de 2a ordem, chamado   (5.3.10)Dyx Dyy  coeficiente de dispersão mecânica. 393 Cap_5.3_FFI.indd 13 9/12/2008 21:46:23 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas sendo ∂C ∂2C ∂C = D − v v 2 v 2 hx 2 x D = a x + a y ∂ t ∂ x ∂ x xx L v T v • condições iniciais: v 2 v 2 D = a x + a y −∞ < x < 0 C = C0yy T v L v t ≤ 0 0 ≤ x < +∞ C = C1 v v Dxy = Dyx = (aL − aT ) x y v • condições de contorno:  ∂C Coeficiente de dispersão hidrodinâmica - é x = ±∞ = 0∂ x expresso pela soma dos coeficientes de dispersão  mecânica e difusão molecular e representa o coeficiente t > 0x = +∞ C = C1 conjunto dos dois fluxos: dispersivo e difusivo. x = −∞ C = C0 ∆Ci∆vi + q* = −D∇C − D * ∇C  ∆Ci∆vi + (5.3.11) q* = −(D + D*)∇C = −Dh∇C A solução apresentada por Bear e Todd (1960) é expressa pela equação abaixo e representada na Fluxo total de um Poluente figura 5.3.13. O fluxo total de um poluente (soluto) é a soma dos C(x,t) − C 1  x − vt 0 fluxos advectivo, dispersivo e difusivo. Em meio não saturado, ε(x,t) = = erfc − − (5.3.13)C C 2 4(a v + D*)t com teor de umidade qw, o fluxo total é dado por: 1 0  x  q = q Cv + q (−D ∇C) (5.3.12) Na equação (5.3.13) erfc(·) é a função erro c w w h complementar (tabela 5.3.2); x é a distância e v Em meio saturado, qw é s ubstituído pela porosidade é a velocidade média. O ponto ε = 0,5 move-se η, na equação (5.3.12). com a velocidade média do fluxo, enquanto que o espalhamento, expresso pelo quadrado dos desvios, transporte de Constituintes não reativos é proporcional ao caminho total percorrido. As descrições matemáticas da dispersão restringem- modelo 2: Injeção instantânea de um soluto - se a materiais que são isotrópicos, com relação às neste caso, considera-se os aspectos relacionados propriedades da dispersão do meio poroso. A equação abaixo: diferencial que descreve o transporte de constituintes • o fluxo é estacionário na direção x; dissolvidos em meio isotrópico saturado, é conhecida como equação da advecção-dispersão. • um pequeno volume de fluido contendo um traçador é injetado em x=0 no instante t=0 (figura 5.3.14); modelo 1: avanço de uma frente abrupta de • o EDP da distribuição do traçador é dado por: concentração - neste caso, para avaliar o transporte de constituintes não reativos são considerados os ∂C ∂2C ∂C seguintes pontos: = Dhx − v∂ t ∂ 2 xx ∂ x • avanço de uma frente abrupta de concentração (função degrau) em uma coluna infinita; • existe dispersão mecânica e difusão molecular; • inicialmente a coluna é saturada com dois fluidos miscíveis, com diferentes concentrações de traçador e uma interface abrupta em x = 0 (figura 5.3.12); • o EDP da distribuição do traçador é dado por: Figura 5.3.13 - Gráfico da equação (5.3.13) com Figura 5.3.12 - Coluna infinita inicialmente saturada com dois fluidos miscíveis, com diferentes concentrações de traçador (x − vt) / ( 4Dht ) na abcissa e ∈(x,t) na ordenada, e uma interface abrupta em x = 0. Dh= axv + D*. 394 Cap_5.3_FFI.indd 14 9/12/2008 21:46:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • condições de contorno para a concentração, com x erf (x) erfc (x) x erf (x) erfc (x) x’ = x - vt: 0,00 0,000000 1,000000 1,10 0,880205 0,119795 0,05 0,056372 0,943628 1,20 0,910314 0,089686 +∞ M 0,10 0,112463 0,887537 1,30 0,934008 0,065992 lim C(x ',t) = 0; ∫ C(x ',t)dx ' = x ' →∞ η 0,15 0,167996 0,832004 1,40 0,952285 0,047715 −∞ 0,20 0,222703 0,777297 1,50 0,966105 0,033895 A solução apresentada por Crank (1956) é expressa 0,25 0,276326 0,723674 1,60 0,976348 0,023652 pela equação abaixo e representada na figura 5.3.15. 0,30 0,328627 0,671373 1,70 0,983790 0,016210 0,35 0,379382 0,620618 1,80 0,989091 0,010909 M η  (x − vt)20,40 0,428392 0,571608 1,90 0,992790 0,007210 C(x,t) = exp −  0,45 0,475482 0,524518 2,00 0,995322 0,004678 4pDht  4Dh t  0,50 0,520500 0,479500 2,10 0,997021 0,002979 (5.3.14) 0,55 0,563323 0,436677 2,20 0,998137 0,001863 Mη  (x − x)2  0,60 0,603856 0,396144 2,30 0,998857 0,001143 C(x,t) = exp −  0,65 0,642029 0,357971 2,40 0,999311 0,000689 2ps  2s  0,70 0,677801 0,322199 2,50 0,999593 0,000407 0,75 0,711156 0,288844 2,60 0,999764 0,000236 0,80 0,742101 0,257899 2,70 0,999866 0,000134 0,85 0,770668 0,229332 2,80 0,999925 0,000075 0,90 0,796908 0,203092 2,90 0,999959 0,000041 0,95 0,820891 0,179109 3,00 0,999978 0,000022 1,00 0,842701 0,157299 ∞ 1,000000 0,000000 tabela 5.3.2 - Valores da função erro de x e da função erro complementar de x. Note que erf(-x)=-erf(x); erfc(x)=1-erf(x); erfc(-x)=1+erf(x). Valores aproximados com precisão de 0,7% da função erro podem ser obtidos a partir da expressão: erf(x) = √[1-exp(-4x2/p)]. • condições iniciais - como se trata de uma injeção instantânea, são expressas na forma de uma função Delta de Dirac d(x), que é uma função de pulso: Figura 5.3.15 - Avanço de um volume de líquido marcado com traçador e injetado em um meio poroso. C(x,0) = (M / η)d (x) sendo m a massa de soluto no volume injetado e η é a porosidade. modelo 3: Injeção contínua de um traçador - A distribuição de Dirac é descrita por: neste modelo considera-se condições especificadas abaixo:  ( ) 1dm x = no intervalo 0 < x < m • fluxo estacionário na direção x;  m  ( ) • coluna infinita com injeção contínua de traçador dm x = 0 no restante do domínio em x= 0; onde m é um pequeno número positivo. • o EDP da distribuição do traçador é dado por: Portanto: ∂C ∂ 2C ∂C d (x) = lim d (x) = Dhx − vm 2 x m → 0 ∂ t ∂ x ∂ x • condições iniciais: C(x,0) = 0 x ≥ 0 • condições de contorno: C(0,t) = C0 t ≥ 0 C(∞,t) = 0 t ≥ 0 Figura 5.3.14 - Coluna infinita de meio poroso com injeção A solução apresentada por Ogata (1970) é a instantânea de um traçador no ponto x=0. seguinte: 395 Cap_5.3_FFI.indd 15 9/12/2008 21:46:23 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas Inf luência dos Parâmetros da dispersão C 1   x − vt   vx   = erfc  + exp erfc x + vt  Hidrodinâmica C 2   4D t   D   4D t  (5.3.15)0   h  h  h  Em condições estáticas ou sob baixas velocidades, Se as variações da concentração relativa do a difusão molecular é o processo dominante na traçador em um ponto x, durante um experimento, dispersão do traçador e, neste caso, Dh=D*. Para são registradas em função do tempo, obtemos a velocidades mais altas, a dispersão mecânica chamada curva de passagem ε = ε (t), mostrada na produzida pelas variações de velocidade é o processo figura 5.3.11c, na qual o volume de injeção é dado dominante no espalhamento do soluto. por U=Qt. A declividade i dessa curva no ponto x =`x Experimentos de laboratório, com migração de = L (onde`x é a distância “longitudinal”, percorrida traçadores em meios porosos granulares, conduzidos pelo traçador com velocidade média v=q/N e onde por muitos pesquisadores (Bear, 1972 p. 605), levaram à C/C =0,50), é dada por: obtenção de relações que permitem avaliar a influência 0 da difusão e da dispersão mecânica na dispersão v L v2 hidrodinâmica. Usa-se, neste sentido, o parâmetro i = ⇒ a = p L 2 (5.3.16) adimensional Pe = vd/D*, chamado número de Peclet, L 4 aL 4p Li onde d é diâmetro médio dos grãos e d* substitui A equação (5.3.16) pode ser usada para o coeficiente de condutividade térmica empregado determinação da dispersividade longitudinal a @ a , em estudos de condução do calor. No transporte de X L a partir de um experimento em uma coluna. solutos, valores de Pe < 1 indicam influência dominante do processo de difusão e valores de Pe > 10 revelam exemplo 5.3.1 - Em um experimento, um traçador não reagente predomínio da dispersão mecânica. foi introduzido como uma função degrau numa coluna cilíndrica de 10 cm de diâmetro e 30 cm de comprimento, constituída de exemplo 5.3.2 - Uma zona contaminada está migrando através areia relativamente homogênea. A porosidade da areia é de 35%, de um aqüífero composto de uma areia com diâmetro médio de o fluxo estacionário é de 1 litro/hora e o gradiente hidráulico é 0,5 mm. O gradiente hidráulico médio é de 1% e a condutividade igual a 0,1. O ponto correspondente à concentração relativa C/C hidráulica da areia, da ordem de 10-5 m/s. Qual dos três processos o = 0,5, na curva de passagem foi alcançado 0,8 horas depois da de transporte (advecção, dispersão mecânica ou difusão introdução do traçador, enquanto que os pontos C/C =0,25 e C/ molecular) é mais influente no movimento do contaminante não o Co=0,75, da referida curva, foram registrados, respectivamente, reativo? Explique. após 0,7 horas e 0,9 horas. Estimar a dispersividade da areia. dados do problema: -4 dados do problema: Diâmetro médio da areia: 0,5 mm = 5 x 10 m Condutividade hidráulica: k = 10-5m/s Diâmetro da coluna (2r) = 0,10 m Gradiente hidráulico: dh/dl = 0,01 Comprimento da coluna (L) = 0,30 m Porosidade da areia (n) = 0,35 solução: Descarga estacionária (Q) = 1 L/h A Velocidade de fluxo é dada por: Gradiente hidráulico (dh/dL) = 0,1 C/Co(t) = ε(t) ∆ε 0,5 − 0,25  1i = = = 2,5 ε(0,7) = 0,25 ∆ − t 0,8 0,7  h ε(0,8) = 0,50 ε(0,9) = 0,75 onde η é a porosidade. O gradiente hidráulico é muito forte (10 m/km), porém, a solução: condutividade hidráulica é baixa, sugerindo que a areia média deve Área da seção transversal: A =pr2 = (3,14) (0,052)=0,00785 m2 ser argilosa, o que permite inferir um valor 10-11 ≤ d* ≤ 10-10 m2/s. Velocidade linear média de fluxo: A influência da advecção deduz-se da velocidade média linear de fluxo, da qual se pode ter uma idéia usando valores inferidos Q 10−3  m3 / h de porosidade. Para avaliar a influência da difusão e dispersão, v = =  2  = 0,364m / h é preciso conhecer o número de Peclet P =vd /D*. Por isso, ηA (0,35)(0,00785)  m  e 50supondo D*=5.10-11 m2/s, julga-se conveniente compor o quadro: Declividade da curva de passagem: Porosidade - η Velocidade - v Número de Peclet (%) (cm/dia) (adimensional) 10 8,64 10,0 ∆ε 0,5 − 0,25  1 i = = = 2,5   20 4,32 5,0∆t 0,8 − 0,7  h 30 2,88 3,3 40 2,16 2,5 Dispersividade longitudinal: 50 1,73 2,0 2 2 Os valores do número de Peclet (compreendidos entre 2 e 10) v 0,364 a = = sugerem que não existe predomínio de difusão nem de dispersão L 4pLi2 4(3,14)(0,3)(2,5)2 mecânica e, portanto, pode-se dizer que o processo mais influente  2 2  é o de advecção, apesar da baixa velocidade. Difusão predomina m / h a =   = 0,00562 m quando Pe < 1 e dispersão mecânica, quando Pe < 10. Pelas L  m.1 / h 2  características da areia, pode-se esperar uma porosidade da ordem de 30 a 40 % e, portanto, números de Peclet na faixa de 2,5 a 3,3. 396 Cap_5.3_FFI.indd 16 9/12/2008 21:46:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Em laboratório, o experimento mais comum Supondo P uma fonte poluidora, de origem é representado pela introdução de um fluido de instantânea, em um ponto do espaço tridimensional concentração constante na extremidade de uma (x,y,z)=(0,0,0), a massa do poluente afasta-se coluna de areia de comprimento L, sob condições de P, movendo-se através de um campo de fluxo de fluxo estacionário Q. A concentração do líquido estacionário uniforme, na direção x, em um meio efluente é registrada com o tempo e construída uma homogêneo e isotrópico. À medida que a massa do curva de variação da concentração relativa versus poluente é transportada através do sistema de fluxo, volume U = Qt (figura 5.3.16). a sua distribuição de concentração com o tempo é Da curva de passagem e da solução unidimensional dada por: do modelo de transporte correspondente, obtém-se DhL=(1/2)s 2 vL, onde o índice L (de longitudinal) indica C(x,y,z,t) = que o coeficiente foi obtido de resultados experimentais M  X2 Y2 Z2  (5.3.18) sob fluxo unidimensional. O desvio padrão do volume exp − − − 8(pt)3/2 D D x yDz  4Dxt 4D t 4D t injetado é obtido da expressão: y z  U84,1% − U15,9% onde, m é a massa de poluente introduzida no s = (5.3.17) U ponto considerado, dx, dy, dz são os coeficientes i de dispersão nas direções x, y, z, e X, Y, Z são as Para ve loc idades mui to baixas da água distâncias nas direções x, y, z, a partir do centro de subterrânea, o transporte de poluente, a partir de gravidade da massa poluidora. uma fonte, faz-se apenas por difusão molecular. Como a massa se move na direção x, a posição Para valores de 1.10-11 ≤ D* ≤ 1.10-10 m2/s verifica-se, do seu centro de gravidade no instante t é dada pelas usando a equação: coordenadas (xt, yt, zt), onde yt = zt = 0 e xt=vt=(q/h)t. = { } Além disso, X = x - vt, Y = y e Z = z. Examinando o C / C0 erfc x / 4D * t argumento da função exponencial na equação (5.3.18), que a posição da f rente de contaminação conclui-se que a máxima concentração se localiza no (unidimensional), para períodos de tempo de 100 e centro de massa da nuvem de poluente, isto é: 10.000 anos, atinge distâncias da ordem de 1 e 10 m, X = 0, Y =0, Z = 0 respectivamente. Os valores de d* considerados, são A massa de poluente introduzida na fonte (Freeze & representativos de uma faixa típica de constituintes Cherry ,1979), é igual a C0V0, onde C0 é a concentração químicos não reativos em sedimentos pelíticos. Para inicial e V0 é o volume inicial. Na formulação clásticos grosseiros em depósitos inconsolidados, os matemática das condições iniciais, a introdução do valores mais altos são inferiores a 2 .10-9 m2/s (Freeze poluente ocorre em um ponto, e, portanto, tem massa, & Cherry, 1979). mas não tem volume. Na prática, porém, a massa As expressões unidimensionais para o transporte de introduzida expressa-se por C0V0 e a concentração um soluto, são úteis na interpretação de experimentos máxima, que ocorre no centro de gravidade da nuvem efetuados em colunas no laboratório. Em problemas de de poluente, é dada por: campo, a dispersão ocorre nas direções longitudinal e transversal. C0 VCmax = 0 8(p 3 2t) D D D (5.3.19)x y z exemplo 5.3.3 - Em conseqüência da ruptura de um tanque de armazenamento, 10 m3 de um líquido residual contendo 100 kg de arsênio dissolvido infiltraram-se em um aqüífero livre, pouco profundo, arenoso e com fluxo horizontal. Estudos revelaram que a velocidade média da água subterrânea no aqüífero é de 0,5 m/ dia, a dispersividade é 0,1 m e o coeficiente de difusão molecular é igual a 2 x 10-10 m2/s. À medida que a zona contaminada se move pelo aqüífero, o arsênio não sofre influência significativa de adsorção ou precipitação. Supondo que a infiltração a partir do tanque pode ser aproximada por uma fonte pontual e que o aqüífero pode ser tratado como um meio homogêneo com fluxo uniforme, estime a concentração máxima de arsênico quando a zona de contaminação tiver atingido uma distância de 500 m. dados do problema: Volume do líquido poluente: V0 = 10 m 3 Concentração inicial: C = 10 kg/m30 Velocidade média linear: n = 0,5 m/dia Figura. 5.3.16 - Cálculo do coeficiente de dispersão hidrodinâmica Dispersividade longitudinal: aL= 0,1 m a partir de um experimento com fluxo unidimensional. Coeficiente de difusão molecular: D* = 2.1010 m2/s 397 Cap_5.3_FFI.indd 17 9/12/2008 21:46:24 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas solução: onde, C é a concentração do soluto na fase líquida, Para o fluxo na direção longitudinal, a equação (5.3.19), que t é o tempo, dL é o coeficiente de dispersão fornece a concentração máxima no centro da pluma, pode ser longitudinal, vx é a velocidade média linear da água expressa em função do coeficiente de dispersão hidrodinâmica subterrânea, rs é a densidade da matriz sólida do por: aqüífero, q é o teor volumétrico de umidade (em meio C C = 0 V0 não saturado) ou porosidade (em meio saturado), C* é max 8(pt)3/2 Dh a quantidade de soluto sorvida por unidade de peso da fase sólida, rxn é o subscrito indicativo de uma reação D = α v + D* = (0,1m)(0,5 m/dia) + 0,0000173 m2 /dia química ou biológica do soluto (excluída sorção), o h L 2 número (1) indica dispersão, o número (2) indica Dh = 0,050017 m /dia advecção, o número (3) indica sorção e o número (4) Pela velocidade de fluxo, conclui-se que a distância de 500 indica reação. metros será alcançada após 1.000 dias, tempo esse após o qual Processos de sorção - os processos de sorção a concentração máxima será de: incluem adsorção, trocas iônicas, quimisorção e (10 kg/m3 )(10 m3 ) absorção. Cmax = 8(1.000p)3/2 dia3/2 0,0500173(m6 /dia3 ) adsorção - é o processo pelo qual uma substância −3 3 sólida atrai à sua superfície partículas de uma Cmax = 6,35.10 kg/m ou gr/L = 6,35 mg/L substância dissolvida (soluto). trocas Iônicas - são divididas em catiônicas transporte de Constituintes reativos e aniônicas. O processo pelo qual cátions são atraídos para a região próxima à superfície de O conjunto de reações químicas e bioquímicas minerais de argila carregados negativamente, e que pode alterar as concentrações de um soluto em aí permanecem retidos por forças eletrostáticas, é sistemas de fluxo de água subterrânea, pode ser chamado troca catiônica. A troca aniônica ocorre agrupado em 6 categorias: em locais positivamente carregados em óxidos de • adsorção-desorção; ferro e alumínio nas arestas de minerais de argila. • ácido-base; Quimisorção - ocorre quando o soluto é incorporado • solução-precipitação; à superfície de um sedimento, de um solo ou de uma rocha por uma reação química. • oxidação-redução; absorção - ocorre quando as partículas do • associação iônica (complexação); aqüífero são porosas, de modo que o soluto pode • síntese celular microbiana. No caso de poluentes se difundir dentro da partícula e sofrer sorção nas radioativos, ocorrem fenômenos de decaimento e suas superfícies interiores. processos não radiogênicos. A sorção é determinada experimentalmente medindo- retardamento e atenuação de solutos se a quantidade de soluto que pode ser sorvida por um Os solutos dissolvidos na água subterrânea dado tipo de sedimento, solo ou rocha. Essa quantidade estão sujeitos a vários processos naturais, através é função da concentração do soluto. Os resultados de dos quais eles podem ser removidos. Podem, por medições através de experimentos de laboratório, são exemplo, sofrer sorção para as superfícies dos grãos plotados em um gráfico que mostra a relação entre a sólidos do aqüífero, sorção para o carbono orgânico concentração versus quantidade sorvida na superfície eventualmente presente no aqüífero, sofrer precipitação do sólido. A expressão matemática que representa a química, biodegradação e participar de reações referida relação é chamada isoterma de sorção. de oxidação e redução. Nos processos de sorção Quando o processo de sorção é muito rápido, em alguns solutos movem-se mais lentamente do que relação à velocidade de fluxo, o soluto atinge uma a própria água subterrânea que os transporta. Esse condição de equilíbrio com a fase sorvida e a relação efeito é conhecido como retardamento. Os outros entre eles é chamada isoterma de equilíbrio de processos, embora reduzam a concentração do soluto sorção. Quando o processo de sorção é muito lento, na pluma, não reduzem o seu movimento. A equação em relação à velocidade de fluxo da água no meio unidimensional da advecção dispersão, incluindo poroso, o soluto pode não atingir o equilíbrio com a sorção e decaimento, escreve-se: fase sorvida e a relação entre eles é chamada isoterma cinética de sorção. ∂C ∂ 2C ∂ C r ∂ C*s  ∂ C  transporte com adsorção - para fluxo estacionário = DL − vx − +∂ t ∂ x2 ∂x q ∂ t  ∂ t   (5.3.20) unidimensional em meio saturado homogêneo, a rxn equação da advecção-dispersão incluindo adsorção, (1) (2) (3) (4) escreve-se da seguinte forma: 398 Cap_5.3_FFI.indd 18 9/12/2008 21:46:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ∂ C ∂ 2 C ∂ C r ∂ F dF = Dx − vx + s ∂ 2 ∂ η ∂ (5.3.21) = Kd (5.3.25)t ∂ x x t dC onde, rs é a densidade da matriz sólida do meio poroso sendo Kd chamado de coeficiente de distribuição, [M/L3], η é a porosidade, F é a massa de poluente que indica a partição da massa total do poluente, por adsorvida por unidade de massa de sólido, ∂F/∂t é a unidade de volume do meio poroso, entre a quantidade taxa de adsorção do poluente [M/MT] e (r /η)(∂F/∂t) é adsorvida na superfície dos grãos e a quantidade que s a variação na concentração do poluente produzida por permanece em solução na fase fluida. É expresso por: adsorção ou desorção [M/L3][M/MT]=[M/L3T]. massa de soluto na superfície sólida porunidade de massa As reações de adsorção de poluentes na água K = da fase sólida subterrânea são consideradas rápidas em relação d concentração do soluto na fase fluida à velocidade do fluxo. A quantidade de soluto adsorvida pela matriz sólida ou grau de adsorção, As dimensões desse coeficiente reduzem-se a é função da concentração, isto é F=f(C), de modo que [L3/M] e os seus valores são normalmente medidos se pode escrever: em mililitros por grama. Para solutos reativos varia de valores quase nulos até 1.000 mL/g. ∂F ∂F∂C = O fenômeno de adsorsão produz um atraso no ∂ t ∂C∂ t (5.3.22) avanço da frente poluidora. Isto pode ser comprovado experimentalmente numa coluna fazendo passar r ∂F r ∂F ∂C pela mesma dois traçadores, um dos quais sofrendo s = s η ∂ t η ∂C ∂ t (5.3.23) adsorção. O traçador que não sofre adsorção, move-se com a água, enquanto que parte da massa do outro onde ∂F/∂C é o fracionamento ou partição do poluente fica retida na superfície dos grãos do meio poroso, entre a solução e a superfície do sólido. reduzindo, assim, a sua concentração na fase fluida. O gráfico de concentração relativa dos dois traçadores Partição ou distribuição - é o processo pelo qual (figura 5.3.17) ilustra a defasagem que ocorre no um contaminante, que se encontrava originalmente avanço das frentes dos dois solutos. em solução, sofre um fracionamento distribuído entre As distâncias percorridas pelo ponto de concentração a solução e a fase sólida. relativa 0,50 são dadas, respectivamente, por: A partição de solutos entre a fase líquida e a superfície sólida em um meio poroso é, geralmente, xa = vt para o soluto não retardado feita em laboratório, utilizando gráficos que expressam vt a variação da massa adsorvida por unidade de massa xb = para o soluto retardadors de sólido seco (F) versus concentração de soluto (C). 1+ Kη d Essas relações gráficas e suas respectivas expressões matemáticas são conhecidas como isotermas, O coeficiente 1+(rs /h)Kd = Rd > 1 é chamado fator pelo fato dos experimentos de adsorção realizarem- de retardamento. se a temperatura constante. Em geral, as escalas Isotermas de equilíbrio - quando existe uma utilizadas são do tipo log-log, o que permite obter, relação direta entre a quantidade de soluto sorvido na para concentrações baixas ou moderadas de solutos, superfície do sólido, C*, e a concentração do soluto relações gráficas retilíneas que matematicamente se C, o gráfico da isoterma de adsorção de C, em função expressam por: de C*, é uma linha reta dada pela equação: logF = blogC + logKd ou F = Kd C b (5.3.24) onde, F é a massa de soluto adsorvida ou precipitada na superfície da matriz sólida por unidade de massa do esqueleto sólido do meio poroso, C é a concentração do soluto, Kd e b são coeficientes que dependem da espécie soluta e da natureza do meio poroso. A equação (5.3.24) é conhecida como isoterma de Freundlich e representa uma relação isotérmica não linear. Como o coeficiente b é obtido da declividade da relação log-log entre F e C, quando b=1 o gráfico da equação (5.3.24) também é retilíneo em papel Figura 5.3.17 - Avanço de solutos com adsorção e sem aritmético e a isoterma é linear. Neste caso: adsorção em uma coluna de material poroso. 399 Cap_5.3_FFI.indd 19 9/12/2008 21:46:24 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas C* = KdC (5.3.26) onde, C* é a massa de soluto sorvida por kg de sólido (mg/kg), C é a concentração de soluto em solução, em equilíbrio com a massa de soluto sorvida na superfície do sólido (mg/L), Kd é o coeficiente de partição ou distribuição (L/kg), igual à declividade da isoterma de adsorção linear (figura 5.3.18). Em seguida serão apresentadas outras isotermas de equilíbrio bastante conhecidas. Isoterma de sorção de Freundlich - esta isoterma é dada pela relação não linear: C* = K Cn (5.3.27) Em papel bilog o gráfico dessa isoterma é uma reta (figura 5.3.19), na qual se podem identificar os coeficientes K e n. Isoterma de sorção de Langmuir - foi concebida considerando que uma superfície sólida possui um Figura 5.3.18 - Ilustração da isoterma de adsorção linear, número finito de locais de sorção, que depois de mostrando como se calcula, no gráfico, o coeficiente de preenchidos não mais sorvem solutos da solução, é distribuição Kd. dada pela expressão C 1 C = + (5.3.28) C* αβ β onde, α é a constante de absorção associada com a energia de ligação (L/mg) e β é a quantidade máxima de soluto que pode ser absorvida pelo sólido (mg/kg). Isotermas de não equilíbrio - todos os modelos de equilíbrio partem do princípio de que a variação de concentração do soluto produzida pela sorção é muito maior do que a variação produzida por outras causas e que a taxa de fluxo é suficientemente baixa para que o equilíbrio seja atingido. Quando isto não acontece, tem-se que considerar a isoterma de não equilíbrio ou cinética de sorção. A condição mais simples de não equilíbrio estabelece que a taxa de sorção é função da concentração de soluto que permanece em solução e que uma vez sorvido, o soluto não pode mais retornar à solução, ou seja, não pode ser desorvido. Isso conduz a um modelo de sorção cinética de primeira ordem irreversível. Quando a taxa de sorção de soluto é Figura 5.3.19 - Isoterma não linear de Freundlich , linearizada relacionada à quantidade que já foi sorvida e a reação pela transformação logarítmica e mostrando como se é reversível, então emprega-se um modelo de sorção determinam, no gráfico, os parâmetros K e n. cinética linear reversível. Para ambos os modelos, existem equações que descrevem os processos de sorção (Fetter, 1993).  ∂ C  = − ln2  C (5.3.29) decaimento radioativo - quando o sistema  ∂ t  T1/2 de água subterrânea é atingido por radionuclídeos, os que são cátions estão sujeitos a retardamento onde t1/2 é a meia-vida do radionuclídeo. nas superfícies da matriz sólida dos terrenos. Além Biodegradação - a biodegradação de moléculas disso, eles sofrem decaimento radioativo, que reduz a orgânicas dissolvidas na água subterrânea é de concentração de radionuclídeos tanto na fase sorvida grande interesse prático para os hidrogeólogos que quanto na dissolvida. Neste caso, o último termo na lidam com problemas de contaminação de aqüíferos. equação (5.3.20) pode ser substituído por um fator de Grande parte da contaminação da água subterrânea decaimento radioativo com a seguinte forma: é causada por produtos químicos orgânicos, inclusive 400 Cap_5.3_FFI.indd 20 9/12/2008 21:46:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações hidrocarbonetos. Os hidrocarbonetos formam um Concentração massa substrato para o crescimento microbiológico, ou soluto (mg/L) (gramas) seja, eles constituem-se na fonte de energia para os Íon cloro 892 10.700 micróbios que formam um biofilme nas superfícies da Íon bromo 324 3.780 matriz sólida do aqüífero. Quando os micróbios utilizam Bromofórmio 0,032 0,38 oxigênio no seu metabolismo, então o processo é Tetracloroetileno 0,030 0,36 denominado biodegradação aeróbica. Tetracloreto de carbono 0,031 0,37 transporte coloidal - colóides são partículas 1, 2 - diclorobenzeno 0,332 4,00 com diâmetros menores que 1 micron. Incluem Hexacloroetano 0,020 0,23 macromoléculas orgânicas dissolvidas, tais como substâncias húmicas, microorganismos, gotículas Durante dois anos, foi feito um monitoramento de líquidos orgânicos insolúveis e matéria mineral. com coleta de amostras de água para análise dos (McCarthy & Zachara, 1989). Alguns colóides podem traçadores iônicos e orgânicos, com o objetivo de definir ser tão pequenos que podem fluir através dos poros o movimento da pluma. Globalmente foram feitas mais de um aqüífero. Os colóides podem apresentar de 14.000 análises. movimento se possuírem superfícies químicas tais que A figura 5.3.20 mostra as curvas de chegada de as partículas individuais se repelem e permanecem cloreto, tetracloreto de carbono e tetracloroetileno em um desagregadas, sem condições de serem atraídas ponto de monitoramento no centro da pluma, situado a para formar partículas maiores. Quando substâncias 5 m dos poços de injeção. Aos 100 dias, o cloreto estava dissolvidas sofrem partição em colóides, isso pode quase acabando de passar pelo ponto de observação, criar uma segunda fase móvel. O soluto, nesse caso, o tetracloreto de carbono estava quase atingindo o encontra-se em três regiões: dissolvido, sorvido em pico e o tetracloroetileno ainda não havia chegado. colóides móveis e sorvido nas superfícies imóveis do Depois de 200 dias, tanto a pluma de cloreto quanto a esqueleto do aqüífero. de tetracloreto de carbono já tinham passado do ponto O estudo dos colóides na água subterrânea é muito de monitoramento, enquanto que a de tetracloroetileno complicado pelo fato de que a instalação de sistemas estava próxima do seu valor de pico. O comportamento de monitoramento, como poços e piezômetros, pode do bromofórmio foi muito semelhante ao do tetracloreto introduzir colóides que originalmente não existiam no de carbono, entretanto não é mostrado. aqüífero. Os processos de amostragem também podem Ainda na figura 5.3.20, observam-se os efeitos do introduzir colóides, como, por exemplo, a precipitação retardamento. O íon cloreto praticamente não é afetado de ferro coloidal devido à oxigenação da água. Segundo durante o trajeto através do aqüífero, enquanto que o Keswick et al. (1982) colóides de bactérias migraram tetracloreto de carbono e o tetracloroetilino deslocaram- até 900 metros e vírus até 920 metros em um aqüífero. se com taxas menores e refletem atrasos. O resultado é Argilas superficiais migraram centenas de metros para uma separação dos componentes da pluma, fenômeno poços (Nightingale & Bianchi, 1977). Fibras de amianto conhecido como efeito cromatográfico. foram encontradas em um aqüífero recarregado com água superficial contendo esse mineral. 5.3.5 estudo de Caso Um experimento sobre transporte de solutos reativos e não reativos em um aqüífero de areia, sob gradientes naturais da água subterrânea, relatado por Fetter (1993), foi realizado em 1982 na área de Borden, Canadá. O trabalho foi iniciado com a injeção, através de 9 poços, de 12 m3 de água contendo alguns solutos. No aqüífero já haviam sido previamente instalados 275 amostradores multi-nível de água subterrânea (Mackay et al., 1986; Freyberg, 1986; Roberts et al., 1986). Cada amostrador multi-nível tinha de 14 a 18 pontos separados verticalmente por cerca de 0,2 a 0,3 metros. A areia apresenta porosidade de 0,33 e média geométrica de condutividade hidráulica estimada em 7,2.10-5 m/s. O gradiente hidráulico médio Figura 5.3.20 - Tempos de chegada de cloreto, tetracloreto de anual é de 0,0043 e a velocidade média linear estimada carbono e tetracloroetileno em um ponto de medida situado a partir desses parâmetros, é 29,6 m/dia. A água foi 5,0 m a jusante do poço de injeção em um experimento com injetada com os seguintes solutos: traçadores no Canadá (modificado de Fetter, 1993). 401 Cap_5.3_FFI.indd 21 9/12/2008 21:46:24 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas A duração total do experimento foi de 633 dias para referências os orgânicos e 647 dias para o cloreto. O cloreto moveu- se muito mais do que os orgânicos e o tetracloreto de ABDUL, A. S. Migration of petroleum products carbono moveu-se muito mais do que o tetracloroetileno. through sandy hydrogeologic systems. ground As velocidades relativas foram indicadas pelas Water monitoring review, [S.l.], v. 8, n. 4, p. 73-81, posições dos centros de massa das plumas no final do 1988. experimento e são mostradas no quadro que segue: APGAR, M. A.; SATHERTHWAITE, W. B. Jr. Ground distância do Velocidade water contamination associated with the Llangollen Composto Centro de massa média landfil, New Castle County, Delaware. In: RESEARCH (m) (cm/dia) SYMPOSIUM GAS AND LEACHATE FROM LAND- Íon cloro 58.21 9,00 FILLS, 1975, New Brunswick. Proceedings… Cin- Íon bromo 24.82 3,92 cinnati, Ohio: EPA - NERC, 1975. Tetracloreto de AYERS, R. S.; BRANSON, R. C. Nitrates in the upper 21.51 3,40 carbono Santa Anna River Basin in relation to ground water Tetracloroetileno 12.33 1,95 pollution. California agricultural experiment station Bulletin, [S.l.], n. 861, p. 60, 1973. 1,2 –diclorobenzeno 8.09 1,28 BROADBENT, F. E. Nitrogen in soil and water. In: Hexacloroetano Não foi detectado depois de 633 dias SYMPOSIUM ON NITROGEN IN SOIL AND WATER, 1971, Guelph, Ontario, California. Proceedings… exercícios Propostos Guelph, Ontario, Canada: University of Guelph, 1971. p. 56. 1) Uma solução cuja concentração é de 400 mg/L CRANK, J. the mathematics of diffusion. Oxford: de sais é introduzida numa coluna de areia com 3 Oxford University Press, 1956. 347p. m de comprimento, cujos poros estão inicialmente preenchidos com água destilada. A solução drena, CUSTODIO, E.; LLAMAS, M.R. Hidrología subterrá- através da coluna, com velocidade média linear de 0,8 nea. Barcelona: Omega, 1976. 2 v. m/d e a dispersividade longitudinal da areia é de 15 cm. Qual será a concentração da solução efluente da coluna DIETZ, D. N. Pollution of permeable strata by oil com- após 5 dias? ponents. In: HEPPLE, Peter (Ed.). Water Pollution by oil. Amsterdam: Elsevier, 1971. p. 128-142. 2) Um poço receptor de resíduos industriais foi construído em um aqüífero confinado horizontal, isotrópico, com DREWRY, W. A.; ELIASSEN, R. E. Virus movement in espessura de 20 m, porosidade de 15%, condutividade groundwater. Journal Water Pollution Control Fed- hidráulica de 5.10-5 m/s e armazenamento específico de eration, [S.l.], n. 40, p. 257-271, 1968. 10-6 cm-1. A taxa de injeção é de 6 m3/h. ECKBERG, D. K.; SUNADA, D. K. Nonsteady three a) A que distância do poço de injeção se encontra phase immiscible fluid distribution in porous media. a extremidade do domo potenciométrico após 1 Water resources research, [S.l.], v. 20, n. 12, p. mês? 1891-1897, 1984. b) A que distância do poço de injeção estará a frente de FARVOLDEN, R. N.; HUGHES, G. M. Hydrogeologi- contaminação, após 1 mês? cal implications in solid waste disposal. Bulletin of 3) O chorume de um aterro sanitário está sendo lançado the International association of scientific Hydro- no meio ambiente com uma concentração de 1250 lology, [S.l.], v. 21, p. 146-158, 1976. mg/L de sódio. Esse líquido infiltra em um aqüífero cuja condutividade hidráulica é de 7 m/dia, com gradiente FETTER, C.W. Contaminant hydrogeology. New hidráulico de 3 m/km e porosidade efetiva de 0,25. Um York: McMillan, 1993. poço de monitoramento foi construído 30 m a jusante FLIPSE, W. J. Jr.; KATZ, B. G.; LINDER, J. B.; do aterro sanitário . Qual será a concentração de sódio nesse poço 300 dias depois de iniciado o lançamento MARKEL, R. Sources of nitrate in ground water in a do chorume? sewered housing development, central Long Island, New York. ground Water, [S.l.], v. 22, n. 4, p. 418- 4) Estime também, após o mesmo tempo, a concentração 425, 1984. de sódio em um poço de monitoramento situado 42 m a jusante do aterro sanitário. FLOWER, F. B. Case history of landfill gas movement 5) Calcule a velocidade relativa de uma frente de soluto, through soils. In: RESEARCH SYMPOSIUM GAS em um sistema solo-soluto, com um coeficiente de AND LEACHATE FROM LANDFILLS, 1975, Cook Col- distribuição de 23 mL/g, uma densidade do material lege, Rutgers University, New Jersey. Proceedings… sólido do meio poroso igual a 2,2 gr/cm3 e uma Cincinnati, Ohio: EPA - NERC, 1976. p. 177-189 porosidade de 0,2. (U.S. EPA n. 600/9-76-004) 402 Cap_5.3_FFI.indd 22 9/12/2008 21:46:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações FOSTER, M. D., CREASE, R. I. Nitrate pollution of KRONE, R. B.; ORLAB, G. T.; HODGKINSON, C. Move- chalk ground water in east Yorkshire: a hydrogeologi- ment of coliform bacteria through porous media. sew- cal appraisal. In: NITRATE pollution in Europe. New age and Industrial Wastes, [S.l.], v. 30, p. 1-13, 1958. York: Water Information Center, Port Washington, LANCE, J. C., GERBA, C. P., MELNICK, J. L. Virus move- 1972. p. 269-271. ment in soil columns flooded with secondary sewage FREEZE, A., CHERRY, J. A. groundwater. New Jer- effluent. applied environmental microbiology, [S.l.], sey: Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1979. 604 p. v. 32, n. 4, p. 520-526, oct. 1976. FREYBERG, D. L. A natural gradient experiment on LECKIE, J. O.; PACE, J. G.; HALVADAKIS, C. accele- solute transport in a sand aquifer, 2. Spacial move- rated refuse stabilization through controlled mois- ments and the advection and dispersion of nonreac- ture application. Stanford, Calif.: Stanford University tive tracers. Water resources research, [S.l.], v. 22, - Dep. Environm. Eng, 1975. Inédito. n. 13, p. 2031-2047, 1986. LEWIS, B. A. Selenium in biological systems and GARLAND, G. A., MOSHER, D. C. Leachate effects from pathways for its volatilization in higher plants. In: improper land disposal. Waste age, [S.l.], v.6, p. 42-48, NRIAGIR, J. O. (Ed.). environmental Biogeochemis- 1975. try. Ann Arbor, Michigan: Ann Arbor Science Publish- ers, 1976. p. 1. GERBA, C. P., WALLIS, C., MELNICK, J. L. The fate of wastewater bacteria and viruses in soil. Journal of McCARTHY, J. F.; ZACHARA, J. M. Subsurface trans- the Irrigatin and drainage division, [S.l.], v. 101, n. port of contaminants. environmental science and 3, p. 157-174, sept.1975. technology, [S.l.], v. 23, n. 5, p. 496-502, 1989. GIGER, W.; ROBERTS, P. V. Characterization of refrac- MACKAY, D. M.et al. A natural gradient experiment tory organic carbon. In: MITCHEL, Ralph (Ed.). Water on solute transport in a sand aquifer: 1. Approach Pollution microbiology. New York: John Wiley & and overview of plume movement. Water resources Sons, 1977. v. 2 research, [S.l.], v. 22, n. 13, p. 2017-2030, 1986. GRIFFIN, R. A. et al. Alteration of pollutants in munici- MANTELL, C. L. solid Wastes: origin, collection, pal landfil leachate by clay minerals: Part I. Column processing and disposal. New York: John Wiley & leaching and field verification. Bulletin Illinois state Sons, 1975. 1127 p. geological survey, [S.l.], n. 78, 1976. MOHSEN, M. F. N. gas migration from sanitary land- GROBA, F.; HAHN, J. Variations of groundwater fills and associated problems. Waterloo, Ontário, Ca- chemistry by anthropogenic factors in northwest nadá, 1975. Tese (Doutorado) - University of Waterloo, Germany. In: INTERNATIONAL GEOLOGICAL CON- Dept. of Civil Engineering, Waterloo, 1975. Inédito. GRESS, 24., 1972, Montreal. Proceedings... Que- MORAN, R. E. Geochemistry of selenium in ground béc: Harpell´s; IGC, 1972. p. 270-281. Section 11 water near Golden, Jefferson County, Colorado. ab- - Hydrogeology stracts with programs of the geological society of HILL, A. R. Nitrate distribution in the ground water of america, [S.l.], v. 8, p. 1018, 1976. the Alliston region of Ontario, Canada. ground Wa- NIGHTINGALE, H. I.; BIANCHI, W. C. Ground water ter, [S.l.], v. 20, n. 6, p. 696-702, 1982. turbidity resulting from artificial recharge. ground INESON, J.; PACKHAM, R. F. Contamination of water Water, [S.l.], v. 15, n. 2, p. 146-152, 1977. by petroleum products. In: HEPPLE, Peter. (Ed.). the OGATA, A. Theory of dispersion in a granular me- joint problems of the oil and water industry. Lon- dium. u. s. geological survey. Professional don: Institute of London, 1967. p. 97-116. Paper,[S.l.], n. 411-I, 1970. KAUFMAN, W. J. Chemical pollution of ground water. PERLMUTTER, N. M.; LIEBER, M.; FRAUENTHAL, H. Water technol./Quality, p.152-158, 1974. L. Contamination of ground water by detergents in a KESWICK, B. H.; WANG, D. S.; GERBA, C. P. The use suburban environment: south Farmingdale area, Long of microorganisms as ground water tracers: a review. Island. u. s. geological survey. Professional Pa- ground Water, [S.l.], v. 20, n. 2, p. 142-149, 1982. per, [S.l.], n. 501-C, p. 170-175, 1964. KIMMEL, G. E.; BRAIDS, O. C. Leachate plumes in a ROBECK, G. G. Microbial problems in groundwater. highly permeable aquifer. ground Water, [S.l.], v. 12, ground Water, [S.l.], v. 7, p. 33-35, 1969. p. 388-393, 1974. ROBERTS, P. V.; GOLTZ, M. N.; MACKAY, D. A. A KRONE, R. B.; McGAUHEY, P. H.; GOTAAS, H. B. Direct natural gradient experiment on solute transport: 3. discharge of groundwater with sewage effluents. Jour- Retardation estimates and mass balances for organic nal sanitary engineering division, [S.l.], v. 83, p. 1-25, solutes. Water resources research, [S.l.], v. 22, n. 1957. 132, p. 2047-2059, 1986. 403 Cap_5.3_FFI.indd 23 9/12/2008 21:46:24 Capítulo 5.3 - Contaminação das Águas Subterrâneas ROBERTSON, J. M.; TOUSSAINT, C. R.; JORQUE, M. A. organic compounds entering ground water from a landfill. [S.l]: Environmental Protection Agen- cy , 1974. 47 p. (Environmental Protection Technology Series EPA 660/2-74-077). SCHWILLE, F. Petroleum contamination of the sub- soil: a hydrological problem. In: HEPPLE, Peter. (Ed.). the joint problems of the oil and water industry. London: Institute of London, 1967. p. 23-53. SPALDING, R. F. et al. Nonpoint nitrate contamination of groundwater in Merrick Country, Nebraska. ground Water, [S.l.], n. 16, p. 86-95, 1978. VAN DAM, J. The migration of hydrocarbons in a water bearing stratum. In: HEPPLE, Peter. (Ed.). the joint problems of the oil and water industry. Lon- don: Institute of London, 1967. WESNER, G. M.; BAIER, D. C. Injection of reclaimed wastewater into confined aquifers. Journal of the american Water Works association, [S.l.], n. 62, p. 203-210, 1970 YEN, B. C., SCANLON, B. Sanitary landfill settlement rates. Journal of the geotechnical engineering division. asCe, v.101, n. 5, p.475-487, may 1975. 404 Cap_5.3_FFI.indd 24 9/12/2008 21:46:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 5.4 VulnErabIlIdadE à PoluIção dE aqüífEros Ricardo Hirata Amélia João Fernandes 5.4.1 Introdução o conhecimento desta característica pode resultar em redução de custos e das exigências ambientais s duas últimas décadas têm sido marcadas para a instalação de novas atividades;Apela crescente preocupação da sociedade • o controle da ocupação em áreas que são mais com a degradação dos recursos hídricos sensíveis à contaminação de aqüíferos; e subterrâneos. A maior dependência das águas subterrâneas para o abastecimento público e para • a proteção de mananciais importantes que são ou serão utilizados para o abastecimento público. a produção econômica tem forçado os governos a estabelecerem programas efetivos de proteção A vulnerabilidade das águas subterrâneas à da qualidade de aqüíferos bem como da sua contaminação pode ser definida em função de remediação. um conjunto de características físicas, químicas e Paralelamente, os responsáveis pela gestão dos biológicas da zona não saturada e/ou do aqüitarde recursos hídricos estão cada vez mais conscientes das confinante que, juntas, controlam a chegada do limitações técnicas, econômicas e de disponibilidade contaminante ao aqüífero. de especialistas para viabilizar a remedição de Este capítulo descreve o desenvolvimento do contaminações existentes, sobretudo em países em conceito de vulnerabilidade, fornece um quadro geral desenvolvimento. Esta situação tem mostrado que dos principais métodos e técnicas empregados, é muito mais interessante proteger o aqüífero do aborda os problemas e limitações enfrentados e, que remediá-lo. Como resultado, tem-se notado a finalmente, tece considerações sobre o futuro emprego popularização do uso e do próprio desenvolvimento de métodos de mapeamento de vulnerabilidade em de técnicas de mapeamento de vulnerabilidade à programas de proteção da qualidade de aqüíferos com contaminação de aqüíferos, como uma ferramenta ênfase na realidade latino-americana. para a proteção dos recursos hídricos subterrâneos. Esta cartografia visa compatibilizar as atividades 5.4.2 Evolução do Conceito de antrópicas e a capacidade do terreno em suportá-las Vulnerabilidade ambientalmente. Qualquer área urbana ou rural apresenta uma A vulnerabilidade de um aqüífero pode ser complexa ocupação, com a presença de várias atividades determinada em função de vários aspectos e seu potencialmente poluentes. Programas de proteção das significado se diversifica conforme o contexto onde águas subterrâneas, que tentam controlar ou monitorar se insere. Assim, este termo tem sido utilizado pelos todas as atividades, são economicamente pouco hidrogeólogos e administradores de recursos hídricos consistentes e sua implementação apresenta restrições para expressar uma das três idéias: econômicas, administrativas e sociais. Então, a melhor • susceptibilidade intrínseca do meio aqüífero em ser estratégia para estes programas deve considerar: adversamente afetado por uma carga contaminante antrópica; • a identificação de áreas que necessitam de maior atenção ambiental ou atividades que representem • importância sócio-econômica do recurso hídrico no presente e no futuro, incluindo a possibilidade de maior ameaça à qualidade das águas subterrâneas, ser substituído por outras fontes. A vulnerabilidade, com a finalidade de dirigir a elas os recursos vista assim, associa-se ao conceito de recurso, e os técnicos e financeiros de órgãos de controle, em diferentes graus de vulnerabilidade são definidos em estudos de detalhe, e aplicação de programas de função da disponibilidade de fontes alternativas, e monitoramento; mediante a análise dos custos sociais e econômicos • a capacidade que a zona não-saturada apresenta inerentes aos programas de tratamento do aqüífero de degradação dos contaminantes, uma vez que e à busca de fontes alternativas (Hirata, 1994); e 405 Cap_5.4_FFI.indd 1 9/12/2008 21:48:24 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos • importância do aqüífero em manter áreas Vulnerabilidade Específica - volta-se a um certo ecologicamente importantes. Os aqüíferos norte- contaminante ou ainda atividade ou classe de americanos, por exemplo, são agrupados em contaminantes. três classes de vulnerabilidade, cuja definição se Um mapa de vulnerabilidade relativa opõe-se ao de associa às características hidráulicas, à dificuldade vulnerabilidade absoluta, mas ambos podem ser gerais de substituição por fontes alternativas e às ou específicos. Da mesma forma, o adjetivo geral/ propriedades ecológicas vitais que desempenham, universal opõe-se a específico, mas ambos podem por exemplo, manutenção do nível de base de ser relativos ou absolutos. sistemas biológicos frágeis (Canter et al., 1987). Considera-se que a complexidade dos sistemas No meio técnico-científico, a primeira definição, com aqüíferos e do comportamento de diferentes classes algumas variações entre autores, é a mais amplamente de contaminantes em subsuperfície dificilmente poderia aceita e utilizada. Este conceito foi preliminarmente ser representada de forma integral por um único mapa utilizado nos anos 60 por Le Grand (1964), nos EUA, por de vulnerabilidade. Isso tem feito com que alguns Albinet & Margat (1970), na França, e Taltasse (1972), hidrogeólogos advoguem que seria mais realista no Brasil e mais amplamente nos anos 80 por vários analisar cada uma das atividades potencialmente outros autores (Aller et al., 1987; Bachmat & Collin, contaminantes de forma individual. Entretanto, tal 1987; Foster & Hirata, 1988). procedimento esbarra em limitações de recursos Em uma acepção mais moderna, a vulnerabilidade é humanos e econômicos, sobretudo para os países em analisada em função das características dos materiais desenvolvimento, como os da América Latina. que recobrem a zona saturada e que conferem algum Uma outra possibilidade seria a construção de mapas grau de proteção às águas subterrâneas contra uma de vulnerabilidade específica para cada poluente, grupo carga contaminante antrópica imposta (Foster & Hirata, de contaminantes (bactérias e vírus; nutrientes; metais 1988). Estas características do meio consistem na pesados; solventes clorados; hidrocarbonetos e sais) ou capacidade do mesmo em degradar e/ou impedir mesmo para cada tipo de atividade antrópica (estações hidraulicamente a chegada de contaminantes vindos de serviço, agricultura, lagoas de oxidação, aterros de da superfície e originados de uma atividade humana. resíduos sólidos etc.). Desta forma, ao contrário de um Aqui o termo vulnerabilidade é definido como a único mapa, ter-se-ia um atlas, no qual seriam reunidas susceptibilidade intrínseca do meio aqüífero em ser todas estas cartas. Apesar dos Sistemas Geográficos adversamente afetado por uma carga contaminante de Informação facilitarem o manuseio e atualização de antrópica. Foster & Hirata (1988) definem o conceito tais atlas, as limitações econômicas e técnicas ainda de perigo de contaminação das águas subterrâneas são muito relevantes. Por exemplo, existem muitas (anteriormente também chamado de risco) como a dificuldades técnicas para a produção de um mapa, inter-relação entre a vulnerabilidade do aqüífero e que resulte do cruzamento de vários, voltado aos uma carga contaminante potencial, associada a uma planejadores, os quais devem ser grandes usuários de atividade já existente (Foster & Hirata 1988). Assim mapas de vulnerabilidade. sendo, uma atividade apresentaria um grande perigo Muitos destes problemas podem ser superados se ela estivesse localizada em um aqüífero de alta se houver consciência de que a cartografia de vulnerabilidade. Em contraposição, a ausência de uma vulnerabilidade não é um substituto dos estudos de atividade geradora de carga contaminante ou mesmo detalhe, mas um primeiro passo na identificação dos a sua localização em áreas de baixa vulnerabilidade maiores perigos ambientais, em escala municipal caracterizariam a inexistência ou um baixo perigo, ou mesmo estadual. Assim, o mapeamento da dependendo do tipo de atividade em questão. O vulnerabilidade poderia auxiliar na identificação de termo vulnerabilidade recebe vários adjetivos e os prioridades de ação por parte dos órgãos de controle significados das expressões resultantes, e utilizadas ambiental, indicando tanto aquelas atividades já neste capítulo, são descritos a seguir: instaladas e que poderiam estar pondo em perigo o aqüífero, como definindo o nível de exigências • Vulnerabilidade Relativa - as unidades de um ambientais com relação às novas atividades, com base mapa de vulnerabilidade são classificadas uma na vulnerabilidade das águas subterrâneas. com relação à outra e não possuem significado A complexidade hidrogeológica, que faz com absoluto; que cada ambiente seja único, dificulta, também, • Vulnerabilidade Absoluta - cada unidade mapeada que métodos de cartografia de vulnerabilidade possui um significado em si, ou seja, cada índice classifiquem os aqüíferos de forma absoluta, ou seja, de vulnerabilidade seria associado à capacidade que cada unidade tenha significado próprio. A grande de degradação de um contaminante ou grupo de maioria dos métodos existentes classifica os aqüíferos contaminantes, como descrito na tabela 5.4.1; de forma relativa. Embora o procedimento de um índice relativo seja • Vulnerabilidade Geral ou Universal - dirige-se a mais simples e, de certa forma, até mais confiável, todos as atividades ou classes de contaminantes; e ele cria dificuldades práticas em sua implementação, 406 Cap_5.4_FFI.indd 2 9/12/2008 21:48:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações incluindo a compatibilização de mapas gerados em Exemplos de diferentes etapas ou com métodos distintos. Da Classes de Definição Prática Compostos Vulnerabilidade mesma forma, o planejador enfrenta dificuldades Contaminantes para estabelecer os usos do terreno frente à Vulnerabilidade a muitos vulnerabilidade relativa. Nesse sentido, Foster (1998) poluentes, incluindo os e Foster et al. (2002) têm sugerido uma definição Extrema rapidamente degradáveis prática de classes de vulnerabilidade absoluta, em muitos cenários de apresentadas na tabela 5.4.1. contaminação Vulnerável a muitos poluentes, exceto 5.4.3 o Comportamento de Con- Alta aqueles muito pouco taminantes e a Vulnerabilidade de móveis e pouco persistentes Aqüíferos Vulnerável a alguns poluentes, e somente A vulnerabilidade de um aqüífero pode ser Moderada quando continuamente caracterizada em função da interação de duas lançados propriedades dos materiais sobrejacentes ao aqüífero Somente vulnerável (zona não saturada e/ou aqüitarde) (Foster & Hirata, a contaminantes 1988) descritas a seguir: conservativos em Baixa longo prazo, quando • acessibil idade hidráulica à penetração de continuamente e contaminantes até atingir a zona saturada do amplamente lançados aqüífero (advecção de contaminantes); e Não vulnerável, exceto • capacidade de atenuação, a qual é resultante da em locais restritos que Negligenciável retenção ou reação físico-química de contaminantes permitam o fluxo vertical (Ex: zonas de fraturas) (dispersão, retardação e degradação). Pesticidas catiônicos, metais pesados não associados Segundo esta definição, existirá contaminação se: à elevada carga orgânica ou em condições de pH e Eh extremados. • os materiais sobrejacentes ao aqüífero permitirem Bactérias e vírus e compostos aromáticos a passagem do poluente que, neste caso, chegaria à zona saturada; e Hidrocarbonetos clorados e não-clorados • o poluente for quimicamente persistente e tiver Sais e nitrato concentração suficiente para que possa superar a Sais e nitrato quando hidraulicamente possível capacidade de atenuação imposta pelos materiais sobrejacentes ao aqüífero. Tabela 5.4.1 - Classes de vulnerabilidade absoluta de aqüíferos à contaminação (modificado de Foster, 1998; Foster et al., 2002). Acesso Hidráulico à Zona Saturada do Aqüífero A vulnerabilidade de um aqüífero é tanto menor = K(θ) ∂hv (5.4.1) quanto mais difícil ou demorado for o acesso hidráulico he ∂b do contaminante à zona saturada. Assim, numa avaliação de vulnerabilidade, é importante estimar o período de sendo v a velocidade real, K(θ) a condutividade tempo que a água, durante o seu fluxo, gasta para hidráulica, (θ) a umidade do solo, b a distância entre a percorrer uma determinada distância, ou seja, o superfície, onde se encontra a atividade antrópica, e o tempo de trânsito. Tempos de trânsito mais longos teto do aqüífero, h a carga hidráulica e he a porosidade permitem, via de regra, uma maior possibilidade de efetiva. atenuação dos contaminantes, pois há mais tempo A estimativa de K pode ser difícil de obter quando para que as reações de degradação se processem. estão presentes fraturas ou outras macro-porosidades, Isso é particularmente verdade para poluentes pouco que, em algumas condições, comportam-se como persistentes, como bactérias e vírus, ou mesmo para dutos preferenciais e acabam por permitir que o fluxo compostos degradáveis, como algumas substâncias de água e de contaminantes se processe de forma mais orgânicas sintéticas ou naturais. fácil e rápida, que no material original não fraturado. O tempo de trânsito é governado pelos fatores Além da espessura da zona não saturada, outros expressos na Lei de Darcy aplicada à zona não aspectos da geometria do aqüífero, tais como presença saturada, onde a condutividade hidráulica será função de multicamadas nos materiais sobrejacentes ao da umidade do meio: aqüífero, também exercem influência sobre o tempo de 407 Cap_5.4_FFI.indd 3 9/12/2008 21:48:25 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos trânsito, pois aumentam o percurso percorrido. Apesar Há uma inequívoca relação entre a recarga e a da dificuldade em avaliar a vulnerabilidade de aqüíferos vulnerabilidade, uma vez que o transporte de muitos multicamadas, devido à sua complexa geometria, os contaminantes até a zona saturada do aqüífero ocorre mesmos podem representar uma situação favorável na fase dissolvida, como parte do processo de recarga para a explotação. O bombeamento destes aqüíferos, (Foster, 1998). Desta forma, a correta aplicação de nos quais a concentração de contaminantes não técnicas de vulnerabilidade deve ser precedida pelo é homogênea, pode ser seletivo com relação aos entendimento do modelo conceitual de circulação das diferentes níveis, o que poderia permitir extrações de águas subterrâneas, sobretudo dos mecanismos que água com concentrações aceitáveis, dependendo da controlam a recarga do aqüífero e a relação do aqüífero toxicidade dos compostos. estudado com as outras unidades hidrogeológicas. Sob condições de recarga natural, o clima exerce Apesar desta relação, considera-se pouco realista importante controle sobre o tempo de trânsito. a incorporação da recarga natural nos métodos de Para climas semi-áridos, a água disponível é mais determinação da vulnerabilidade geral, pois todas as determinante que a própria condutividade hidráulica do ocupações antrópicas acabam por induzir mudanças meio, sendo o oposto para climas úmidos. A figura 5.4.1 nas taxas de recarga. Muitas atividades podem gerar apresenta os tempos de trânsito em quatro diferentes importantes cargas hidráulicas adicionais (Foster & condições climáticas e para três materiais com valores Hirata, 1988) independentemente do clima local (tabela distintos de condutividade hidráulica saturada. Esta 5.4.2). Um bom exemplo disto é a recarga induzida por figura foi gerada a partir de um modelo numérico de uma lagoa de oxidação ou mesmo pela urbanização. É fluxo para a zona não-saturada, VS2DT da Waterloo notável que diferentes cidades sob diferentes condições Hydrogeologic Inc. Não foram simuladas atividades que climáticas acabem tendo recargas similares (figura gerassem cargas hidráulicas adicionais. As condições 5.4.2). Embora a urbanização possa reduzir a recarga climáticas foram: equatorial úmido (> 2.000 mm/ano); através da impermeabilização do terreno à chuva, novas tropical úmido com estações secas e úmidas distintas fontes de água podem induzi-la, tais como aquelas (1.500 mm/ano); temperado (800 mm/ano) e semi-árido associadas a vazamento da rede de água potável, de (< 200 mm/a). As condições hidráulicas do solo foram: esgoto e de drenagens pluviais e também ao excesso solo arenoso (Ksat = 10 -3 cm/s); solo argilo-arenoso (Ksat de irrigação em parques e jardins. = 10-4 cm/s) e solo argilo-siltoso (Ksat = 10 -5 cm/s). Para A recarga natural somente terá importância, em um todas as condições mencionadas, a zona não-saturada mapeamento de vulnerabilidade, quando a atividade era de 25 m e o tempo máximo de trânsito de 10 anos antrópica não impuser uma carga hidráulica adicional (Hirata & Bertolo, 2002). importante, como a agricultura sem irrigação, a figura 5.4.1 - Tempo de trânsito na zona não-saturada para um contaminante móvel e persistente em quatro condições climáticas distintas. K1, K2 e K3 são diferentes condutidades hidráulicas em solos (adaptado de Hirata & Bertolo, 2002). 408 Cap_5.4_FFI.indd 4 9/12/2008 21:48:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Características da Carga Contaminante Descarga atividade Distribuição Principais sobrecarga abaixo do por Tipos de Hidráulica nível do solo Categoria Contaminante relativa (*) (**) Urbanização Saneamento sem rede de esgoto u/r - P - D n - f - o + • Vazamentos na rede (a) u - P - L o - f - n + • Lagoas de oxidação de efluentes u/r - P o - f - n ++ • Área de descarga de efluentes u/r - P - D n - s - o - f + • Descarga de efluentes em rios u/r - P - L n - o - f ++ • Lixiviação de efluentes de aterros sanitários ou lixões u/r - P o - s - h • • Tanques de combustível u/r - P - D o • • Drenagem de estradas u/r - P - D s - o + • Industrialização Vazamento de tanques ou tubulações (b) u - P - D o - h • • Derramamentos acidentais de produtos químicos u - P - D o - h + • Lagoas de águas de processo ou efluentes u - P o - h - s ++ • Área de descarga de efluentes u - P -D o - h - s + • Descarga de efluentes em rios u - P - L o - h - s ++ • Lixiviação em aterros de resíduos sólidos e lixões u/r - P o - h - s • • Drenagem por valas de infiltração u/r - P o - h ++ • Deposição de poluentes transportados por dispersão aérea u/r - D s - o • • Práticas Agrícolas (c) Utilização de agroquímicos r - D n - o • • Irrigação r - D n - o - s + • Culturas Com excremento animal r - D n - o - s • • Com utilização de efluentes na irrigação r - D n - o - s - f + • Criação de gado Lagoa de efluentes r - P f - o - n ++ • e processamento Área de descarga de efluentes r - P - D n - s - o - f • • de culturas Descarga de efluentes em rios r - P - L o - n - f ++ • Mineração Mudanças no regime de fluxo r/u - P - D s - h • • Descarga de águas drenadas r/u - P - D h - s ++ • Lagoas de água de processo e efluentes r/u - P h - s + • Lixiviação em aterros de resíduos sólidos e bota foras r/u - P s - h • • Legenda (a) = pode incluir componentes industriais n = nutrientes (b) = pode ocorrer também em áreas não industriais f = agentes patogênicos (c) = a intensificação das culturas é o principal perigo de contaminação o = compostos orgânicos e matéria orgânica u/r = urbano/rural s = salinidade P/L/D = pontual/linear/difuso ou multipontual h = metais pesados + = presença de sobrecarga hidráulica ++ = forte sobrecarga hidráulica • = ocorre • = não ocorre (*) = aumento da quantidade de água infiltrada no solo (**) = infiltração do contaminante abaixo do nível do solo devido a características da atividade. Tabela 5.4.2 - Sumário das atividades que potencialmente geram carga contaminante para o subsolo (Foster & Hirata, 1988). 409 Cap_5.4_FFI.indd 5 9/12/2008 21:48:25 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos figura 5.4.2 - Aumento potencial da recarga em aqüíferos não confinados, induzido pela urbanização. A ponta da seta representa a recarga total (natural e urbana) resultante (modificado de Foster et al., 1999). estocagem de matéria prima em área aberta e os As zonas de descarga próximas aos rios, lixões. É importante mencionar que a presença de baixa correspondem a uma situação que favorece a proteção recarga natural reduzirá a probabilidade de criação de do aqüífero, pois permitem a dispersão da pluma chorume em lixões e aterros em climas mais secos. contaminante, devido à concentração de diferentes Entretanto, isto também acaba por criar um líquido tubos de fluxo. percolante mais concentrado, pois não haverá o efeito da diluição. Isto também é verdade no caso de áreas Processos de Atenuação de Contaminantes urbanas sem rede de esgoto, onde a concentração do nitrato será uma função da recarga advinda da A atenuação de uma pluma contaminante, quando infiltração da chuva e das perdas da rede de água, esta atravessa a zona não saturada e/ou aqüitardo, quando for o caso (Foster & Hirata, 1988). Fora essas pode, em função do tipo de poluente, englobar um ou situações, é mais prático analisar a recarga como parte mais dos seguintes processos: da atividade antrópica do que tentar incorporá-la ao próprio método de vulnerabilidade de aqüífero. • Dispersão - fenômeno no qual o soluto que é O tipo de aqüífero, se confinado ou livre, exerce transportado pela advecção sofre mistura com o maior controle sobre o acesso hidráulico de águas não-contaminadas, causando uma redução contaminantes ao aqüífero, independentemente do na concentração, sem, contudo, alterar a sua contaminante considerado (Hirata, 1994). Aqüíferos massa. Seu efeito é mais pronunciado na zona confinados, e ainda com fluxo ascendente, por saturada. Para contaminantes muito persistentes e exemplo, são, a princípio, os mais bem protegidos, móveis é o mecanismo mais eficiente de redução pois dificilmente o contaminante chegaria à zona do impacto ao aqüífero, sendo mais pronunciado saturada, exceto se, por explotação do próprio em áreas de alta recarga; aqüífero, houvesse uma inversão do sentido do fluxo. • Retardação - fenômeno causado por um grupo Ao contrário, aqüíferos livres e rasos em terrenos de processos, capitaneado pela adsorção, permeáveis são os mais vulneráveis. que faz com que a velocidade de transporte 410 Cap_5.4_FFI.indd 6 9/12/2008 21:48:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações do contaminante seja menor que a das águas contaminação pontuais, é realizada a retirada do subterrâneas; devido a este processo, alguns solo ou a carga poluente é aplicada na base deste, contaminantes, desde que não haja mudanças tais como em cavas, trincheiras, lagoas e pedreiras. significativas das condições físico-químicas do Nestes casos, a capacidade de atenuação do solo não meio, podem ser considerados imóveis e, portanto, contribui para reduzir a vulnerabilidade (tabela 5.4.2). de baixo impacto ao aqüífero; e É importante mencionar que se a atividade poluente • Degradação - fenômeno que causa a redução da tem carga orgânica e ácida suficiente para produzir massa do contaminante por reações bio-físico- mudança geral significativa no Eh e pH da zona químicas. não-saturada, é possível introduzir comportamento distinto das camadas protetoras do aqüífero para O solo é uma das maiores defesas contra a alguns contaminantes, mudando a vulnerabilidade contaminação antrópica de aqüíferos, não somente do aqüífero. pela sua posição, entre a carga poluente e a zona Para substâncias pouco persistentes e pouco saturada, mas, também, por suas características móveis (microorganismos patogênicos, por exemplo) bio-físico-químicas, que induzem à degradação o tempo de chegada ao aqüífero é um fator importante. de mui tas substâncias e micro-organismos Para estes compostos, a advecção e a retardação são patogênicos. A zona não saturada e, particularmente, elementos chave para a definição da vulnerabilidade. o solo biologicamente ativo, mostram uma grande Ao contrário, para compostos muito persistentes e capacidade de atenuação relacionada a: móveis (sais inorgânicos, por exemplo), tais parâmetros • mecanismos de sorção (adsorção e absorção) e são pouco significativos, já que a contaminação do eliminação de bactérias e vírus patogênicos; aqüífero ocorrerá mais cedo ou mais tarde. Com relação a estes compostos, a dispersão, ainda que de difícil • adsorção, troca catiônica e precipitação, por estimativa, pode desempenhar um papel importante exemplo, de carbonatos, sulfatos e hidróxidos, em uma cartografia de vulnerabilidade, sobretudo são mecanismos importantes para a atenuação de com relação às áreas de recarga. Em alguns casos, metais pesados e outros compostos inorgânicos; uma cartografia de vulnerabilidade para compostos • adso rção e b iodeg radação de mu i tos persistentes e móveis tem pouco significado prático hidrocarbonetos e compostos orgânicos sintéticos (Foster, 1987), uma vez que a contaminação ocorrerá (figura 5.4.3). fatalmente. As características físico-químicas do meio Diferentes tipos de argilas, óxidos, hidróxidos e afetam ou determinam o comportamento de muitos matéria orgânica apresentam diferentes capacidades compostos. A desnitrificação ou a mobilidade de adsorção de contaminantes e troca iônica, de metais pesados podem servir de exemplo. retardando e reduzindo a concentração de Lamentavelmente, uma cartografia que destaque contaminantes ao longo da zona não-saturada estas características é extremamente difícil, devido à (tabela 5.4.3). No entanto, para muitas fontes de falta de dados (tabela 5.4.4). figura 5.4.3 - Processos que promovem a atenuação de contaminantes em sistemas de água subterrânea. A espessura das barras é proporcional à intensidade do processo (adaptado de Gowler, 1983). 411 Cap_5.4_FFI.indd 7 9/12/2008 21:48:25 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos Capacidade Condições Acessibilidade Vulnerabilidade Tipo de solo Propriedades de Climáticas Hidráulica relativa atenuação Solos de baixa fertilidade, com textura Solos friáveis uniforme, horizontes A, B e C pouco com alto valor diferenciados. Estes solos são altamente de K, por causa intemperizados, lixiviação ácida de cátions da porosidade de base e sílica, caolinita é o argilomineral Média - Equatorial Solo ferralítico secundária Média estável, óxidos e hidróxidos de ferro e baixa (estrutura colunar), alumínio são os minerais secundários quando o conteúdo mais comuns. Estes solos são de pouca de matéria orgânica espessura (<2m) e formados em clima é alto. úmido moderado. Solos com pronunciada diferenciação dos horizontes A (areia), B (argilominerais Tropical acumulados) e C. Espessura em torno Solos bem Solo podzólico úmido com de 1,5 m e um pouco mais fértil que o drenados, mas vermelho- alternância ferralítico. Estes solos são pouco mais com menos amarelo (clima Média Média de estações siltosos e são formados por minerais de acessibilidade temperado seca e baixa resistência ao intemperismo. Eles hidráulica que os moderado) úmida são ácidos, bem drenados, caolinita é o solos ferralíticos. principal argilomineral, apresenta óxidos e hidróxidos de ferro. Tipo 1 - solos formados a partir de rochas permeáveis: baixa espessura (0,45 m), muito ácidos (pH = 4,5) baixo conteúdo de cátions de base, caolinita < 20%, alto conteúdo de matéria orgânica no Temperado Solo marrom e horizonte A (5%); horizonte B pobremente Solos pouco úmido solo lixiviado enriquecido em argilominerais. espessos e baixa alta drenados Tipo 2 - solos formados a partir de rochas de baixa permeabilidade: mesma estrutura do tipo 1, mas um pouco mais espesso (0,7 m) e horizonte B enriquecido em argilominerais. Solos pouco espessos (0,5 m). Horizonte A tem menos de 25 cm de espessura. Solos pouco Solos chestnut e CaCO espessos e Semi-árido 3 e argilominerais acumulam-se solos marrons drenados. alta baixano horizonte B. Argilominerais com Níveis freáticos elevada capacidade de troca catiônica profundos (montmorilonita). Tabela 5.4.3 - Características da vulnerabilidade à poluição de aqüíferos para alguns tipos de solos em diferentes condições climáticas (Hirata & Bertolo 2002). 5.4.4 Os Métodos de Cartografia da métodos consideram informações detalhadas de Vulnerabilidade poucos pontos, esquecendo-se que a cartografia de vulnerabilidade deve ser homogênea para toda a área Os métodos de vu lne rab i l i dade devem e que a variação espacial dos parâmetros é muito traduzir o comportamento dos contaminantes em mais importante. subsuperfície. O grande problema é compatibilizar Autores como Seller & Canter (1980), Le Grand a complexidade da interação entre poluentes e o (1983) e Carter et al. (1987) têm sugerido a elaboração ambiente hidrogeológico com as simplificações de atlas contendo vários mapas de vulnerabilidade necessár ias para fazer o método apl icável , para determinados contaminantes. Apesar deste reprodutível e confiável. procedimento encarecer os trabalhos e de, certa forma, Para representar a possível complexidade, alguns dificultar a interpretação ambiental, seus resultados autores têm incluído vários parâmetros em seus têm melhor significado do ponto de vista técnico- métodos (Hargerty et al., 1973; Phillips et al., 1977; científico. Outra aproximação seria o desenvolvimento Kulfs, 1980), que reunidos muitas vezes sob a forma de métodos que analisassem somente um tipo de de multiplicação ou de adição, perdem seu significado atividade contaminante (como por exemplo, tanques físico. A utilização de muitos fatores, somando ou de combustível enterrados). multiplicando a incerteza da informação, aumenta Tal procedimento, fatalmente, tropeça na inexistência a possibilidade de errar. Em outras ocasiões, os de informações e/ou dados adequados. 412 Cap_5.4_FFI.indd 8 9/12/2008 21:48:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Transformações Bioquímicas Reações Químicas Retardação Físico-Química Contaminante aeróbica anaeróbica Ácida alcalina Ácida alcalina Metais Pesados Cádmio (Cd) • • • •• • • Cromo (Cr) • • • • •• • Cobre (Cu) • • • •• •• • Chumbo (Pb) • • • •• • •• Mercúrio (Hg) • • • •• • •• Prata (Ag) • • • •• • •• Zinco (Zn) • • • •• • •• Compostos Inorgânicos Amônio (NH4) •• • • • • •• Nitrato (NO3) • •• • • • • Sódio (Na) • • • • • • Sulfato (SO4) • •• • • • • Fluoreto (F) • • • • •• • Cloreto (Cl) • • • • • • Arsênio (As) • • • • • •• Selênio (Se) • • •• • •• • Cianeto (CN) • • • • •• • Compostos Orgânicos Hidrocarbonetos alifáticos •• • • • •• •• Fenóis •• • • • • • Benzeno •• • • • •• •• Tolueno •• • • • •• •• Aromáticos poliaromáticos • • • • • • Compostos Orgânicos Halogenados Tricloroeteno • • • • • • Tetracloroeteno • • • • • • 111 Tricloroetano • • • • • • Tetracloreto de Carbono • • • • • • Clorofórmio • • • • • • Cloreto de metila • • • • • • Clorobenzeno •• • • • •• •• Clorofenóis •• • • • • • Microorganismos Coliformes fecais • • • • • • Bactérias patogênicas • • • • • • Vírus patogênicos • • •• • • •• • = provavelmente não ocorre • = pode ocorrer •• = provavelmente ocorre Tabela 5.4.4 - Sumário do comportamento em subsuperfície de um grupo selecionado de contaminantes (adaptado de Foster & Hirata, 1988). 413 Cap_5.4_FFI.indd 9 9/12/2008 21:48:25 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos Conseqüentemente, outros autores (Albinet & confinado não drenante, confinado drenante ou Margat, 1970; Haertlé, 1983; Aller et al., 1987; Foster livre; & Hirata, 1988; Hirata et al., 1991) têm sugerido o uso de sistemas menos refinados e mais generalistas, tal • natureza composicional da zona não saturada e/ como a construção de um mapa de vulnerabilidade ou aqüitardo e seu grau de fraturamento (Overlying geral, ou seja, para todos os contaminantes. strata); e Uma grande vantagem dos métodos de • profundidade do nível d’água ou da base da camada vulnerabilidade é que muitos deles podem utilizar confinante do aqüífero (Depth to groundwater dados qualitativos, permitindo, assim, o trabalho table). com intervalos de valores bastante amplos. O uso Para cada um destes fatores existe uma gradação de probabilidade estatística na determinação dos de 0 ou 0,3 a 1,0, que, multiplicados entre si, definem parâmetros que afetam o transporte de contaminantes o grau de vulnerabilidade do aqüífero, como ilustrado e na determinação do impacto da degradação na figura 5.4.4. Nesta figura também é dado um ambiental tem sido introduzido nos modelos exemplo de aplicação do método GOD. Foi escolhida matemáticos de simulação, possibilitando flexibilizar a área aflorante do Sistema Aqüífero Guarani os valores absolutos que antes eram usados (técnica (Formação Botucatu), na região de Ribeirão Preto, de Monte Carlo, e.g.). No entanto, esses métodos tendo sido obtido índice de 0,6, correspondente a podem ser aplicados somente onde já existe um vulnerabilidade alta. conhecimento detalhado da hidráulica do aqüífero, O drasTIC (Aller et al., 1987) é o método mais o que limita seu alcance prático (Foster et al., 1992). Por outro lado, a flexibilidade pode acarretar que popular de cartografia de vulnerabilidade na Europa e muitos métodos de determinação da vulnerabilidade Estados Unidos. Este método gera um índice relativo tenham pouca objetividade, já que seriam função da de vulnerabilidade que é obtido pela soma ponderada experiência do hidrogeólogo e, portanto, de difícil de sete parâmetros: profundidade do nível de água, reprodutividade. Desta forma, pode-se entender recarga natural, meio aqüífero, solo, topografia que os métodos cartográficos da vulnerabilidade (declividade), zona vadosa e condutividade hidráulica são mais compatíveis com a inexistência de dados da zona saturada. Na figura 5.4.5 é mostrado um hidráulicos e físico-químicos detalhados. Devem exemplo de aplicação do método para a mesma ser voltados a grandes áreas, escalas regionais, situação de aplicação do método GOD (figura 5.4.4). e analisar um número relativamente grande de O valor resultante de índice de vulnerabilidade, atividades potencialmente contaminantes com um para o exemplo escolhido, foi de 154 que, segundo nível de informação reduzido. Assim, a falta de dados a USEPA, representa vulnerabilidade alta, situação e a complexidade geológica são superadas por que ocorre para todos os índices superiores a 150 informação mais geral e distribuída homogeneamente (USEPA, 1994). em termos geográficos. Hirata (1993) afirma que um inventário das atividades 5.4.5 Limitações do Uso dos Mapas contaminantes, acompanhado de uma definição clara dos compostos químicos implicados, os processos de Vulnerabilidade de Aqüíferos envolvidos e as formas de distribuição das matérias Se de um lado é clara a importância do zoneamento primas e dos resíduos, torna-se mais importante que a de terrenos como forma de melhor ocupá-los, e os própria determinação da vulnerabilidade dentro de um métodos de vulnerabilidade podem ser uma ferramenta estudo de perigo de contaminação de aqüíferos. útil para isso, há ainda várias questões que necessitam A tabela 5.4.5 mostra os diferentes métodos de aprofundamento e solução. Algumas destas limitações de cartografia de vulnerabilidade de aqüíferos, são descritas a seguir. descrevendo seus objetivos principais e os parâmetros Não existe ainda uma concordância geral sobre o a determinar. Uma excelente avaliação de métodos conceito de vulnerabilidade, apesar das tentativas de de vulnerabilidade pode ser encontrada em Vrba & unificação, feitas por alguns autores, incluindo dois Zaporozec (1994). importantes grupos profissionais de hidrogeólogos O método God (Foster & Hirata, 1988) tem sido (NRC, 1993; Vrba & Zaporozec, 1994). Um dos pontos uma das técnicas para determinação de vulnerabilidade notáveis é que alguns métodos restringem-se a analisar mais utilizadas na América Latina e Caribe durante os a facilidade com que o material, entre a superfície do anos 90, por causa de sua simplicidade de conceitos solo e a zona saturada do aqüífero, permite a travessia e aplicação. As informações necessárias à aplicação do contaminante. Já outros consideram, também, a deste método são disponíveis em estudos básicos mobilidade de contaminantes na zona saturada. de hidrogeologia regional. A sua denominação é um A falta de um conceito amplamente aceito dificulta acrônimo dos três seguintes fatores, em inglês: a comparação entre diferentes métodos, sobretudo • confinamento do aqüífero (Groundwater hydraulic porque a quase totalidade deles gera índices de confinement), o qual pode ser classificado em vulnerabilidade relativos. 414 Cap_5.4_FFI.indd 10 9/12/2008 21:48:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Método avaliação de: Fatores Analisados Referência Surface Impoundment sistemas de disposição de Zona não-saturada; Importância do recurso; Le Grand Assessment águas servidas; Qualidade das águas subterrâneas; Periculosidade (1964 vulnerabilidade específica do material Landfill Site Ranking aterros sanitários novos e Distância aterro e poços produtores; Profundidade do (Método Le Grand-Brown) em operação; nível d’água; Gradiente do aqüífero; Permeabilidade e Le Grand vulnerabilidade específica capacidade de atenuação (1983) disposição de produtos químicos empreendimentos Solo, características hidráulicas, sorção e Site Ranking System tamponamento químico; Hidrodinâmica do aqüífero; Hagerty et al. novos e em operação; vulnerabilidade específica Ar; População próxima (1973) Poluição dos Lençóis Aqüíferos vulnerabilidade geral Geologia (litologia e estrutura) Taltasse (1972) disposição de resíduos Efeitos na saúde; Característica do produto químico; Waste-Soil Interaction Matrix sólidos e líquídos e novas Comportamento do produto; Capacidade de Philips et al. indústrias; vulnerabilidade atenuação do solo; Hidrogeologia; Características do (1977) específica local Receptor-população; Uso da água; Uso local; disposição de resíduos Degradação Ambiental; Caminhos, nível e tipo Site Ranking Methodology sólidos e líquidos e novas de contaminação; Profundidade do nível d’água; Kulfs et al. indústrias; vulnerabilidade Pluviometria; Permeabilidade do solo; Característica (1980) específica do resíduo: toxicidade, persistência, prática de manejo (aspectos operacionais e construtivos) Velocidade da água subterrânea; Porcentagem Tpe áreas de perigo de contaminação de argila; Atividade potencialmente contaminante; Silva et al. Exploração dos aqüíferos (1980) Migração-característica do meio e resíduo; Hazard Ranking System áreas prioritárias para Caldwell et al. limpeza do aqüífero Quantidade de produto; População próxima; Explosão e fogo; Contato direto (1981) Mapa de Vulnerabilidade vulnerabilidade geral Características litológicas e Área de recarga e Duarte descarga (1980) águas de formação em Brine Disposal Methodology campos de petróleo e gás; Método de disposição; Volume; Geologia; Densidade Western Michigan Vulnerabilidade específica de poços de Petróleo; Proximidade de poços de água University (1981) Pesticide Index pesticidas, uso normal; Característica físico-química do pesticida; Clima; Rao et al. Vulnerabilidade específica Perfil do solo; Cultura (1985) D - profundidade da água subterrânea; R - recarga; Drastic vulnerabilidade geral A - aqüífero; S -solo; T -topografia; I - impacto no Aller et al. aqüífero; .C - condutividade hidráulica (1987) God vulnerabilidade geral G - tipo de aqüífero; O - litologia zona não-saturada; Foster & Hirata D - profundidade da água (1988) Groundwater Vulnerability potencial de lixiviação de Map for Nitrate nitrato; vulnerabilidade à Tipo de solo; Características hidráulicas e litológica Carter et al. contaminante específico do aqüífero. (1987) disposição de resíduos Vulnerabilidade; Confinamento do aqüífero; Potential Waste Sites (Pwds) sólidos; vulnerabilidade Proximidade de fontes; Tipo e quantidade de Sem Autoria específica contaminante; Velocidade zona saturada; Percolação. (BGS) vulnerabilidade geral, Condutividade hidráulica zona não saturada; Marcolongo & (Sem Nome) baseado na teoria do fluxo- Profundidade da água subterrânea; Umidade do solo; Pretto pistão Recarga real. (1987) Sintacs vulnerabilidade geral Igual ao DRASTIC, com pesos diferentes. Civita et al.(1990) (Sem Nome) vulnerabilidade geral Característica litológica e de permeabilidade; Adams & Foster Profundidade da água (1992) Perigo Associado a Sistema áreas de maior perigo por Vulnerabilidade (GOD); Densidade de população; de Saneamento In Situ sistemas de saneamento Análises indicadores físico-químicos (condutividade Ferreira & Hirata in situ elétrica). (1993) Mapa de Vulnerabilidade Fernandes & de Aqüíferos Fraturados vulnerabilidade geral Intensidade de fraturamento; Profundidade do nível (Vulfrac) estático; Natureza da zona não-saturada. Hirata (em preparação) Tabela 5.4.5 - Principais métodos para a determinação da vulnerabilidade e perigo de poluição de aqüíferos (adaptado de Hirata & Rebouças, 1999). 415 Cap_5.4_FFI.indd 11 9/12/2008 21:48:26 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos figura 5.4.4 - O método de vulnerabilidade God (Foster et al.,2002; modificado de Foster & Hirata, 1988) e exemplo de aplicação à área aflorante do Sistema Aqüífero Guarani (Formação Botucatu) em Ribeirão Preto, SP, cujas características estão assinaladas em vermelho. Os di ferentes métodos têm se mostrado dos parâmetros hidráulicos nos meios complexos, insuficientes para avaliar a vulnerabilidade em dif iculdade que somente pode ser superada áreas de geologia complexa, como em aqüíferos através do conhecimento tr idimensional das cristalinos, vulcânicos recentes, multicamadas caracterísitcas geológicas que regem o fluxo de (figura 5.4.6), cársticos e sistemas com porosidade água nestes aqüíferos. Após estudos detalhados dupla. A grande heterogeneidade dos materiais, que forneçam tal informação, os métodos deverão resultando na difícil previsão do fluxo de poluentes incorporar os conceitos geológicos que melhor segundo caminhos preferenciais, tem feito com descrevam os fluxos preferenciais. Em aqüíferos que os métodos existentes tenham que simplificar fraturados de terrenos antigos, por exemplo, os e generalizar a hidrogeologia a grupos litológicos, padrões de fraturamentos e os esforços associados, muitas vezes sem o necessário detalhamento das principalmente os de atividade cenozóica e que descontinuidades presentes nestes grupos. Falta controlam a abertura atual das fraturas, deveriam ainda um entendimento adequado da variação ser analisados (Fernandes & Rudolph, 2001). 416 Cap_5.4_FFI.indd 12 9/12/2008 21:48:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações (*) Loam = solo rico e permeável composto por mistura firável de proporções relativamente iguais de argila, silte e areia, geralmente contendo matéria orgânica (humus) em quantidade variável. (**) Muck = matéria orgânica bem decomposta, escura e finamente dividida, misturada com porcentagem elevada de matéria mineral, geralmente silte; usa-se o termo muck soil para um solo que contém pelo menos 50% de matéria orgânica bem decomposta. figura 5.4.5 - Parâmetros e índices de ponderação do método DRASTIC (Aller et al., 1984) e exemplo de aplicação à área aflorante do Sistema Aqüífero Guarani (Formação Botucatu), cujas características estão assinaladas em vermelho. Fernandes (2003) propõe um método de análise do Rosen, 1994), falta ainda uma validação das diferentes grau de fraturamento das rochas e suas coberturas técnicas a partir de estudos de detalhe em campo, inconsolidadas, com base na análise de lineamentos com monitoramento sistemático da qualidade das e da história tectônica mais recente, junto com os águas subterrâneas. Uma análise de vários casos campos de esforços associados, com o objetivo de de contaminação, incluindo uma variada gama superar as dificuldades de análise da vulnerabilidade de atividades antrópicas, poderia fornecer a base de aqüíferos fraturados. necessária para esta validação. Da mesma forma, Embora existam alguns trabalhos que analisem este tipo de estudo auxiliaria na melhor definição de criticamente os métodos existentes, sobretudo o um índice absoluto de vulnerabilidade ou, mesmo, um DRASTIC (Holden et al., 1992, Kalinski et al., 1994, sistema de comparação entre diferentes métodos. 417 Cap_5.4_FFI.indd 13 9/12/2008 21:48:26 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos 5.4.6 a Vulnerabilidade em um Programa de Gestão de Recursos Hídricos Os países da América do Norte e da Europa tendem a optar pela criação de programas de proteção das águas subterrâneas com base no estabelecimento dos Perímetros de Proteção de Poços (PPP) ou na Cartografía da Vulnerabilidade dos Aqüíferos. O conceito de PPP consiste na delimitação de zonas ao redor do poço onde a ocupação humana deve ser restrita. Este zoneamento leva em consideração a distância e o tempo de trânsito na zona saturada para que a água subterrânea, de um ponto qualquer da recarga, atinja o poço. Os mapas de vulnerabilidade são mais amplos e flexíveis e consideram tanto a susceptibilidade do aqüífero à contaminação, como a sua importância para o abastecimento público ou privado. Uma desvantagem do PPP com relação aos mapas de vulnerabilidade é que o primeiro não leva em conta a capacidade de degradação dos contaminantes pelas camadas protetoras do aqüífero, e nem mesmo o processo de dispersão. Estes processos podem ser bem mais efetivos, nos casos de baixas concentrações de contaminantes, que a advecção. Os métodos de cartografia de vulnerabilidade são mais eficientes para lidar com grandes áreas e para analisar um elevado número de atividades potencialmente contaminantes, ou, ainda, onde a geologia é muito complexa. Geralmente os mapas de vulnerabilidade são produzidos nas escalas menores que 1:100.000. Por outro lado, os PPP são tipicamente usados nas escalas maiores que 1:10.000. No entanto, ambas as técnicas podem ser usadas nos levantamentos municipais em escalas intermediárias (1:100 000 a 1:50.000). A figura 5.4.7 mostra as técnicas de PPP e de mapas de vulnerabilidade aplicadas a programas de proteção de aqüíferos, segundo os objetivos e as escalas de trabalho, e a figura 5.4.8 mostra o estabelecimento de prioridades de ação, com base na carga contaminante e nos resultados dos métodos de vulnerabilidade e de PPP. O traçado dos PPP é baseado na zona de captura do poço (ZC), ou seja, a área em superfície que tem correspondência com a nova área drenada pelo poço considerado. Entende-se, desta forma, que qualquer contaminante injetado na ZC chegaria cedo ou tarde ao poço. O termo ZC distingue-se do PPP por este ser um termo administrativo e legal, enquanto o primeiro é exclusivamente técnico. Existem várias técnicas para o traçado da ZC. USEPA (1987 e 1994) é uma excelente publicação que detalha os métodos e compara a sua eficiência. Hoje em dia, com o advento dos computadores pessoais figura 5.4.6 - O problema da determinação da vulnerabilidade e a facilidade do manuseio dos modelos numéricos em aqüíferos multicamadas e semi confinados (modificado de simulação de fluxo de aqüíferos, um dos métodos de Foster et al., 2002). que está se tornando cada vez mais arraigado 418 Cap_5.4_FFI.indd 14 9/12/2008 21:48:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 5.4.7 - Enfoque e aplicação de diferentes níveis (escalas) de avaliação de perigo à contaminação das águas subterrâneas (adaptado de Foster et al., 2002). para o traçado da ZC é o numérico. A sua grande vantagem reside na possibilidade de determinar o fluxo em aqüíferos heterogêneos e anisotrópicos, considerando várias captações simultaneamente. Obviamente, a limitação do seu sucesso está associada à qualidade e quantidade dos dados hidrogeológicos. Desta forma, métodos mais simples, por exemplo os analíticos, podem ser bastante úteis em áreas de geologia complexa, ou, ainda, em áreas de baixa densidade de informação, por serem mais robustos e exigirem menor detalhamento. Tanto as técnicas de vulnerabilidade como de PPP apresentam limitações com relação à proteção total do recurso subterrâneo. A principal restrição da delimitação de PPP consiste nas incertezas e dificuldades para se obter dados confiáveis sobre figura 5.4.8 - Estabelecimento de níveis de prioridade de ação com base nas cartografias de perímetro de proteção a hidrodinâmica do aqüífero. A cartografia de de poços (PPP) e de vulnerabilidade de aqüíferos e na vulnerabilidade, embora mais flexível, não é detalhada classificação da carga contaminante (1 a 3 em ordem o suficiente de modo a fornecer a proteção efetiva decrescente de prioridade). 419 Cap_5.4_FFI.indd 15 9/12/2008 21:48:27 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos dos poços. Conseqüentemente, o uso coordenado grau de vulnerabilidade. No caso de grandes e integrado de ambas as técnicas é uma estratégia empreendimentos, os estudos de impacto ambiental razoável. Assim, os mapas de vulnerabilidade deveriam (EIA) devem dar ênfase às águas subterrâneas, ser usados para planejamento regional feito pela sobretudo em áreas mais vulneráveis. administração do Estado, identificando áreas prioritárias • Áreas já ocupadas (fontes existentes) - elaborar em termos de proteção ou exigências ambientais, e os mapas de vulnerabilidade geral e delimitar as ZCs PPP, pelos municípios, que são os responsáveis pelo junto aos poços de maior importância como aqueles abastecimento de água. Um programa mais amplo que servem ao abastecimento público. A análise de proteção dos recursos hídricos subterrâneos deve integrada destes zoneamentos, definidos por métodos partir do reconhecimento dos aqüíferos através de um de vulnerabilidade e ZCs, com a carga contaminante cadastro de poços e culminar com um programa de potencial, deverá identificar áreas ou atividades de monitoramento qualitativo e quantitativo que permita maior perigo de contaminação. Este procedimento comprovar a efetividade da estratégia adotada e permite que haja uma priorização das ações por parte fornecer mais dados sobre o aqüífero. do poder público no controle e vigilância ambiental, A figura 5.4.9 apresenta a interação destas duas destacando onde devem ser desenvolvidos os técnicas aplicadas a três diferentes situações de uso do trabalhos de detalhe, incluindo o monitoramento solo: (a) as atividades potencialmente contaminantes já e controle de atividades (figura 5.4.8). A carga existem; (b) a ocupação futura está sendo planejada; e contaminante poderá ser classificada utilizando-se (c) o aqüífero já está contaminado. Esta figura sintetiza métodos como o Posh de Foster & Hirata (1988) e algumas diretrizes que serão detalhadas a seguir. Foster et al. (2002). As áreas industriais abandonadas • Áreas de ocupação territorial futura (fontes e antigos depósitos de materiais perigosos são futuras) - elaborar mapas de vulnerabilidade geral fontes de contaminantes e deveriam ser analisadas à contaminação antrópica. Com a delimitação das como atividades em operação. Em economias de áreas mais susceptíveis, torna-se possível identificar rápido crescimento, como na América Latina, muitas quais atividades podem ser desenvolvidas nas destas áreas são rapidamente utilizadas para outros mesmas, no sentido de reduzir ao máximo possível fins (escolas, lojas, restaurantes etc.), sem estudos as contaminações. A tabela 5.4.6 pode ser utilizada dos riscos de exposição ou contaminação do meio para nortear o nível de restrição imposta a cada ambiente ou do homem. figura 5.4.9 - Estratégias de proteção do recurso hídrico subterrâneo frente a problemas de contaminação por fontes antrópicas (Hirata & Rebouças, 1999). 420 Cap_5.4_FFI.indd 16 9/12/2008 21:48:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Vulnerabilidade natural Atividades Potencialmente Contaminantes alta Média baixa Saneamento in situ Prédios unifamiliares a a a Edifícios, coletivos, públicos a a a Posto de gasolina Pa a a Aeroporto Pa a a Disposição de resíduos sólidos Doméstico municipal Pn Pa a Material de construção (inerte) a a a Resíduos perigosos n n Pa Industrial (classe I) (*) Pn Pa a Industrial (classes II e III) n n Pa Cemitérios Pa a a Incineradores de resíduos sólidos n Pn Pa Mineração Material de construção Pa Pa a Outros, incluindo petróleo e gás n Pa a Linhas de combustíveis n Pa a Indústrias Classe I Pa Pa a Classes II e III Pn/n Pa/n Pa/Pn Instalações militares Pn Pa Pa Lagoas de efluentes Municipal/água resfriamento a a a Industrial Pn Pa Pa Drenagem/infiltração/acidentes Águas pluviais (tetos de casas) a a a Estradas principais Pn Pa a Estradas secundárias Pa a a Áreas de recreação a a a Garagens e estacionamentos Pa a a Áreas industriais Pa Pa a Linhas férreas e aeroportos Pn Pa a Infiltração de efluentes no solo Indústria alimentícia Pa a a Outras indústrias Pn Pa a Efluentes de deságüe Pa a a Lodo de deságüe Pa a a Escorrimento de currais a a a Criação de gado intensivo Efluentes em lagoas Pa a a Efluentes de currais Pa a a Atividade agrícola Uso de pesticidas Pn a a Uso não controlado de fertilizante ou disposição aberta Pn a a Armazenamento de pesticidas Pn Pa a a = aceitável, sujeito a projetos regulares dos empreendimentos; Pa = provavelmente aceitável, sujeito a estudos detalhados e projetos especiais; Pn = provavelmente não aceitável; n = não aceitável. Tabela 5.4.6 - Matriz de aceitabilidade da instalação de atividades potencialmente contaminantes segundo as diferentes classes de vulnerabilidade (adaptado de Hirata & Rebouças, 1999 e Foster et al., 2002). 421 Cap_5.4_FFI.indd 17 9/12/2008 21:48:27 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos • Áreas já contaminadas (fontes herdadas) - 5.4.7 O Futuro dos Métodos de identificar a importância do aqüífero contaminado com relação a tipo de usuário, natureza da demanda Vulnerabilidade de Aqüíferos (futura ou presente), extensão do problema, Com o advento dos computadores pessoais qualidade natural das águas e produtividade e o uso mais arraigado dos modelos numéricos do aqüífero. Analisar os possíveis efeitos da de simulação de fluxo das águas subterrâneas e ingestão e/ou contato com águas contaminadas transporte de contaminantes, criou-se a errônea na saúde de indivíduos ou populações. Esse tipo impressão de que os métodos de cartografia de de avaliação de risco ambiental tem sido utilizado vulnerabilidade seriam abandonados. A realidade, para estabelecimento das possíveis ações frente entretanto, tem mostrado que a complexidade aos problemas existentes de contaminação de geológica e a falta de dados confiáveis para uma aqüíferos (ASTM, 1995; Berg, 1994). Entende-se que simulação matemática têm restringido o uso dos somente valerá à pena investir em programas de modelos, sobretudo em programas de proteção dos descontaminação de aqüíferos quando houver risco recursos hídricos subterrâneos. Conseqüentemente, real para a população ou meio ambiente. Quando nos últimos anos, tem-se observado um novo impulso da constatação de contaminação, as autoridades no desenvolvimento e na aplicação de técnicas de ambientais devem exigir o cessar das emissões de contaminantes para o meio. vulnerabilidade de aqüíferos. Existem algumas dezenas de técnicas para a Adicionalmente, existe o caso de novas captações cartografia de vulnerabilidade, muitas das quais baseadas de água, onde deveria ser priorizado o inventário das em diferentes critérios e até diferentes conceitos de atividades potencialmente contaminantes já existentes vulnerabilidade. Desta forma, há a necessidade de uma e traçar Perímetros Potenciais de Impacto (PPI) de ampla revisão sobre o tema, incluindo: cada atividade (conceito análogo aos PPP, mas traçado a partir da atividade potencialmente contaminante). • redefinição do conceito de vulnerabilidade de Avaliar se as áreas que estão fora destes PPI suprem as aqüíferos, permitindo que seja mais bem aceito necessidades de água do usuário e, caso necessário, pelas comunidades usuária e geocientífica; avaliar o custo-benefício da relocação da atividade • estabelecimento de critérios básicos e consistentes potencialmente contaminante. para mapeamento da vulnerabi l idade de A aplicação dos PPP é muito difícil nos casos em aqüíferos; que os aqüíferos são explotados por considerável • validação dos métodos de vulnerabilidade com número de poços em regime variável de bombeamento base em estudos de monitoramento cuidadoso e em áreas de notável crescimento urbano. Nestas da qualidade das águas subterrâneas, sobretudo situações, a cartografia de vulnerabilidade pode ser quando associados a modelos numéricos para a mais prática e eficiente (Foster et al., 1992). Esta zona não-saturada; cartografia é também indicada na avaliação do perigo de contaminação por atividade agrícola, a qual • desenvolvimento de métodos de vulnerabilidade ocupa grandes áreas, maneja produtos com baixas em aqüíferos complexos, como em aqüíferos concentrações e por grandes períodos de tempo. cristalinos, a exemplo de Fernandes (2003), Finalmente, deve-se considerar que em algumas cársticos e vulcânicas recentes; unidades aqüíferas, ou em uma parte delas, • adaptação de métodos que permitam uma melhor não são justif icáveis programas de proteção caracterização de aqüíferos multicamadas, devido a suas características hidráulicas (baixa especialmente onde a porção superficial já está produção) ou químicas (águas de baixa qualidade contaminada e onde níveis mais profundos são ou contaminadas). Em tais zonas, uma possível explotados. estratégia seria proibir sua explotação e permitir a infiltração de efluentes ou a disposição de resíduos. As técnicas digitais têm revolucionado a cartografia e, Para a implantação desta política deve existir um segundo Vrba & Zaporozec (1994), isso tem permitido: cuidadoso planejamento e um controle rígido para • melhorar os métodos de vulnerabilidade, reduzindo evitar riscos associados a: o tempo de confecção de mapas; • uso doméstico das águas durante as épocas de • normatizar os métodos para se obter atributos estiagem, através de poços unifamiliares, de difícil básicos; identificação; • melhorar a qualidade e precisão na definição • mudanças na orientação dos fluxos das águas das classes de vulnerabilidade, com base subterrâneas, afetando outras fontes de captação; e no conhecimento do fluxo e transporte de • novos campos de poços ou poços importantes contaminantes; que mudam a direção do fluxo das águas • implementar a produção de mapas de vulnerabilidade subterrâneas. em larga escala; e 422 Cap_5.4_FFI.indd 18 9/12/2008 21:48:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • atualizar rapidamente os mapas existentes com TNO Committee on Hydrological Research; Bilthoven: dados novos, permitindo integrá-los a rotinas de National Institute of Public Health and Environmental planejamento local e regional. Hygiene, 1987. No futuro, quando for possível desenvolver mapas CIVITA, M. et al. Carta de la vulnerabilità de vulnerabilidade específicos para diferentes classes all´inquinamento degli acquiferi delle Alpi de contaminantes, estes poderão ser integrados apuane. Firenze: Gruppo Nazionale per la Difesa através de sistema de informação geográfica (SIG). Delle Catastrofi Idrogeologische, 1990. 56 p. Estando os mapas em formato digital, eles poderão (Monografia GNDCI. – CNR. n. 399). ser ativados quando a carga contaminante potencial DUARTE, U. Geologia ambiental da área de São evidenciar a presença de determinado contaminante. Pedro, SP: vetor águas subterrâneas. 1980. 73 f. Tese (Doutorado) - Instituto de Geociências, Universi- Referências dade de São Paulo, São Paulo, 1980. FERNANDES, A. J. The influence of Cenozoic ADAMS, B.; FOSTER, S. Land-surface zoning for tectonics on groundwater-production capacity groundwater protection. Journal of the Institution and vulnerability of fractured rocks: a case in São of Water and Environmental Management, London, n. 6, p. 312-320, 1992. Paulo, Brazil. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON GROUNDWATER IN FRACTURED ROCKS, ALBINET, M.; MARGAT, J. Cartographie de la 2003, Prague. Abstracts... Prague: [s.n.], 2003. vulnerabilité à la pollution des nappes d’eau souter- (UNESCO´S Series on Grondwater, 7). raine. Bulletin du BRGM, 2 ème. Série, Orléans, v. 3, n. 4, p. 13-22, 1970. FERNANDES, A. J.; RUDOLPH, D. The influence of Cenozoic Tectonics on the groundwater-production ALLER, L.; et al. drasTIC: a standardized sys- capacity of fractured zones: a case study in São tem for evaluating ground water pollution potential Paulo, Brazil. Hydrogeology Journal, Berlin, v. 9, n. using hydrogeologic settings. [Washington, D.C.]: 2, p. 151-167, 2001. U.S. Environmental Protection Agency, 1987. 643 p. (EPA Publication 600287035). FOSTER, S. Fundamental concepts in aquifer vul- nerability pollution risk and protection strategy. In: AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIAL. INTERNATIONAL CONFERENCE OF VULNERABILITY Standard guide for risk-based corrective action OF SOIL AND GROUNDWATER TO POLLUTANTS, applied to petroleum release site. Philadelphia, PA, 1987, Noordwijk. Proceedings... The Hague: TNO 1995. (ASTM Designation E1739-95). Committee on Hydrological Research; Bilthoven: BACHMAT, Y.; COLLIN, M. Mapping to assess National Institute of Public Health and Environmental groundwater vulnerability to pollution. In: VAN Hygiene, 1987. DUIJVENBOODEN, W.; VAN WAEGENINGH, H.G. ______. Groundwater recharge and pollution vul- (Ed.). Vulnerability of soil and groundwater to nerability of British aqüífers: a critical overview. In: pollutants. The Hague: TNO Committee on Hydro- ROBINS, N.S. (Ed.) Groundwater pollution, aqüífer logical Research; Bilthoven: National Institute of recharge and vulnerability. London: Geological Public Health and Environmental Hygiene, 1987. p. Society, 1998. p. 7-22. (Geological Society Special 297-307. (Proceeding and Information, 38). Publication, 130). CALDWELL, S.; BARRET, K.; CHANG, S. Ranking FOSTER, S.; HIRATA, R. Groundwater pollution system for releases of hazardous substance. In: risk assessment: a methodology based on available NATIONAL CONFERENCE ON MANAGEMENT OF data. Lima, Peru: WHO-PAHO; HPE-CEPIS, 1988. 81 UNCONTROLLED HAZARDOUS WASTE SITES, p. (Technical Report). 1981, Washington, D.C. [Proceedings...]. Silver Spring, MD: Hazardous Materials Control Research FOSTER, S. et al. Groundwater protection strate- Institute, 1981. p. 14-20. gies: a guide towards implementation. Lima: CEPIS/ PAHO-WHO, 1992. 88 p. (Technical Report). CANTER, L. W.; KNOX, R. C.; FAIRCHILD, D. M. Ground water quality protection. Chelsea, MI: FOSTER, S. et al. Groundwater quality protection: a Lewis Publishers, 1987. 562 p. guide for water service companies, municipal authori- ties and environmental agencies. Washington: World CARTER, A.; PALMER, R.; MONKHOUSE, R. Map- Bank Group, 2002. 105 p. ping the vulnerability of groundwater to pollution from agriculture practice particularly in respect of nitrate. In: GOWLER, A. Underground purification capacity. INTERNATIONAL CONFERENCE ON VULNERABILITY IAHS Publication, v. 142, n. 2, p.1063-1072, 1983. OF SOIL AND GROUNDWATER TO POLLUTANT, HAERTLÉ, T. Method of working and employment of 1987, Noordwijk. Proceedings... The Hague: EDP during the preparation of groundwater vulner- 423 Cap_5.4_FFI.indd 19 9/12/2008 21:48:27 Capitulo 5.4 - Vulnerabilidade à Poluição de Aqüíferos ability maps. In: UNESCO INTERNATIONAL SYM- PHILIPS, C.; NATHWANI, J.; MOOIJ, H. Development POSIUM: GROUNDWATER IN WATER RESOURCES of a soil-waste interaction matrix for assessing land PLANNING, 1983, Koblenz. Proceedings... [S.l.], disposal of industrial wastes. Water Resources Re- UNESCO; IAH; IAHS, 1983. vol. 2, p. 1073-1085. search, Washington, D.C., v. 11, p. 859-868, 1977. HAGERTY, D. J.; PAVONI, J. L.; HEER JR., J. E. ROSEN, L. A study of the drastic methodology with Solid waste management. New York: Van Nostrand emphasis on Swedish conditions. Groundwater, Reinhold, 1973. 302 p. [S.l.], v. 32, n. 2, p. 278-285, 1994. HIRATA, R. Os recursos hídricos subterrâneos e as SELLER, L.; CANTER, L. Summary of selected novas exigências ambientais. Revista do Instituto groundwater quality impact assessment methods. Geológico, São Paulo, v. 14, n. 1, p. 39-62, 1993. Norman, O.K.: NCGWR, 1980. 142 p. (Report. 80-3). HIRATA, R. Fundamentos e estratégias de proteção TALTASSE, P. Mapas da vulnerabilidade à poluição e controle da qualidade das águas subterrâneas: dos lençóis aqüíferos do município de Campinas estudos de casos no Estado de São Paulo. 1994. 195 (sP). São Paulo: USP Instituto de Geociências, 1972. f. Tese (Doutorado)-Instituto de Geociências, Universi- (Publicação Avulsa, n.1). dade de São Paulo, São Paulo, 1994. UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION HIRATA, R. et al. Groundwater pollution risk AGENCY. Guideline for delineation of wellhead vulnerability map of the São Paulo State – Brazil. protection. Washington, D.C., 1987. 122 p. (EPA Water Science and Technology, Oxford, v. 24, p. 440/6-87-010). 236-246, 1991. UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION HIRATA, R.; BERTOLO, R. Groundwater vulnerability in AGENCY. Handbook: ground water and wellhead different climatic zones. In: ENCYCLOPEDIA of Life Sup- port Systems. Paris; London: UNESCO/EOLSS, 2002. protection. Washington, D.C., 1994. 288 p. (EPA-625- /R-94/001). HIRATA, R.; REBOUÇAS, A. C. La protección de los recursos hídricos subterráneos: una visión integrada, VAN DEN BERG, R. Human exposure to soil con- basada en perímetro de protección de pozos y tamination: a qualitative and quantitative analysis vulnerabilidade de acuíferos. boletín Geológico y towards proposals for human toxicological interven- Minero, Madrid, v. 110, p. 79-92, 1999. tion values. Bilthoven : RIVM, 1994. (RIVM Report 725201011). HOLDEN, L. R. et al. Results of the national Alachlor well water survey. Environmental science VRBA, J.; ZAPOROZEC, A. (Ed.). Guidebook on & Technology, Easton, PA, v. 26, n. 5, p. 935-943, mapping groundwater vulnerability. Hannover: may 1992. Heinz Heise Verlag, 1994. 131 p. (International Contri- butions to Hydrogeology, v.16). KALINSKI, R. J.et al. Correlation between drastic vulnerabilities and incidents of VOC contamination of municipal wells in Nebraska. Groundwater, [S.l.], v. 32, n. 1, p. 31-34, 1994. KULFS, C. Rating the hazard potential on waste disposal facilities. In: NATIONAL CONFERENCE ON MANAGEMENT OF UNCONTROLLED HAZ- ARDOUS WASTE SITES, 1980, [Washington, D.C.]. Proceedings... Silver Spring, M.D.: Hazardous Mate- rial Control Research Institute, 1980. p. 30-41. LEGRAND, H. E. A standardized system for evalu- ating waste disposal sites: a manual to accompany description and rating charts. Worthington, OH: National Water Well Association, 1983. 54 p. il. LEGRAND, H. E. System for evaluating contamina- tion potential of some waste sites. Journal american Water Works Association, New York, v. 56, n. 8, p. 959-974, 1964. MARCOLONGO, B.; PRETTO, L. Vulnerabilità degli acquiferi nella pianura a nord di Vicenza. Padova: Grafiche Erredici, 1987. 13 p. (Publicación CNR- GNDCI-CNR n. 28). 424 Cap_5.4_FFI.indd 20 9/12/2008 21:48:27 modulo 6.indd 1 9/12/2008 20:27:13 modulo 6.indd 2 9/12/2008 20:27:16 modulo 6.indd 3 9/12/2008 20:27:16 modulo 6.indd 4 9/12/2008 20:27:17 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.1 PROJETO E CONSTRUÇÃO DE POÇOS J. Geilson A. Demetrio João Manoel Filho Normando T. de L. Lins 6.1.1 Introdução Poços Escavados Manualmente Oa vanço das técnicas de construção de poços Também conhecidos como poços amazonas, basicamente se deve ao desenvolvimento da cacimbas e cacimbões, este tipo de poço é o mais indústria do petróleo e gás e à explotação primitivo e limitado de todos e é utilizado para de sais minerais. O valor de mercado desses produtos captação de aqüíferos que ocorrem próximos à propicia a disponibilidade de recursos financeiros superfície. São construídos por escavação manual para investimentos na pesquisa e desenvolvimento convencional, em geral de seção circular, por ser a de tecnologias. Na construção de poços para a água mais estável. Para sua escavação é necessário um subterrânea, por conta de sua relativa abundância e, diâmetro mínimo de 1 metro, correspondente ao conseqüentemente, de seu baixo valor de mercado, não espaço necessário para a operação de, pelo menos, houve investimentos suficientes para o desenvolvimento um homem. Geralmente, a profundidade final da de tecnologia própria ou, até mesmo, para a absorção escavação depende da profundidade do nível freático das tecnologias oriundas da indústria de óleo e gás. do aqüífero que se propõe explotar. Dificilmente Em geral, a construção de poços para captação de ultrapassam duas dezenas de metros, mas, podem água subterrânea é um aprendizado que se adquire na atingir profundidades maiores, como os poços prática. O conhecimento vai passando de boca em boca. escavados em Aldeia, município de Camaragibe, Não se tem conhecimento nas universidades brasileiras, Região Metropolitana do Recife, que chegam até 60 de um curso regular ou de uma especialização sobre metros de profundidade. o tema. Existem cursos para poços da indústria do De uma maneira geral, estes poços ficam abertos, petróleo. Alguns cursos de Engenharia de Minas e porém, nos locais onde os sedimentos são muito Geologia têm na sua grade curricular disciplinas que friáveis, utilizam-se revestimento de argamassa e tijolos ou pedras. Nestes casos, à medida que avança contemplam o tema projeto e construção de poços a escavação, o próprio peso do revestimento faz com tubulares para água subterrânea, quer seja como que este também avance, sendo completado por disciplina específica ou como parte do conteúdo de nova camada de tijolos na parte superior, à medida disciplinas, tais como hidrogeologia. que desce. Desta maneira mantém-se a estabilidade, Esse capítulo tem por objetivo mostrar as linhas evitando o desmoronamento das paredes do poço. gerais da elaboração de um projeto de um poço tubular Após a penetração necessária no aqüífero, alguns e os diferentes métodos de perfuração. Ele é voltado, tijolos são retirados ao longo do revestimento para principalmente, para cursos de graduação e pós- facilitar a entrada da água (figura 6.1.1). Tubulões graduação que de alguma forma tratam deste tema. com pequenas janelas na área de produção também são muito usados em lugar dos tijolos. A produção 6.1.2 Tipos de Poços é feita com bombas centrífugas comuns, bombas centrífugas sobre uma base flutuante, acompanhando Em função das condições locais, do tipo e o rebaixamento, ou até com bombas submersíveis. Se profundidade dos aqüíferos, das vazões pretendidas bem dimensionados, podem ser uma opção barata e da disponibilidade de equipamentos de perfuração para poços produtores. As vazões podem chegar a no mercado, a água subterrânea pode ser captada grandes valores dependendo, evidentemente, dos através de vários tipos de poços, os quais podem ser aqüíferos que estão sendo explotados. Estes tipos classificados, de acordo com o método de perfuração de poços são muito indicados para abastecimento utilizado, em: poços escavados manualmente, poços de comunidades de pequeno porte e irrigação coletores com drenos horizontais simples e drenos de pequenos projetos onde exista viabilidade radiais, poços tubulares e galerias filtrantes. hidrogeológica. 429 Cap_6.1_FFI.indd 1 9/12/2008 21:51:00 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços comprimento, às vezes, de uma centena de metros. Em uma das extremidades do filtro, em local protegido das enchentes, é construído um poço coletor, que funciona como uma grande cisterna, a partir do qual é feito o bombeamento da água para a rede de distribuição. O poço coletor com drenos radiais é uma variante do dreno horizontal, ou vice-versa. A diferença básica é que no caso dos drenos radiais não são escavadas valas para a instalação dos filtros. Estes são instalados com auxílio de macacos hidráulicos a partir do poço coletor. Devido às grandes pressões necessárias para introdução dos tubos na formação aqüífera, em geral, a extensão máxima não ultrapassa os 20 metros. O Serviço Geológico do Brasil - CPRM, na última década, vem desenvolvendo a tecnologia de construção de poços amazonas com drenos radiais, Figura 6.1.1 - Poço amazonas (Foto: Ubaldo de Sá - CPRM). conforme ilustrado na figura 6.1.2. Em experimento realizado nas aluviões do rio Tabocas, no município de Poços Coletores com Drenos Horizontais Brejo da Madre de Deus, PE (Sá, 1999), foi possível e Drenos Radiais instalar filtros com 13,40 metros de comprimento. Os poços coletores com drenos horizontais, de Poços Tubulares forma simplificada, podem ser considerados como poços tubulares horizontais. Este tipo de captação é São denominados tubulares todos os poços comum em aqüíferos rasos, com pequena espessura perfurados para captação de água subterrânea saturada e valores baixos de condutividade hidráulica, e que recebem, posteriormente à perfuração, um onde é inviável a construção de um poço tubular. revestimento constituído por tubos, sejam metálicos ou Esses poços foram muito utilizados pela Companhia de plástico, que terão várias finalidades no decorrer da de Água e Esgoto do Ceará - Cagece, orientada vida útil do poço. São conhecidos equivocadamente pela Planat - Consultoria em Recursos Naturais, como poços “artesianos”, em alusão ao primeiro poço para abastecimento de várias cidades do interior do jorrante de que se tem notícia, perfurado na província Ceará, a partir de captações em aluviões. O dreno de Artois na França. Mesmo os poços construídos sem horizontal é uma obra bastante simples. É escavada revestimento, devido ao alto grau de litificação dos uma vala transversal à aluvião até o embasamento arenitos, denominados de “poços abertos”, recebem cristalino, na qual é instalado um filtro na horizontal com também a denominação de poço tubular. Figura 6.1.2 - Processo construtivo de poços amazonas com drenos radiais desenvolvido pela CPRM (Fotos: Ubaldo de Sá). 430 Cap_6.1_FFI.indd 2 9/12/2008 21:51:05 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Galerias Drenantes Embora existam equipamentos das mais diversas dimensões, as perfuratrizes utilizadas para a perfuração As galerias drenantes constituem-se em um tipo à percursão são geralmente pequenas e de simples de obra que é um misto de captação e transporte de operação, facilmente transportadas em um chassi água. É um sistema bastante antigo e muito utilizado de caminhão adaptado. A coluna de perfuração do na região do oriente médio, com registros de mais de método à percussão e os principais componentes 2.700 anos (Custodio e Llamas, 1983). de uma perfuratriz percussora serão descritos As galerias drenantes, conhecidas como Kanats, sumariamente a seguir. são escavações simples feitas na rocha. Em geral, são constituídas por túneis simples de pequena largura Trépano - ferramenta que rompe a rocha, pesando e altura, com dimensões necessárias apenas para a de 100 a 500 kg, para pequenos diâmetros, e de 500 a passagem de uma pessoa. A extensão, no entanto, 1.200 kg, para grandes diâmetros (figura. 6.1.4) pode ser quilométrica. As zonas de captação são Haste - serve para acrescentar peso à coluna de construídas, geralmente, em áreas de piemonte. É perfuração e de guia, ajudando a manter a verticalidade necessária a construção de aberturas verticais (shaft) do poço. Mede de 3 a 5 metros e pesa de 400 a 1.000 para ventilação e retirada de material durante as kg (figura 6.1.5). escavações (figura 6.1.3). Hoje em dia esse sistema de captação praticamente não é mais utilizado. Figura 6.1.4 - Foto de um trépano. Figura 6.1.3 - Registro histórico de kanats persas (in Machado, 2003). 6.1.3 Métodos de Perfuração O modo mais prático e eficiente de captar água de uma formação aqüífera é por meio de poços tubulares. A abertura de poços é bastante antiga, havendo registros com cerca de 4.000 anos de poços construídos pelos chineses, que chegaram a atingir, com tecnologia bastante simples, profundidades da ordem de 900 metros (Driscoll, 1987). Diversos são os métodos de perfuração para a construção de poços tubulares, porém os mais utilizados são: percussão, rotativo e rotopneumático. Método à Percussão O método de perfuração à percussão baseia-se no movimento contínuo de subida e descida de uma Figura 6.1.5 - Figuras ilustrativas de uma haste e um ferramenta pesada, golpeando a formação rochosa, percussor (adaptado de Custodio & Llamas, 1983) e foto desagregando-a e/ou fragmentando-a. de um percussor. 431 Cap_6.1_FFI.indd 3 9/12/2008 21:51:10 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços Percussor - serve para imprimir um segundo choque Indicações do Método de Perfuração à Percussão do trépano na formação (aumentando a capacidade O método à percussão é mais indicado para de perfuração) e, também, imprimir maior choque para rochas consolidadas, que geralmente não apresentam cima na coluna, quando esta estiver presa, durante muitos problemas de desmoronamento. Para rochas uma pescaria. Nas pescarias, para aumentar, ainda não consolidadas, a perfuração é feita com o poço mais, o choque para cima, inverte-se a posição da preenchido com fluido de perfuração ou com a haste, ampliando o movimento de impacto. Portanto, utilização de revestimento provisório, o que dificulta e o duplo choque previne possíveis aprisionamentos do onera o custo da perfuração. trépano, principalmente na perfuração de formações O método à percussão é recomendado também argilosas. O espaçamento entre os “anéis” é de 30 a para profundidades inferiores a duzentos metros e os 50 cm (figura 6.1.5). diâmetros de perfuração não devem ultrapassar 14 Porta cabo - serve para prender o cabo de aço ao polegadas. Embora esses limites possam ser ampliados, restante da coluna de perfuração. as dificuldades são geralmente muito grandes e os Cabo de aço - serve para conectar a coluna de equipamentos precisam ser de grande porte. perfuração ao sistema percursor, possibilitando o movimento de vai-e-vém do trépano. Método Rotativo Balancim - é o componente da percussora que O método rotativo baseia-se na trituração e/ou executa os movimentos de vai-e-vem do cabo de aço desagregação da rocha pelo movimento giratório de e de toda a coluna de perfuração (figura 6.1.6). uma broca. As primeiras perfurações pelo método Caçamba de Limpeza ou Bomba de Areia - as rotativo datam de 1860 (Driscoll, 1987). As perfuratrizes caçambas de limpeza são ferramentas utilizadas na utilizadas pelo método rotativo, ou simplesmente sondas limpeza dos poços durante a perfuração, retirando rotativas, podem ser máquinas de pequeno ou grande o material desagregado ou quebrado pelo trépano porte, dependendo das profundidades e diâmetros a (figura 6.1.7). A caçamba, normalmente, fica presa a um que se destinam. Os principais componentes da coluna segundo cabo de aço, independente do cabo da coluna de perfuração e da perfuratriz do método rotativo, além de perfuração, facilitando a operação de limpeza. de alguns aspectos pertinentes inerentes a este método serão descritos a seguir. Coluna de Perfuração Broca - é a peça que vai à frente da coluna de perfuração e tem a função de desagregar e/ou triturar a rocha. Pode ser de vários tipos, porém a mais utilizada é a broca tricônica (figuras 6.1.8a e 6.1.10a.). Sub-de-broca - é a peça que tem a função de unir a broca aos comandos (figuras 6.1.8b e 6.1.10b) Comandos - são hastes especiais, pesadas, que ficam na coluna de perfuração imediatamente acima Figura 6.1.6 - Figura esquemática de um balancim (adaptado do sub-de-broca (figura 6.1.9). Os comandos têm por de Custodio & Llamas, 1983). finalidade dar peso à coluna de perfuração e evitar a sua ruptura. Hastes - são os elementos que transmitem o movimento giratório da mesa rotativa à broca em profundidade (figura 6.1.10c). Elas ainda são responsáveis pela condução do fluido de perfuração Figura 6.1.7 - Figuras esquemáticas de vários tipos de caçambas de limpeza (adaptado de Custodio & Llamas, 1983) e foto de uma caçamba de dardo. Figura 6.1.8 - (a) Broca tricônica; (b) sub-de-broca. 432 Cap_6.1_FFI.indd 4 9/12/2008 21:51:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.1.11 - (a) Mesa rotativa; (b) kelly; (c) swivel. Figura 6.1.9 - Comandos. Bomba de lama - serve para bombear o fluido de perfuração e injetá-lo no poço através da coluna de perfuração (circulação direta) ou em sentido contrário, bombear o fluido de perfuração pelo anular do poço, através da coluna, para os tanques de lama (circulação inversa). Alguns exemplos de bombas de lama são apresentados na figura 6.1.12. Fluido de perfuração - no método rotativo, o fluido de perfuração é o elemento essencial para o sucesso da perfuração. Para poços de grande profundidade, as empresas de perfuração têm um engenheiro químico responsável pelo fluido de perfuração. Em perfurações de menor porte, há sempre um técnico cuidando para manter o fluido com as características químicas e físico- químicas adequadas. As principais funções do fluido de perfuração são: Figura 6.1.10 - (a) Broca tricônica; (b) sub-de-broca; (c) haste. • sustentação das paredes do poço durante a perfuração; • limpeza do material desagregado, transportando-o dos tanques de lama até o fundo do poço, ou em até a superfície; sentido contrário, portanto são ocas. As hastes e os • manutenção dos fragmentos em suspensão; comandos encontrados no mercado são fabricados para poços de petróleo e, portanto, normatizados pelo • lubrificação, resfriamento e limpeza da broca; API (American Petroleum Institute). São produzidas • ajuda na perfuração. em três ranges de tamanho: (i) de 5,5 a 7,5 m; (ii) de As principais propriedades do fluido de perfuração 7,5 a 9,5 m; e (iii) de 9,5 a 13,5 m. Apenas algumas que devem ser controladas são: densidade, viscosidade, sondas de pequeno porte usam hastes de 3 e 6 m, pH, filtrado e teor de areia (figura 6.1.13). fora do padrão do API. O diâmetros variam de 2 3/8 a 5 polegadas. Mesa rotativa - é parte da sonda de perfuração que é responsável pelos movimentos giratórios da coluna de perfuração. (figura 6.1.11a) Kelly - é uma haste de secção quadrada ou hexagonal, cuja finalidade é encaixar-se perfeitamente à bucha da mesa giratória da sonda (figura 6.1.11b), para receber e transmitir os movimentos de torção à coluna. O kelly sempre será a última haste de uma coluna de perfuração no método rotativo. Swivel - é uma peça rosqueada no topo do kelly, com a finalidade de permitir o engate da mangueira da bomba de lama à coluna de perfuração (figura 6.1.11c). Como a coluna de perfuração tem movimento giratório e a mangueira da bomba de lama é fixa, esta é a peça Figura 6.1.12 - Bombas de Lama: (a) bomba de pistão especial que permita a união destes dois elementos. duplex; (b) bomba centrífuga. 433 Cap_6.1_FFI.indd 5 9/12/2008 21:51:22 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços coleta normalmente gera boas amostras. No método rotativo de perfuração, não há paralisação do avanço da broca para coleta de material. A amostragem é feita antes do fluido passar pela peneira ou, quando inexiste peneira, na canaleta ou calha do circuito de lama. As amostras colhidas são, assim, chamadas de amostras de calha. Por se tratar de amostragem feita em processo contínuo de perfuração, vários são os cuidados a serem tomados na análise e coleta dessas amostras, dentre os quais citam-se como os mais importantes: • o fluido de perfuração ao percorrer toda a extensão do poço, pode trazer consigo não só o material do fundo, que está sendo desagregado, mas, também, fragmentos de desmoronamentos ocorridos nas partes mais superiores, causando, deste modo, contaminação do material coletado; • a coleta do material é feita junto com fluido de perfuração. Este tem que ser separado por Figura 6.1.13 - Controle do fluido de perfuração: (a) teor de meio de “lavagem”. A qualidade deste processo areia ; (b) viscosidade; (c) densidade. depende muito da habilidade da pessoa que faz a limpeza da amostra, porque ela não pode “lavar” excessivamente a amostra a ponto de retirar a fração argilosa, naturalmente presente na mesma, Na composição do fluido de perfuração entram tampouco pode deixar que o excesso de fluido várias substâncias, das quais, as mais comuns são mascare a amostra; bentonita, CMC (carboximetilcelulose), soda cáustica, nalco, polysafe e spersene. O fluido mais indicado para • quando se está perfurando formações em que a construção de poços para captação de água é aquele ocorre perda de circulação (o fluido não retorna à à base de polímeros, como o CMC. Esse produto tem superfície), costuma-se adicionar algum material a grande vantagem de ser facilmente removido do para evitar esta perda, o qual é fonte em potencial poço na fase de limpeza, ao final da construção, ao de contaminação das amostras de calha; contrário da bentonita. • fragmentos de metal do próprio equipamento de perfuração podem ser confundidos com minerais Circuito do fluido de perfuração - em geral, metálicos. é construído ao lado da sonda, para circulação e tratamento do fluido usado na perfuração, sendo Como dito antes, a amostragem de calha é feita a composto dos seguintes componentes: tanques intervalos regulares e sem interrupção da perfuração. para preparo, decantação e armazenamento da Portanto, o material de uma amostra coletada quando lama; canaletas de circulação; peneira; desareiador a broca está aos 400 metros de profundidade, não e dessiltador. Na figura 6.1.14 é apresentado um será representativo dessa profundidade, mas de um esquema mostrando um circuito padrão de lama e um ponto acima. Isto ocorre devido ao fato do fluido de canteiro de perfuração, onde se pode visualizar parte perfuração necessitar de um tempo para se deslocar deste circuito de lama. É necessária uma constante do fundo do poço até a superfície do terreno. Esse preocupação com a limpeza do fluido de perfuração, tempo de deslocamento do fluido é chamado de pois ele só deve retornar para o poço o mais limpo tempo de retorno. O tempo de retorno dependerá das possível. características do fluido, da capacidade da bomba de Amostragem de calha - a amostragem do material lama, do material atravessado e das dimensões do atravessado durante a perfuração de um poço é poço (diâmetro e profundidade). O tempo de retorno uma informação fundamental para o seu projeto (TR), em minutos, pode ser calculado da seguinte final, bem como para o conhecimento da geologia maneira (Petrobras): da área. O intervalo de amostragem depende da precisão pretendida, sendo normalmente utilizado V (bbl)TR(min) = AN + 10 a 20% (6.1.1) o espaçamento de três metros entre as amostras. Q(bbl/min) Para maiores detalhamentos coletam-se amostras a cada metro perfurado. No método de perfuração sendo, à percussão, a amostrarem é feita a partir do V V − V material coletado na caçamba de limpeza. Esta AN= P DP 434 Cap_6.1_FFI.indd 6 9/12/2008 21:51:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.1.14 - Circuito de fluido de perfuração. O fluido é succionado pela bomba de lama, a partir do tanque 3 (tanque de sucção), transportado através do tubo bengala e injetado, por dentro do hasteamento, saindo no fundo do poço pelas aberturas existentes na broca. Retorna pelo espaço, entre o hasteamento e as paredes do furo, trazendo, em suspensão, o material triturado até a boca do poço que, em sua maior parte, fica retido em peneiras. A partir da boca do poço, a lama segue pela canaleta de circulação até o tanque de lama 1 (tanque de deposição), de onde é succionada para passar pelo desareiador, o qual retira a porção de material mais fino ainda existente incorporado ao fluido. Do desareiador a lama retorna ao tanque de lama 2 (tanque de decantação), seguindo para o tanque 3, de onde é novamente succionada para o poço, fechando o circuito. A fotografia mostra um canteiro de obras de uma perfuração realizada pela CPRM, onde podem ser observados a perfuratriz e parte do circuito de lama (Foto: CPRM). 435 Cap_6.1_FFI.indd 7 18/12/2008 13:18:24 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços VDP = PT − CDP π R2 CDP = 246,45 Q = CBCPM onde, VAN é o volume no espaço anular (expresso em bbl), Q é a vazão da bomba de lama (expressa em bbl/min), VP é o volume total do poço (expresso em bbl), VDP é o volume da coluna de perfuração (expresso em bbl), PT é a profundidade do poço, CDP é a capacidade da coluna de perfuração (expressa em bbl), R é o raio externo das hastes de perfuração, CB é a capacidade da bomba de lama (expressa em bbl/ ciclo), bbl é igual a158,98 litros e CPM é o número de ciclos por minuto. Para auxiliar a descrição das amostras e posicioná- Figura 6.1.15 - (a) Bit (broca) e (b) martelo utilizados na las o mais próximo possível do seu lugar de origem, perfuração rotopneumática. além do cálculo dos tempos de retorno, são utilizados gráficos de tempo de penetração, que consistem na plotagem, em papel milimetrado, dos tempos gastos 6.1.4 Projeto de Poços Tubulares para a broca avançar cada metro de perfuração. Para o bom dimensionamento de poços tubulares é Perfilagem Geofísica de Poço - como visto necessário conhecer bem a hidrogeologia da área, de anteriormente, existem vários fatores intervenientes que modo que o projeto seja adequado às características podem prejudicar a qualidade das amostras de calha e, específicas do local. Quando se elabora um projeto de conseqüentemente, do perfil litológico do poço. Neste poço tubular alguns objetivos devem ser alcançados, sentido, a perfilagem geofísica representa a melhor dentre os quais destacam-se: ferramenta para refinar o conhecimento da seqüência • o poço deverá ter a maior descarga possível, para litológica atravessada. Em geral, após a perfuração, o menor rebaixamento (alta eficiência); são corridos ao longo de todo o poço vários tipos de (1) perfis geofísicos, que analisam diferentes propriedades • menor custo possível ; físicas das rochas. Os mais utilizados são: raios gama, • manter a boa qualidade da água, prevenindo elétricos (resistividade), potencial espontâneo (SP), possíveis contaminações; indução, cáliper, desvio ou inclinação, temperatura • ter longa vida útil de serviço (pelo menos 25 anos). e sônico. Os resultados permitem, além de separar Para alcançar os objetivos acima, as seguintes diferentes litotipos e avaliar algumas propriedades informações são importantes na elaboração do projeto físicas das rochas, marcar contatos geológicos com do poço: bastante precisão e indicar as zonas aqüíferas mais promissoras, auxiliando, assim, na elaboração do • demanda a ser atendida; projeto do poço. No capítulo 6.1.2, as perfilagens • conhecimento o mais detalhado possível da geofísicas são discutidas em detalhe. seqüência litológica e respectivas espessuras; • Valores dos parâmetros hidrodinâmicos (T,K,S) do Método Rotopneumático aqüífero a ser captado; Este método consiste na fragmentação da rocha • análises granulométricas dos pacotes arenosos através da combinação de percussão, com pequeno atravessados; curso e alta freqüência, e rotação. O fluido utilizado e • qualidade da água a ser bombeada. principal agente da operacionalidade deste método Estas informações normalmente são obtidas é ar comprimido procedente de compressores de através de outros poços existentes no local. Em alta potência. Em geral, é utilizado para a perfuração áreas desprovidas dessas informações, a construção de rochas compactas (cristalino) com excelente de poços, geralmente, faz-se em caráter pioneiro, rendimento. A coluna de perfuração consiste de de reconhecimento ou de pesquisa, utilizando-se uma broca (bit) e uma peça denominada “martelo” pequenos diâmetros de perfuração, e a partir das (figura 6.1.15), que conecta o bit ao hasteamento e informações obtidas com esses poços, prepara-se o proporciona, em função da passagem do ar, a potência projeto definitivo do poço produtor. Em princípio, não de choque e a freqüência de percussão. existe uma regra básica para elaboração do projeto (1) O que só é possível se for dimensionado para, no máximo, a demanda necessária. 436 Cap_6.1_FFI.indd 8 9/12/2008 21:51:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações de um poço tubular. O projeto final dependerá muito das características de cada local e da experiência do projetista em avaliar estas características, portanto, cada projeto tem que ser estudado em separado. O projeto de poços tubulares também é dinâmico, varia com o tempo. Um projeto de poço que era adequado para uma determinada área há 20 anos, por exemplo, pode não ser mais adequado hoje. A Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT é o órgão responsável pela normatização técnica no Brasil. Para o tema poços tubulares, conforme a sua página na internet em março de 2008, existem nove normas em vigor, as quais estão listadas na tabela 6.1.1. A figura 6.1.16 apresenta de maneira esquemática um perfil construtivo de um poço tubular destinado a ilustrar cada termo discutido nesse capítulo. Profundidade de um Poço Vários são os fatores que podem determinar a profundidade de um poço. Sempre que possível, toda a formação aqüífera deve ser atravessada, pois esta é a situação em que o poço apresenta o melhor rendimento hidráulico. Porém, a profundidade pode ser limitada por questões econômicas, pela vazão requerida (equipamento de bombeamento) etc. Norma Descrição Poço tubular - Projeto de poço tubular para NBR12212 captação de água subterrânea Figura 6.1.16 - Perfil construtivo esquemático de um poço Poço tubular - Construção de poço tubular NBR12244 tubular. para captação de água subterrânea Filtros e tubos de revestimento em PVC para Diâmetro de Perfuração NBR13604 poços tubulares profundos O diâmetro de perfuração de um poço dependerá, Filtros e tubos de revestimento em PVC para basicamente, da previsão de dois fatores: capacidade NBR13605 poços tubulares profundos - Determinação de produção e nível dinâmico. Com esses elementos dimensional pode-se definir a bomba a ser utilizada, cujo diâmetro Tubos de revestimento em PVC para poços definirá, por sua vez, o diâmetro do revestimento da NBR13606 tubulares profundos - Determinação do câmara de bombeamento. módulo de elasticidade à flexão O conhecimento da transmissividade e espessura Tubos de revestimento em PVC para poços do aqüífero permite prever as velocidades de fluxo NBR13607 tubulares profundos - Verificação da flexão para o poço e, portanto, os diâmetros de perfuração ao impacto necessários para alojar filtro e pré-filtro adequados. Tubos de revestimento em PVC para Como regra geral, uma bomba requer uma folga de 3 NBR13608 poços tubulares profundos - Verificação do a 4 polegadas em diâmetro em relação ao revestimento, desempenho da junta roscável porém, é importante verificar as recomendações de seu Tubos de revestimento em PVC para fabricante. O comprimento da câmara de bombeamento NBR13609 poços tubulares profundos - Verificação da também dependerá de vários fatores, tais como relação resistência à tração das juntas custo versus benefício e tipo de aqüífero. Tecnicamente, Poços de monitoramento de águas hoje, já é viável o bombeamento de níveis dinâmicos NBR15495-1 subterrâneas em aqüíferos granulares - da ordem de 500 metros. Parte 1: Projeto e construção Em um aqüífero livre, a influência do diâmetro de Tabela 6.1.1 - Normas técnicas sobre poços tubulares perfuração na produtividade de um poço pode ser (ABNT, 2008). avaliada usando a fórmula de Dupuit. 437 Cap_6.1_FFI.indd 9 9/12/2008 21:51:31 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços 2 2 Revestimentoπ K (H Q = 0 − Hp ) (6.1.2) ln(R / r ) O revestimento é composto de tubos, instalados p ao longo de toda a perfuração, cuja principal finalidade sendo, Q a vazão do poço [L3/T-1], K a condutividade é sustentar as paredes do poço, impedindo que a hidráulica do aqüífero [L/T], H a espessura saturada seqüência litológica atravessada desmorone. A porção do 0 inicial (aqüífero em repouso) [L], H a espessura revestimento onde se instala a bomba chama-se câmara p saturada do aqüífero no poço em bombeamento [L], de bombeamento. O trecho do revestimento onde se R o raio de influência [L] e rp o raio do poço [L]. localiza a zona de admissão de água para o poço, ou Para as mesmas condições de carga no poço, isto zona de entrada de água do aqüífero para o poço, é é, fazendo constante (C) o numerador da equação ocupado por tubos ranhurados, denominados filtros. (6.1.2), e para um raio de influência de 100 m, que Diâmetro - dependendo do tipo de equipamento de pode ser considerado como típico para aqüíferos livres, perfuração, o diâmetro de revestimento é importante, a vazão depende unicamente do diâmetro do poço porque pode influir bastante no custo da obra. Neste (equação 6.1.3). sentido, são recomendados dois critérios primordiais: C • o diâmetro da câmara de bombeamento deve deixar Q = In (200 / D) (6.1.3) suficiente folga para uma fácil instalação e um bom funcionamento da bomba prevista; e A magnitude dessa dependência pode ser • o diâmetro do revestimento intermediário deve observada na tabela 6.1.2. Entretanto, deve-se ressaltar ser suficiente para que a velocidade de ascensão que o aumento dos diâmetros de perfuração quase vertical do fluido seja inferior a 1,5 m/s. Esses sempre tem repercussões importantes nos custos do critérios estão implícitos nas especificações projeto e, por esse motivo, é preciso avaliar com muita sugeridas na tabela 6.1.4. cautela os custos envolvidos, antes de se pensar em A dimensão externa em tubos de 1/8 de polegada aumentar os diâmetro. Como norma geral, o diâmetro a 12 polegadas (3,2 mm a 305 mm) foi originalmente de perfuração leva em conta o diâmetro previsto para escolhida de maneira tal que, para uma espessura o revestimento, deixando sempre uma folga, que pode padrão de parede, o diâmetro interno fosse igual a um variar, mas, de modo geral, é usual utilizar os valores tamanho padrão. Mas, dependendo da espessura da indicados na tabela 6.1.3. parede, o diâmetro interno pode ser maior ou menor do que o padrão indicado. Por esse motivo, usa-se o termo diâmetro nominal para designar o diâmetro interno, Diâmetro de Perfuração Coeficiente de porque o verdadeiro diâmetro interno varia, para mais Polegadas mm Aumento da Vazão ou para menos, em relação ao tamanho padrão. Por 6 152 1,000 exemplo, um diâmetro nominal de 6 polegadas (152 mm) tem um diâmetro externo de 6,625 polegadas (168 12 305 1,107 mm); mas, para uma parede de espessura padrão, o 18 457 1,181 diâmetro interno é de 6,065 polegadas (154 mm). 24 610 1,240 Em poços com níveis estáticos muito profundos, que implicam em grandes alturas de elevação, o diâmetro 30 762 1,289 abaixo da câmara de bombeamento é geralmente 36 914 1,333 reduzido por questões econômicas. As especificações 48 1.219 1,408 recomendadas na tabela 6.1.4 asseguram velocidades de ascensão do fluxo inferiores a 1,5 m/s e, portanto, Tabela 6.1.2 - Coeficientes de aumento da vazão de um perdas de carga relativamente pequenas. poço em relação ao aumento do diâmetro de perfuração (modificado de Driscoll, 1987). Materiais - a escolha do material é função da resistência mecânica e química, de modo a adaptar-se às condições a que será submetido. Assim sendo, entre Revestimento Folga outras coisas, vai depender da qualidade da água, da (Polegada) (Polegada) profundidade do poço, do diâmetro de perfuração, do 4-8 2-3 método de perfuração e, também, do custo. Os tipos 9-14 2-4 de revestimento empregados em poços tubulares são 15-20 4-5 basicamente dois: aço e PVC. No passado, o aço era o material mais comumente empregado em todos os 21-30 5-8 casos. Nos últimos anos, porém, o PVC está sendo Tabela 6.1.3 - Diâmetro de perfuração levando em cada vez mais utilizado, principalmente, em poços com consideração a folga necessária para o revestimento menos de 300 metros de profundidade, que captam (adaptado de Driscoll, 1987). águas muito corrosivas. 438 Cap_6.1_FFI.indd 10 9/12/2008 21:51:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Diâmetro Nominal dos Diâmetro Ótimo do Diâmetro Mínimo do Vazão Prevista Estágios da Bomba Revestimento do Poço (*) Revestimento do Poço (*) (m3/h) (polegada) (mm) (polegada) (mm) (polegada) (mm) Q < 23 4 102 6 (i) 152 (i) 5 (i) 127 (i) 17 < Q ≤ 40 5 127 8 (i) 203 (i) 6 (i) 152 (i) 35 < Q ≤ 80 6 152 10 (i) 254 (i) 8 (i) 203 (i) 80 < Q ≤ 160 8 203 12 (i) 305 (i) 10 (i) 254 (i) 113 < Q ≤ 130 10 254 14 (e) 356 (e) 12 (i) 305 (i) 180 < Q ≤ 400 12 305 16 (e) 406 (e) 14 (e) 356 (e) 270 < Q ≤ 680 14 356 20 (e) 508 (e) 16 (e) 406 (e) 450 < Q ≤ 860 16 406 24 (e) 610 (e) 20 (e) 508 (e) 680 < Q ≤ 1.360 20 508 30 (e) 762 (e) 24 (e) 610 (e) (*)Para bombas tipo turbina de eixo vertical, o diâmetro do revestimento do poço se baseia no diâmetro externo dos estágios da bomba e para bombas submersas, é baseado no diâmetro dos estágios da bomba ou no diâmetro do motor; (i) = diâmetro interno; (e)= diâmetro externo. Tabela 6.1.4 - Diâmetro da câmara de bombeamento de acordo com a vazão da bomba (adaptado de Driscoll 1987). Filtros Tipos de Filtros O filtro, como já mencionado, é um revestimento Vários são os tipos de filtros que podem ser especial que permite a passagem da água do aqüífero empregados. A escolha adequada depende da natureza para dentro do poço. O seu comprimento é definido do material a ser telado, da demanda a ser atendida basicamente em função das características locais do e dos recursos disponíveis para a obra. Os tipos mais aqüífero. Para um bom dimensionamento dos filtros comuns são apresentados na figura 6.1.17. Os filtros devem-se adotar, como orientação geral, os seguintes geomecânicos (PVC) são, atualmente, adotados como critérios: unanimidade para poços até 200 m, enquanto os Nold e Fresta, praticamente, não são mais utilizados. • dimensionar o comprimento de filtros em função Dentre os tipos conhecidos, os filtros de ranhura da vazão prevista para o poço, considerando uma contínua são os que apresentam melhor rendimento, pois velocidade de entrada de água menor ou igual à raiz têm uma percentagem de área aberta bem maior que os quadrada da condutividade hidráulica do aqüífero; demais. Porém, devido ao processo de fabricação mais • calculada a extensão total, distribuir as secções de sofisticado, os filtros de ranhura contínua são os mais filtro ao longo da espessura do aqüífero de maneira caros. A figura 6.1.18 mostra uma comparação entre as a minimizar o efeito de componentes verticais de fluxo linhas de fluxo para um filtro de ranhura contínua e outro para o poço, ou seja, o efeito da penetração parcial; com abertura irregular. As componentes de fluxo vertical • o ideal é contar com uma perfilagem geofísica do geradas no segundo tipo, quando a água atravessa o poço para evitar a colocação de filtros nas camadas filtro, aumentam a perda de carga e tendem a diminuir de sedimentos muito finos, intercaladas na formação a capacidade de produção do poço. aqüífera; • a zona de admissão de água da bomba ou bombeador, em hipótese alguma, deve ser instalada em um trecho do poço revestido com filtro, pois aí, as velocidades de fluxo são muito altas e podem induzir o carreamento de partículas finas do aqüífero para o poço através do pré-filtro e, assim, comprometer a vida útil da bomba e do próprio poço; • como regra geral, aqüíferos livres devem ser telados (revestidos com filtro) ao longo de 1/2 a 2/3 da espessura saturada a partir da base do aqüífero; e • os aqüíferos confinados devem ser telados até no máximo 80% da espessura total, pois a experiência revela que porcentagens de penetração superiores Figura 6.1.17 - Diferentes tipos de filtro. (a) Fresta (Custodio & não produzem aumento significativo de vazão Llamas, 1983); (b) Nold; (c) Geomecânico; (d) Ranhura contínua capaz de justificar o investimento. - arame trapezoidal; (e) Ranhura contínua - arame redondo. 439 Cap_6.1_FFI.indd 11 9/12/2008 21:51:33 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços A exemplo do revestimento, os fi ltros são basicamente confeccionados em aço (comum, inoxidável ou galvanizado) ou em PVC (geomecânico, PVC rígido etc.). A escolha do material a ser utilizado está normalmente condicionada às características físico-químicas e bacteriológicas da água a ser captada pelo poço e aos custos. Velocidades de Entrada - uma revisão dos trabalhos relacionados com o problema da limitação das velocidades de entrada de água nos filtros de poços, revela a ocorrência de valores na faixa de 1 a 8 cm/s, sendo o limite inferior mais freqüente igual a 3 cm/s, conforme se observa na tabela 6.1.5. Alguns autores utilizam como critério para limitar a velocidade de entrada nos filtros, a condutividade hidráulica do aqüífero, conforme se pode ver na tabela 6.1.6. Velocidade Máxima de Fonte Entrada (cm/s) Tolman, (1937) 3 - 6 Ahrens (1957) 3 - 8 Smith (1963) 2 Blair (1970) 3 Figura 6.1.18 - Diferenças do fluxo de água para filtros de ranhura contínua e tubos ranhurados (modificado de Huisman (1973) 4 Cetesb, 1978). AWWA (1973) 3 - 6 Campbell & Leha (1973) 3 - 8 USEPA (1975) 1 - 3 Aberturas das ranhuras - o dimensionamento da Mabilot (1979) 4 abertura das ranhuras do filtro dependerá da existência ou não de pré-filtro. Driscoll (1987) 3 • Poço sem pré-filtro - as ranhuras do filtro devem Tabela 6.1.5 - Velocidades máximas de entrada nos filtros deixar passar a maior parte dos finos da formação segundo vários autores. durante os processos de desenvolvimento. Para areias heterogêneas, as ranhuras devem permitir a passagem de 60% do material da formação. Condutividade USEPA Walton Quando a água é corrosiva, seleciona-se a abertura Hidráulica (m/s) (v em cm/s) (v = √K) para permitir a passagem de 50% do material da K ≥ 2,84.10-3 3,05 v ≥ 5,33 formação. Em aqüíferos com alternância de camadas -3 -3 de granulometria fina e grossa, deve-se estender o 2,36.10 ≤ K < 2,84.10 3,05 4,86 ≤ v < 5,33 filtro dimensionado para o material mais fino, um 1,89.10-3 ≤ K < 2,36.10-3 3,05 4,35 ≤ v < 4,86 metro dentro da camada mais grosseira sotoposta. A -3 -3 abertura da ranhura do filtro da camada mais grossa 1,41.10 ≤ K < 1,89.10 3,05 3,75 ≤ v < 4,35 não deve exceder duas vezes a abertura da ranhura 1,18.10-3 ≤ K < 1,41.10-3 3,05 3,44 ≤ v < 3,75 do filtro da camada mais fina sobreposta. 9,94.10-4 ≤ K < 1,18.10-3 2,54 3,08 ≤ v < 3,44 • Poço com pré-filtro - as ranhuras do filtro devem reter 90% do pré-filtro. 7,04.10-4 ≤ K < 9,94.10-4 2,54 2,65 ≤ v < 3,08 O dimensionamento do diâmetro dos filtros de 4,75.10-4 ≤ K < 7,04.10-4 2,03 2,18 ≤ v < 2,65 um poço é conseqüência direta da vazão que se -4 -4 pretende bombear e das dimensões das ranhuras 2,36.10 ≤ K < 4,75.10 2,03 1,54 ≤ v < 2,18 dos filtros. A principal orientação no dimensionamento 2,31.10-4 ≤ K < 2,75.10-4 1,52 1,52 ≤ v < 1,54 do diâmetro de filtros é adotar como condicionante -4 uma velocidade de entrada d’água inferior a 0,03 m/s. K < 2,31.10 1,02 v < 1,52 Segundo a maioria dos pesquisadores, velocidades Tabela 6.1.6 - Velocidades máximas de entrada nos filtros, maiores favorecem os processos de incrustação e em função da condutividade hidráulica do aqüífero (USEPA, corrosão. 1975; Walton, 1970). 440 Cap_6.1_FFI.indd 12 9/12/2008 21:51:33 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Segundo Driscoll (1987), embora a experiência Os mesmos testes, conduzidos em amostras de prática indique uma velocidade máxima de 3 cm/s filtros de aço inoxidável 304, mostraram também uma como plenamente satisfatória, a Johnson Division tendência de aumento da taxa de corrosão com o continua sempre realizando experimentos para testar aumento da velocidade de fluxo. Como se observa na o efeito, a longo prazo, da velocidade de entrada figura 6.1.20, para velocidades de entrada até 12 cm/s, nos processos de corrosão e incrustação de filtros. a taxa de corrosão varia irregularmente, situando-se Estudos concluídos em 1987, por exemplo, testaram, numa média de 8,5 cm/ano. Daí em diante, a corrosão através de uma série de experimentos, o efeito da aumenta, chegando a quase 25 cm/ano quando a velocidade de entrada nas taxas de corrosão de filtros velocidade é de 60 cm/s. dos tipos aço inoxidável 304 e aço de baixo teor de Conclui-se, portanto, que a limitação da velocidade carbono. Sabe-se que a corrosão produz dois efeitos de entrada de água nos filtros contribui para uma dielétricos opostos nos filtros de poços: maior eficiência operacional e, conseqüentemente, • os produtos da corrosão podem obstruir as para que o poço tenha uma vida útil de serviço mais ranhuras com o tempo e causar uma redução na longa. Caso se deseje que a vida útil do poço seja capacidade específica do poço; e de pelo menos 20 anos, para filtros de aço dos tipos • o processo também pode produzir, ao longo do testados, é conveniente limitar as velocidades de tempo, um aumento nas aberturas das ranhuras, entrada. dando lugar a carreamentos de areia. Diâmetro dos Filtros - o projetista de poço Foi comprovado que a resistência do aço inoxidável tubular dispõe de duas equações de orientação para 304 à corrosão é excelente em presença de água o dimensionamento do diâmetro de filtros (vazões com boa qualidade, porém, diminui com o aumento máximas permissíveis), que foram desenvolvidas com do teor de cloretos. Os filtros de aço com baixo teor base em estudos de velocidade da entrada da água de carbono, em geral, são muito menos resistentes na perfuração (paredes do furo) e nos filtros de um do que os de aço inox. Devido à grande variação de poço tubular. qualidade química das águas subterrâneas, as taxas Vazão Máxima Permissível pelo Furo reais de corrosão determinadas nos testes são menos significativas do que a tendência geral que se observa Qp = 2π rp Lp ve (6.1.4) entre velocidade de entrada e corrosão. Para água de boa qualidade, com 0,2 mg/L de oxigênio dissolvido, sendo, Q a vazão máxima pelo furo [L3T-1p ], rp o raio do a taxa de corrosão em amostras de filtros de aço com furo (perfuração) [L], Lp o comprimento do furo de raio baixo teor de carbono passa de 0,55 para 2,65 m/ano, rp [L], ve a velocidade de entrada da água pelo furo quando a velocidade de entrada aumenta de 3 cm/s dada por √(K/15) ou √(K/30) [LT-1] e K a condutividade para 76,2 cm/s (figura 6.1.19). hidráulica do aqüífero [LT-1]. Figura 6.1.19 - Taxa média de corrosão, em m/ano, para 5 Figura 6.1.20 - Taxa média de corrosão, em m/ano, para 3 amostras de filtros de aço com baixo teor de carbono, em água amostras de filtros de aço inoxidável 304, em água com 2 ± com 0,2 mg/L de O dissolvido (adaptado de Driscoll, 1987). 0,2 mg/L de O2 dissolvido (modificado de Driscoll, 1987).2 441 Cap_6.1_FFI.indd 13 9/12/2008 21:51:33 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços Vazão Máxima Permissível pelo Filtro Na tabela 6.1.7 apresenta-se uma classificação dos diversos tipos de areia em função do tamanho dos Qf = 2π rf Lf a b ve (6.1.5) grãos, segundo Krubein & Pettijohn (1938). A análise de uma curva granulométrica de um sedimento permite sendo, Q a vazão máxima pelo filtro [L3T-1], rf o raio da definir os seguintes parâmetros: seção filtrante [L], Lf a extensão da seção filtrante de raio r [L], a a percentagem de área aberta do filtro, b dx - determina o tamanho da partícula de tal forma f a percentagem de área aberta do filtro obstruída pelo que x% é a percentagem de grãos menores que passam pré-filtro (adota-se 50%), ve a velocidade de entrada ou são retidos por uma determinada peneira; da água pelo filtro [LT-1], dada por 0,01, para K ≤ 10-4 Coeficiente de uniformidade - é a razão d /d do m/s, e por √K, para K > 10-4 m/s, e K a condutividade 60 10material que passa ou d /d do material retido; hidráulica do aqüífero [LT-1]. 40 90 Tamanho efetivo - é igual ao tamanho da abertura É importante lembrar que as equações (6.1.4) e da peneira que retém 90% ou deixa passar 10% do (6.1.5) são empíricas, e por terem sido desenvolvidas material analisado. com base na observação de poços de áreas específicas, a sua utilização deve ser feita de forma Estudos mostram que apenas 0,5 polegada de criteriosa. Os dados fornecidos pelos poços existentes espaço entre o revestimento/filtro e a perfuração em uma área onde se pretende projetar novos poços, seriam suficientes para o pré-filtro desempenhar suas são informações importantíssimas para avaliar o uso funções (Driscoll, 1987). Porém, devido ao processo irrestrito destas equações. de instalação do pré-filtro, e do revestimento, são necessárias pelo menos três polegadas de folga. Pré-Filtro O pré-filtro é indicado em praticamente todos os casos, quando não se deseja perder muito tempo O pré-filtro é o preenchimento de cascalho colocado com desenvolvimento natural. É indispensável no caso no espaço anelar, existente entre o revestimento/filtro e de sedimentos muito finos e uniformes, a menos que a perfuração. Tem por finalidade estabilizar areias muito sejam utilizados filtros com ranhuras pequenas demais finas e bem selecionadas e permitir maior percentagem (por exemplo, menores que 0,25 mm), o que pode de área aberta das ranhuras do filtro. trazer problemas de colmatação prematura, sobretudo Antes de avançar no estudo do dimensionamento quando existe alguma fração argilosa na matriz arenosa do pré-filtro de um poço, é necessário revisar alguns fina. Na prática, e nas formações granulares em geral, conceitos de análise granulométrica. O estudo é sempre preferível utilizar o pré-filtro, porque o mesmo granulométrico de um sedimento é feito a partir de permite a instalação de filtros com ranhuras mais uma quantidade pré-definida de material, que após abertas, o que contribui para uma maior eficiência seco em estufa passa por peneiras vibratórias, com hidráulica do poço. Além disso, no caso de águas diferentes aberturas de malha, dispostas verticalmente incrustantes, as aberturas dos filtros devem ser, no uma sobre a outra. Pesa-se as frações retidas em mínimo, da ordem de 0,4 a 0,5 mm. O pré-filtro deve cada peneira e calcula-se a percentagem em relação apresentar as seguintes características: à quantidade inicial da amostra. Constrói-se, então, • ser livre de impurezas; um gráfico de coordenadas cartesianas ortogonais, no • ter grãos bem arredondados; qual os diâmetros das peneiras são plotados no eixo • ter de 90 a 95% de grãos de quartzo; e das abcissas e as freqüências relativas acumuladas, do material retido em cada peneira, no eixo das • apresentar coeficiente de uniformidade menor ordenadas, tal como mostrado na figura 6.1.21. que 2,5. Existem vários métodos para definir a granulometria do pré-filtro, porém aqui serão apresentados apenas dois métodos: Jonhson e Nold. Classificação Tamanho dos Grãos (mm) Areia muito fina 0,063 - 0,125 Areia fina 0,125 - 0,250 Areia média 0,250 - 0,500 Areia grossa 0,500 - 1,000 Areia muito grossa 1,000 - 2,000 Figura 6.1.21 - Curva Granulométrica (modificado de Driscoll, Tabela 6.1.7 - Classificação Granulométrica (Krumbein & 1987). Pettijohn, 1938). 442 Cap_6.1_FFI.indd 14 9/12/2008 21:51:34 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Método Jonhson - os procedimentos básicos para • seleção, por exemplo, de 5 (cinco) aberturas de utilização deste método são os seguintes: peneiras de ± 8% de variação para a porcentagem • escolha dos trechos a serem telados e realização de material retido em qualquer ponto da curva; das análises granulométricas. Seleção do trecho • considerando a curva do exemplo (figura 6.1.22), que apresentar granulometria mais fina; a maior peneira teria uma abertura de 1,7 mm • multiplicação do tamanho correspondente a 70% (0,065”). A porcentagem retida nessa peneira do material retido por um fator entre 4 e 10. Usa-se seria nula e, portanto, poderíamos ter até 8% do um fator entre 4 e 6 se a formação é uniforme e material do pré-filtro nela retido; d40 < 0,25 mm. Usa-se um fator entre 6 e 10 se a • a peneira seguinte, em ordem decrescente, mais granulometria da formação é muito heterogênea e comumente usada, tem abertura de 1,2 mm. A possui areia fina, média até grosseira, com seixos curva para essa abertura (0,046”) exibe 18% e matriz argilosa, como acontece em muitos de material retido. Calculando, então, 18 ± 8, depósitos de aluviões na região semi-árida do verificamos que a faixa de pré-filtro a ser retida Nordeste brasileiro. A utilização de um fator maior nessa peneira deverá ser de 10 a 26%; do que 10 não é recomendável, porque o poço corre • para a peneira seguinte, com abertura de 0,8 mm o risco de apresentar carreamento permanente de (0,033”), a curva mostra um percentual retido de areia. No exemplo considerado (figura 6.1.21), a 45% e assim 45 ± 8 revela que o pré-filtro deve curva correspondente ao material mais fino tem conter um percentual de 37 a 53% de material d70 = 0,005” (0,13 mm) e como d40 < 0,25 mm, foi retido nessa peneira; utilizado o fator 5, isto é, o ponto inicial da curva • usando o mesmo processo, verifica-se que as granulométrica do pré-filtro encontra-se em 0,65 duas últimas peneiras (0,6 e 0,4 mm) deverão mm ou 0,025” (5.d70 = 5. 0,13 mm); reter, respectivamente, de 72 a 88% e de 90 a • passando pelo ponto inicial, desenha-se uma curva 100 % do material do pré-filtro. suave representando um material com coeficiente de uniformidade de aproximadamente 2,5 ou Método Nold - da curva granulométrica obtém-se o menos. Na figura 6.1.22, para um coeficiente de coeficiente de uniformidade e os tamanhos dos grãos uniformidade de 2,5 obtém-se a curva interrompida para d10, d75 e d95 da fração que passa na peneira ou em vermelho. O coeficiente de uniformidade da d90, d25 e d5 do material retido, e com auxílio da tabela curva contínua que passa pelo ponto inicial do pré- 6.1.8 determina-se os diâmetros mínimo e máximo dos filtro é de 1,8 e corresponde a um material menos grãos do cascalho para o pré-filtro. uniforme, porém comercialmente disponível. Por isso, é o pré-filtro indicado. Coeficiente de Tipo de Curva Caso não seja possível adquirir um pré-filtro comercial, Mínimo Máximo Uniformidade Granulométrica pode-se preparar um bom pré-filtro, utilizando-se uma fonte de cascalho ou areia, como descrito a seguir: Material que passa d10.4 d95.5 Entre 3 e 5 Material retido d90.4 d5.5 Material que passa d75.4 d95.5 < 3 Material retido d25.4 d5.5 Tabela 6.1.8 - Granulometria do pré-filtro pelo método Nold (adaptado de Custodio & Llamas, 1983). Cimentação A colocação de pasta de cimento no espaço anelar entre o revestimento e a parede do poço, ou em casos especiais, dentro do próprio poço, é denominada de cimentação, cujas principais finalidades são descritas a seguir: • Vedação - quando um poço é abandonado, seja qual for o motivo, deve ser totalmente preenchido com Figura 6.1.22 - Exemplo de aplicação do método Johnson pasta de cimento, eliminando um meio de acesso (adaptado de Driscoll, 1987). para a penetração de poluentes no aqüífero; 443 Cap_6.1_FFI.indd 15 9/12/2008 21:51:34 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços • Fixação - é uma das finalidades básicas no que diz Limpeza e Desenvolvimento respeito à construção do poço e tem como objetivo fixar o revestimento à parede do poço, de forma a Concluídos os trabalhos de perfuração e estabilizar permanentemente a obra; completação (revestimento, pré-filtro e cimentação), • Proteção sanitária - a cimentação do espaço anelar segue-se a operação de limpeza do poço, que tem da parte mais superior do poço impedirá que águas como objetivo principal a retirada de todos os resíduos poluídas da superfície se infiltrem e contaminem a deixados no poço durante a fases anteriores. água captada pelo poço.; Nos casos dos poços perfurados pelo método rotativo, a principal função da limpeza é a retirada • Proteção - tem como objetivo proteger o total do fluido de perfuração, tarefa que pode se tornar revestimento da ação de águas agressivas; difícil, quando a lama utilizada é exclusivamente à • Separação de Aqüíferos - quando existem vários base de bentonita. níveis aqüíferos e entre eles um ou mais apresentam Após a limpeza, são iniciados os procedimentos de água imprópria para consumo, os níveis indesejáveis desenvolvimento, que têm como finalidade principal são separados por cimentação; o aumento da condutividade hidráulica natural do • Correções de Desvios de Perfuração - quando aqüífero, nas proximidades do poço, e correção por algum problema a perfuração sofre desvio na de eventuais danos causados à formação pela verticalidade que venha comprometer a descida do perfuração (compactação, colmatagem etc). Todos revestimento ou outras operações, pode-se corrigir os poços novos devem ser desenvolvidos logo após este defeito fazendo-se uma cimentação do trecho a sua conclusão. Os processos de desenvolvimento que sofreu desvio e reabrindo o poço. auxiliam muito a limpeza, principalmente, na retirada dos fluidos à base de bentonita. Na verdade, os A cimentação, em geral, é feita apenas com processos de limpeza e desenvolvimento são uma pasta formada de cimento + água. Às vezes interligados e formam uma interface indefinida. acrescenta-se bentonita na proporção de 3 a 6%. A O aumento da condutividade hidráulica nas mistura mais comumente usada (www.cornernordeste. proximidades do poço é conseguido através da com.br) é 50 Kg de cimento para 30 litros de água. Essa retirada da fração de granulometria mais fina da mistura rende cerca de 40 litros de pasta de cimento. formação aqüífera para dentro do poço, e deste Após a cimentação, deve-se aguardar um período para a superfície. Sendo assim, o desenvolvimento de tempo correspondente a pega do cimento, para de um poço deve prolongar-se até cessar a serem retomados os trabalhos. Na prática, em geral, “produção de areia”, não havendo, portanto, um este tempo varia entre 8 e 24 horas. tempo limite para a sua conclusão. Na figura 6.1.23 Atualmente, existe no mercado a opção de pelotas é mostrada uma fotografia ilustrando como deve ficar de argila compactada e desidratada que são utilizadas a formação aqüífera após o desenvolvimento de um em substituição ao cimento. A principal vantagem poço. Pode-se notar claramente o aumento gradual dessas pelotas de argilas é a facilidade da sua da granulometria na direção do poço, refletindo, colocação no espaço anelar, que é feita diretamente conseqüentemente, no aumento da condutividade por gravidade via um tubo guia. Outra vantagem é não hidráulica. se ter que esperar o tempo de cura ou pega, como no caso do cimento, tornando a operação mais rápida, já que é feita de forma contínua. Por exemplo, na captação de aqüíferos estratificados com níveis intercalados de água de qualidade indesejável, é necessário realizar o isolamento destes níveis. Quando se usa cimento, após a colocação do cascalho correspondente ao primeiro intervalo aqüífero e o respectivo isolamento do nível sobreposto, é necessário aguardar o tempo de cura do cimento. Durante este tempo pode haver desmoronamento de parte da parede do furo, na parte superior, prejudicando a obra. A utilização de pelotas de argila evitaria esse tipo de risco. Entretanto, esta alternativa apresenta a grande desvantagem de não se ter controle do espaçamento de isolamento, ou seja, já que a metodologia de aplicação é por gravidade, não se pode ter certeza da base e topo reais do intervalo isolado, podendo-se, muitas vezes, deixar de isolar trechos que venham Figura 6.1.23 - Aspectos da formação aqüífera após o causar problemas futuros. desenvolvimento (Driscoll, 1987). 444 Cap_6.1_FFI.indd 16 9/12/2008 21:51:36 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O sucesso do desenvolvimento de um poço depende de vários fatores: método de completação, área aberta e configuração das ranhuras dos filtros, dimensões das ranhuras dos filtros, espessura do pré-filtro, tipo de fluido utilizado na perfuração, tipo de formação etc. Os métodos de desenvolvimento mais utilizados são descritos a seguir. Superbombeamento - consiste em bombear o poço com uma vazão, pelo menos, duas vezes maior do que a sua provável vazão de operação. Este método não é indicado para poços perfurados em formações não consolidadas sem pré-filtro. A grande desvantagem deste método é a facilidade da formação de pontes de areia. É indicado para formações pouco estratificadas e poços com pré-fltro. Reversão de Fluxo - é o método de super bombeamento com paralisações. Algumas vezes, além de paralisar o bombeamento, injeta-se água na formação com o objetivo de criar um fluxo do poço Figura 6.1.24 - Linhas de fluxo durante o jateamento em para o aqüífero, passando pelo pré-filtro e ajudando a diferentes tipos de filtro (Driscoll, 1987). remover as partículas finas. Air-Lif t - este pode ser definido como um superbombeamento feito por um compressor. Como poços, que afetam o desenvolvimento. O referido o compressor trabalha em pulsos, funciona também estudo consistiu na perfuração, pelo método rotativo, como fluxo e refluxo, evitando as pontes de areia. de 10 (dez) poços utilizando 2 (dois) diferentes tipos de aditivos como fluido de perfuração (bentonita e Pistoneamento (Surge Plunger) - método polímero). Na completação dos poços foram utilizados bastante eficiente, realizado normalmente com 3 (três) diferentes tipos de filtros. Em seguida, máquinas percussoras. O método consiste em em cada poço, foram executados trabalhos de pistonear um êmbolo de borracha que é instalado desenvolvimento em três etapas: superbombeamento dentro do revestimento do poço (semelhante a uma (SB), pistoneamento (PST) e jateamento de água seringa de injeção). O movimento constante de simultâneo com bombeamento (J/AL). Em cada sobe-e-desce faz com que as partículas mais finas se um dos métodos de desenvolvimento, os trabalhos desloquem em direção ao poço. A intervalos regulares prosseguiram até a obtenção de água isenta de areia. de tempo retira-se o êmbolo e se limpa o poço com Após cada etapa de desenvolvimento seguiu-se um um compressor (air-lift). teste de bombeamento com duração de 24 horas. Air Surge Plunger - semelhante ao pistoneamento, Os resultados obtidos por Werner et al. (op. apenas o êmbolo é confeccionado de modo a permitir cit.) revelaram que a capacidade específica de a passagem de uma tubulação de ar comprimido para um poço perfurado pelo método rotativo pode o poço ser constantemente limpo. realmente ser incrementada, a depender do método de desenvolvimento, do tipo de fluido de perfuração e da Jateamento - uma peça especial, denominada porcentagem de área aberta das secções de filtro. jateador, é acoplada ao final do hasteamento e Na figura 6.1.25 é apresentada uma comparação colocada na base dos filtros. Com a própria bomba de entre os três métodos de desenvolvimento utilizados, lama, ou uma bomba específica para esta operação, mostrando uma franca vantagem do método de injeta-se água através do hasteamento, de modo a jateamento sobre os demais. Na figura 6.1.26 é produzir um jato de alta pressão. O trabalho de injeção apresentada uma comparação do rendimento de cada de água é feito girando o hasteamento e fazendo-o etapa de desenvolvimento em função da percentagem subir e descer várias vezes em frente aos filtros até de área aberta dos filtros. As influências do tipo de fluido que se processe a limpeza de todas as suas ranhuras. de perfuração, do método de desenvolvimento e da A figura 6.1.24 mostra a relação entre o fluxo de água porcentagem de área aberta dos filtros, na melhoria de durante o jateamento em diferentes tipos de filtro. produtividade de um poço, podem ser vistas na tabela Utilizando um aqüífero de granulometria bastante 6.1.9 e são comprovadas pelo valor do coeficiente de homogênea, Werner et al. (1980) desenvolveram uma aumento da capacidade específica média. pesquisa considerada por Driscoll (1987) como um Fluidos de perfuração à base de bentonita são dos poucos estudos científicos que analisam variáveis, mais difíceis de remover do que fluidos de polímeros. associadas com a construção e completação de Esses últimos não apresentam maiores problemas, 445 Cap_6.1_FFI.indd 17 9/12/2008 21:51:36 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços porque mesmo quando penetram na formação aqüífera além do alcance do desenvolvimento, se dissipam com o tempo e não oferecem resistência ao fluxo da água subterrânea. O Uso de Polifostatos no Desenvolvimento - para facilitar a limpeza de poços perfurados com fluidos à base de bentonita, usam-se substâncias dispersivas denominadas polifosfatos. Essas substâncias introduzidas no poço antes ou durante o desenvolvimento, contribuem, também, para a remoção das argilas existentes na formação aqüífera. A solução de polifosfato deve ser injetada na altura dos filtros do poço e, em seguida, deve-se também injetar água, para forçar a entrada da solução na formação aqüífera. Os polifosfatos usados no desenvolvimento de poços são de dois tipos: cristalino e vidroso. Os tipos cristalinos, que possibilitam a dispersão e remoção de Figura 6.1.25 - Comparação de eficiência entre três diferentes argilas do aqüífero, são o polifosfato ácido de sódio métodos de desenvolvimento (adaptado de Driscoll, 1987). (PAS), o pirofosfato tetrassódico (PTS) e o tripolifosfato de sódio (TPS). Um fosfato vidroso (não cristalino) muito utilizado pela facilidade com que se encontra no comércio, é o hexametafosfato de sódio (HMS). A presença de polifosfatos nos filtros do poço favorece a expansão de bactérias, motivo pelo qual tem se usado, junto com a solução de polifosfato (17,0 kg de HMS por m3) uma solução bactericida de hipoclorito de sódio (2,25 kg/m3). Na preparação da solução de polifosfato, o produto deve ser bem misturado e ficar perfeitamente dissolvido, antes de ser injetado no poço. Desenvolvimento de Poços em Rochas Fraturadas - qualquer que seja o método de perfuração em rochas cristalinas fraturadas, sempre resulta alguma obstrução das fendas pelo material da perfuração que pode afetar a produtividade do poço. Esse material de obstrução, todavia, pode ser removido por meio de desenvolvimento. Além de bombeamento, muitos perfuradores sugerem pistoneamento como forma de garantir uma completa limpeza e uma máxima Figura 6.1.26 - Influência da porcentagem de área aberta produtividade para o poço. Segundo Driscoll (1987), dos filtros em diferentes estágios de desenvolvimento de um dos melhores métodos empregados para a poços perfurados com fluido de bentonita. Em geral o desobstrução de fendas é a combinação simultânea de desenvolvimento é mais efetivo quando as aberturas dos injeção de água e bombeamento air-lift, em cada zona filtros são maiores (modificado de Werner et al.,1980; Driscoll de entrada de água para o poço, devidamente isolada et al., 1980). com pistões infláveis de borracha. A exemplo do que Aditivo do Fluido Método de Porcentagem de Área Coeficiente de Aumento da de Perfuração Desenvolvimento Aberta dos Filtros Capacidade Específica Média 1,00 SB 1,52 < 1 5 Bentonita SB + PST 1,77 > 15 SB + PST + J/AL 1,00 1,56 Polímero SB 1,56 SB =superbombeamento; PST = pistoneamento; J/AL = jateamento simultâneo com bombeamento ‘air-lift”. Tabela 6.1.9 - Influência do tipo de fluido, da porcentagem de área aberta dos filtros e do método de desenvolvimento na produtividade de poços (adaptado de Werner et al., 1980). 446 Cap_6.1_FFI.indd 18 9/12/2008 21:51:36 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ocorre em poços equipados com filtros, em aqüíferos será realmente benéfica. Dentre os fatores a serem sedimentares, a ação do jato desaloja o material mais considerados mencionam-se: solto da parede do poço e das fendas, principalmente quando estas estão preenchidas por material oriundo • espessura estática saturada - a carga explosiva da própria perfuração. deve ser diretamente proporcional à pressão hidrostática da coluna de água acima do ponto Estimulação de Zonas Aqüíferas Fraturadas - onde se planeja a explosão; denomina-se estimulação de aqüífero a um conjunto • condições geológicas - é preciso que existam de técnicas destinadas a produzir uma melhoria nas zonas fendilhadas interceptando a parede lateral condições de entrada de água para poços, agindo sobre do poço, sem o que a explosão pode ser inútil; as fraturas e/ou gretas existentes na parede do poço e atuando até distâncias bem superiores às que podem • profundidade do poço - para profundidades ser alcançadas pelo desenvolvimento convencional. superiores a 200 metros, admite-se que a Dentre essas técnicas, podem ser mencionadas as explosão não tem condições de aumentar os seguintes: uso de ácido e uso de explosivos. espaços vazios, por conta do peso da massa rochosa superposta (pressão litostática). Uso de ácido - em geral, se faz em aqüíferos de rochas carbonáticas ou em aqüíferos pouco Além desses fatores, é preciso atentar para os consolidados que possuem cimento de carbonato problemas de segurança ambiental e para os de cálcio. A utilização de ácido em algumas aspectos legais associados. Na prática, podem situações pode produzir dissolução do carbonato ser utilizados até 450 kg de explosivos em um e criar maiores espaços vazios e, portanto, poço de 90 m e até 900 kg em um poço de 150 m. maior condutividade hidráulica para o aqüífero O material explosivo é geralmente fornecido em nas vizinhanças do poço. Os tratamentos com pacotes cilíndricos de 14 kg com diâmetro de 125 mm e 1 m de comprimento. Depois de introduzir ácidos também podem ser feitos para remover no poço um fio com espoletas acopladas em incrustações em filtros e tubos de revestimento diferentes profundidades, e nos pontos onde se de poços. planeja colocar o explosivo, os pacotes cilíndricos Uso de explosivos - a utilização de explosivos de explosivos são colocados no poço e recobertos em poços é também uma técnica de estimulação por 30 a 60 litros de areia média para atuar de zonas aqüíferas fissuradas que pode produzir como impactante no sistema de fissuras. Esta bons resultados se os procedimentos de impacto seqüência de explosivos e areia é repetida até uma forem apropriados para o tipo de rocha, diâmetro profundidade não muito próxima da base do tubo e profundidade do poço. Existem, porém, muitos de revestimento superior do poço, para evitar que fatores desconhecidos e por isso é, geralmente, esse tubo seja lançado para fora do poço após o difícil prever em que circunstâncias uma explosão impacto da explosão. Freqüência de Aqüífero Principais problemas manutenção requerida Carreamento de silte, argila e areia; precipitação de óxido de ferro; Aluvial incrustação de filtros; lodo biológico; falta de recarga; danos no 2-5 anos revestimento. Obstrução de fissuras; rompimento de revestimento; carreamento de areia; Arenito 6-10 anos corrosão. Calcário Obstrução de fissuras por argila, silte e precipitação de carbonatos. 6-12 anos Basalto Obstrução de vesículas e fissuras por argila e silte; deposições. 6-12 anos Alternância de Baixa vazão inicial; obstrução do aqüífero por argila e silte; obstrução de 4-7 anos folhelhos e arenitos fissuras; rompimento de revestimento; falta de recarga. Baixa vazão inicial; obstrução de fissuras por argila e silte; mineralização Rocha metamórfica 12-15 anos de fissuras. Sedimentos Obstrução de fissuras por ferro ou outros minerais; vazão inicial fraca a 6-8 anos consolidados média. Carreamento de argila, silte e areia; incrustação nas ranhuras dos filtros Sedimentos pouco em camadas de areia e cascalho; obstrução de fissuras em calcários consolidados e 5-8 anos intercalados com níveis de areias, cascalho, silte e argila; lodo biológico; consolidados precipitação de ferro. Tabela 6.1.10 - Principais problemas que afetam o desempenho de poços tubulares em vários tipos de aqüíferos e freqüências típicas de manutenção necessárias (Gass et al. apud Driscoll, 1987). 447 Cap_6.1_FFI.indd 19 9/12/2008 21:51:36 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços 6.1.5 Reabilitação e Manutenção de • Qual é a profundidade total do poço? Poços Tubulares • Qual é a eficiência do poço? • Qual é a taxa normal de bombeamento e quantas Define-se a reabilitação de um poço como sendo horas o poço opera por dia? a sua restauração às suas condições mais eficientes • Qual é a tendência geral de evolução dos níveis de trabalho, por meio de vários tratamentos, usando, inclusive, técnicas de reconstrução. A necessidade de d’água de poços na área? reabilitação de um poço depende da freqüência e da • Qual é a magnitude das interferências (rebaixamento) eficiência do programa de manutenção. verificadas no poço produtor devido ao bombeamento Um programa eficiente de manutenção de um de poços vizinhos? poço começa com uma análise das fichas técnicas Caso se note uma variação significativa nas elaboradas após a sua construção e testes de variáveis envolvidas em qualquer uma das 7 (sete) bombeamento. Essas fichas permitem avaliar o primeiras perguntas, em relação às condições iniciais, perfil litológico e construtivo, os tipos de materiais de significa que o poço ou a bomba exigem atenção. revestimento e filtros utilizados, a qualidade da água Novos testes de bombeamento e recuperação, e, sobretudo, a capacidade específica do poço. Muito por exemplo, devem ser conduzidos tanto quanto importante é o conhecimento da história operacional de possível, nas mesmas condições (vazão e tempo de cada poço (registros das variações do nível dinâmico e bombeamento) dos testes originais, para se poder da vazão com o tempo), bem como as informações de comparar os resultados. de outros poços existentes na mesma área de captação Hoje em dia, o armazenamento de dados completos de um determinado aqüífero. de qualidade da água, de testes de produção e de É preciso estabelecer uma rotina de monitorização condições operacionais de poços tubulares pode ser das condições operacionais do poço e da bomba, para feito a baixo custo usando microcomputadores. Dessa evitar que a deterioração de um ou de outro chegue maneira, os dados podem ser mantidos facilmente a um ponto que torne impossível a recuperação. atualizados, tornando-se de grande utilidade quando Por exemplo, a experiência mostra que quando algum serviço de manutenção se fizer necessário. a capacidade específica de um poço sofre uma Na tabela 6.1.10 estão indicados os problemas redução de 25%, já é tempo de iniciar um trabalho mais importantes que afetam o desempenho de poços de reabilitação. Caso contrário, os prejuízos poderão tubulares com o tempo, em vários tipos de aqüíferos, e ser muito maiores e onerar bastante os custos de as freqüências de manutenção julgadas necessárias, manutenção. em sistemas de abastecimento d’água municipal (Gass O desempenho de cada poço é caracterizado et al. apud Driscoll, 1987). As estimativas da freqüência pela ficha técnica do teste de produção realizado de manutenção admitem que: depois de concluída a perfuração. Esse teste é a base para a definição da bomba a ser instalada e • os poços são bombeados continuamente, com a das respectivas condições de explotação. Usando maior vazão possível; a capacidade específica avaliada no teste como • a manutenção é necessária quando a vazão do referência, é possível se detectar, com base nos poço diminui até 75 % da vazão inicial de serviço; dados do monitoramento, qualquer redução de • o custo da manutenção é estimado em 10% do produtividade durante a operação do poço e contratar custo de substituição do poço; e serviços de reabilitação e limpeza, adequados para a sua reabilitação. • os poços são construídos usando a tecnologia Assim, para evitar falhas na operação do poço e disponível no mercado. conseqüentes faltas de água, é preciso exercer um As freqüências indicadas são provavelmente controle permanente de suas condições operacionais, maiores do que aquelas que se poderia recomendar se de modo a responder, em qualquer instante, às os poços fossem construídos usando a mais avançada seguintes questões: tecnologia em termos de materiais empregados e de • Qual é a profundidade do nível estático? métodos construtivos. • Qual é a vazão do poço, após um dado período de Principais Causas da Deterioração de Poços bombeamento contínuo? • Qual é a profundidade do nível dinâmico, após um Dentre as principais causas que podem ser dado período de bombeamento contínuo? apontadas como responsáveis pela deterioração do • Qual é a capacidade específica, após um dado desempenho de poços produtores em sistemas de período de bombeamento contínuo? abastecimento de água, mencionam-se: • Qual é o teor de areia numa amostra de água após Queda de Produção - pode resultar de incrustação um dado período de bombeamento contínuo? química nos filtros ou de carreamento de materiais 448 Cap_6.1_FFI.indd 20 9/12/2008 21:51:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações da formação geológica pela bomba. Esses tipos e seus constituintes iônicos dissolvidos encontram-se, de problemas podem ser controlados por meio de geralmente, em um estado de quase equilíbrio com o manutenção preventiva. Existem, todavia, outros ambiente onde circulam. O bombeamento da água problemas que podem reduzir a vazão de um poço do poço altera a condição natural de equilíbrio e pode e não podem ser controlados, como é o caso de dar lugar à precipitação de materiais relativamente uma redução das condições naturais de recarga em insolúveis a uma taxa diretamente proporcional ao aqüíferos aluviais, devido a estiagens prolongadas. rebaixamento produzido. As principais formas de Ou, simplesmente, por diminuição da transmissividade, incrustação podem incluir materiais duros, gelatinosos caso se trate de um aqüífero livre. Uma outra causa pode ou lodosos, como por exemplo: ser o aumento das interferências produzidas por poços • incrustações oriundas de precipitações de produtores, situados na mesma área de explotação. carbonatos de cálcio e magnésio e de seus Obstrução das Ranhuras dos Filtros por Partículas sulfatos; Finas Oriundas do Aqüífero - partículas muito finas, em • incrustações de precipitações de compostos de formações pouco consolidadas, podem ser deslocadas ferro e manganês, principalmente hidróxidos ou em suspensão do aqüífero para o poço durante os óxidos hidratados; e ciclos de bombeamento, ficando acumuladas nas ranhuras dos filtros causando obstrução. • obstruções causadas por bactérias de ferro e por outros organismos produtores de lodos. Carreamentos de Areia - existem poços com problemas de desenvolvimento incompleto ou, Para reduzir a incrustação, as velocidades de mesmo, com defeitos construtivos, nos quais sempre entrada devem ser diminuídas, e, portanto, a redução se verifica a presença de areia na água bombeada. da vazão deve ser compensada aumentando-se o Também existem poços inicialmente perfeitos que número de horas por dia de operação do poço. Além começam a bombear areia após alguns meses ou, disso, a freqüência dos serviços de manutenção e mesmo, alguns anos de serviço. Uma corrosão limpeza deve ser maior. Tratamentos com ácidos pontual, por exemplo, em um filtro ou revestimento (muriático, sulfâmico, hidroacético etc) e procedimentos do poço pode acelerar as velocidades de entrada mecânicos de remoção (uso de escova de aço na parte nesses pontos. A ação mecânica dos grãos de areia interna do filtro) são os meios geralmente usados para carreados, tende a erodir e ampliar as aberturas remoção de incrustações. nos pontos corroídos, permitindo a passagem de grãos de areia cada vez maiores pelos filtros. Em Bactérias de Ferro alguns arenitos cimentados, a remoção do cimento pela água que flui para o poço pode enfraquecer a As bactérias de ferro ocorrem, principalmente, ligação natural entre os grãos a ponto de gerar um em poços cuja água contém teores elevados de carreamento de areia. ferro e manganês associados com matéria orgânica dissolvida, bicarbonato e dióxido de carbono. É no Colapso do Revestimento - esse tipo de problema processo de oxidação dos íons ferrosos para íons é geralmente produzido por águas de pH muito baixo férricos que as bactérias obtêm a sua energia e (águas ácidas) e com teores muito elevados de desenvolvem-se. A precipitação do ferro e o rápido resíduo seco e de dióxido de carbono, que combinam crescimento das bactérias criam rapidamente grandes e geram corrosão eletrolítica no revestimento abaixo volumes de materiais mucilaginosos que obstruem do nível estático. as aberturas das ranhuras dos filtros. Em casos Condição da Bomba - o desempenho e a vida útil extremos, um poço pode ser totalmente obstruído da bomba podem ser comprometidos no decorrer do em poucos meses (Driscoll, 1987). A prevenção e tempo por corrosão (em águas ácidas) ou por defeitos tratamento de bactérias de ferro requerem a utilização, construtivos do poço que resultem em carreamentos pelos perfuradores, de uma concentração de 10 mg/L de areia, aos quais os componentes da bomba são de cloro livre residual no poço. O material do pré-filtro particularmente sensíveis. deve ser misturado com hipoclorito de cálcio seco antes da sua instalação ou, então, misturado com Incrustações água clorada, durante a sua introdução no poço através de funil e tubulação. A ocorrência de incrustações químicas e biológicas nos filtros, dependendo da qualidade da água, pode Corrosão ser uma das principais causas de redução da vida útil de poços tubulares. A taxa de avanço do processo de Os processos de corrosão, que afetam os incrustação também depende do tipo de material do equipamentos metálicos utilizados nos poços tubulares, filtro. Por exemplo, em filtros metálicos de superfície podem reduzir severamente a vida útil dessas obras rugosa o processo é mais intenso. As águas naturais de captação das seguintes maneiras: 449 Cap_6.1_FFI.indd 21 9/12/2008 21:51:37 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços • aumentando as ranhuras dos filtros ou produzindo ou por enroscamentos das peças uma a uma, quer furos no revestimento através dos quais a areia com luva e rosca, quer apenas com roscas entre penetra no poço; as juntas (sem luva). A escolha do tipo de conexão • diminuindo a resistência dos materiais de é importantíssima no que se refere à resistência à ferro utilizados no poço, o que culmina com o tração e estanqueidade da coluna. Itens das roscas rompimento de filtros e revestimentos; tais como qualidade, praticidade de enroscamento e resistência ao amassamento dos fios, devem ser • bloqueando as ranhuras dos filtros com a deposição também considerados, já que implicam em maior dos produtos da corrosão e reduzindo a vazão do segurança operacional, menor tempo de operação e, poço; e conseqüentemente, menor custo de operação. • produzindo água de baixa qualidade ou contaminada Geralmente, no mercado de tubos e filtros para pela corrosão dos revestimentos e filtros. a captação de água subterrânea, é mais comum encontrarem-se roscas redondas de 8 fios/pé. Este Manutenção da Bomba tipo de rosca, além de ser sensível ao amassamento dos fios, tem o inconveniente de implicar em repetições As bombas de poços muitas vezes trabalham em do início de enroscamento e de exigir um maior condições físico-químicas bastante diferentes das número de voltas para o completo enroscamento ideais e, por isso, requerem constante vigilância, e desenroscamento; por conseqüência, um maior devendo as suas condições de funcionamento serem tempo de operação e exposição ao acidente. Por estes permanentemente avaliadas através das seguintes motivos e para melhoria das resistências à tração e questões: A bomba opera de acordo com a sua curva estanqueidade, foram desenvolvidos tipos especiais de roscas e luvas na área de petróleo e gás. padrão original?; O motor aquece excessivamente?; O A existência das luvas na coluna de revestimento nível de ruído aumentou?; O consumo de óleo do motor restringe o espaço anular e exige um maior diâmetro aumentou?; Existe vibração excessiva?; Existem ruídos de perfuração para evitar problemas com a injeção de de cavitação ou outros barulhos estranhos? pré-filtro. O incremento dos diâmetros de perfuração tem como conseqüência direta o aumento dos custos. 6.1.6 Contribuições da Indústria do Daí porque algumas empresas de perfuração utilizam Petróleo à Engenharia de Perfuração conexões do tipo rosca sem luva. Isto foi viabilizado originalmente pelo Engo. Herbert Pires de Resende, e Tipo de Material da Coluna de Revestimento atualmente é comum a confecção de roscas especiais pino (macho) e caixa (fêmea), em pedaços de tubos de (Inox, Galvanizado, Aço Carbono, PVC) 40 a 50 cm, cortados de tubos idênticos ao que será É de grande importância a adequação do tipo de usado na coluna e soldados nas duas extremidades material dos tubos e filtros às condições reinantes dos tubos. Estas roscas especiais, com 4 a 5 fios por no aqüífero, tanto do ponto de vista dos ataques polegada, são uma adaptação, por ele, para diâmetros químicos, como no que se refere à atuação de bactérias superiores a 8”, das roscas, desenvolvidas pela DCDMA (Diamond Core Drilling Manufacturer Association) para isoladamente ou em processo de simbiose entre elas. as tubulações de hastes e revestimentos usadas para O melhor procedimento é submeter as análises de a perfuração rotativa a diamante na pesquisa mineral. água a um laboratório especializado para definir qual A DCDMA só desenvolveu roscas para diâmetros até dos materiais citados é o mais resistente à água que 8”. Desta forma, a não existência dos ressaltos das será bombeada, no tempo de pretensão de vida útil do luvas, permite a utilização de diâmetros de perfuração poço. De uma maneira geral, havendo a exeqüibilidade bem menores e mais baratos. da utilização de material plástico (PVC) na tubulação, este é preferível, pelo fato de ser quase totalmente inerte à ação das bactérias e à maioria dos compostos Comprimento mais Econômico das Juntas e reações químicas. Mas, como os plásticos são muito (Revestimentos e Tubos) sensíveis à radiação solar, devem ser bem protegidos A fim de evitar as perdas de pedaços de tubos da insolação durante o armazenamento antes da no momento do corte dos revestimentos, durante a perfuração e durante a construção do poço. fabricação, foram definidos na indústria de petróleo e seguidos pelos fabricantes dos equipamentos Tipos de Conexão da Tubulação de rotativos, três faixas (ranges) de comprimentos de Revestimento (Rosca ou Solda) tubos conforme descrito no item 6.1.3. Desta forma, o custo final do tubo fica bem menor. Em conseqüência, Tanto no caso dos tubos de PVC, como de ligas os projetos das torres e mastros das sondas, também de aço (carbono, galvanizado e inoxidável), as foram adaptados a estes comprimentos. Cada modelo conexões entre tubos/tubos e tubos/filtros podem ser de sonda está dimensionado para operar com 1, 2 ou, feitas por soldagem (ou colagem) das extremidades até, 3 tubos, conforme o range selecionado. 450 Cap_6.1_FFI.indd 22 9/12/2008 21:51:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Esforços de Tração Incidentes sobre a máxima tração a que um tubo de revestimento pode Coluna de Revestimento ser submetido corresponde ao menor valor entre a tração de escoamento do corpo do tubo e a tração de No caso da produção de água subterrânea, conexão. Na prática, considera-se o valor dado pela os esforços mais importantes incidentes sobre os fórmula abaixo como limite de tração: revestimentos (mais críticos durante a completação), são: a tração devida ao peso da própria coluna, maior TY = 0,7854(D 2 2 e − Di )YP (6.1.9) em seu ponto mais superior, e a pressão de colapso, sendo, TY a tração limite de escoamento do corpo do tubo que aumenta com a profundidade da coluna. Colabora (lb) e Y o limite de escoamento mínimo do aço (psi). neste processo o peso específico do fluido contido P no poço durante a descida, bem como o do cimento Cálculo da Pressão de Colapso (Pc) - a pressão durante o processo de cimentação. de colapso durante a completação deve-se ao A forma segura de projetar uma coluna para um poço diferencial de pressão hidrostática, do anular para o é comparar as resistências à tração e ao colapso dos interior do tubo, provocado pela eventual diferença tubos de revestimento, com os esforços a que eles serão de peso específico do fluido existente fora e dentro submetidos ao serem instalados no poço. Os passos do tubo (situação mais crítica durante a injeção de seqüenciais a serem dados são descritos a seguir. pré-filtro, com o cascalho em suspensão, e ao final do Peso do tubo por unidade de comprimento deslocamento da pasta de cimento, quando usando (kgf/m) - o peso por metro de comprimento dos colar flutuante, com o maior comprimento da coluna tubos de perfuração e revestimentos é fornecido pelos de cimento no anular). fabricantes, através de tabelas. No caso da inexistência pC = phanul − phint = (ianul. za ) − (iint . za ) (6.1.10) desta informação, no momento do dimensionamento da coluna, pode-se calculá-lo da seguinte forma: sendo, pC a pressão de colapso (tf/m 2), phanul a 2 Tubos de aço - o peso (P ) por unidade de pressão hidrostática no anular (tf/m ), phint a pressão U comprimento pode ser obtido por: hidrostática no interior da coluna (tf/m 2), ianul o gradiente hidráulico no anular (tf/m2/m), iint o gradiente hidráulico gaço π 2 2 (6.1.6) no interior da coluna (tf/m 2/m) e za a profundidade do PU = (De − Di )4 ponto em análise (m). sendo, P o peso por unidade de comprimento do tubo Durante a injeção do pré-filtro, deve-se considerar U (tf/m), g o peso específico do aço = 7,6 tf/m3, D o o aumento do peso específico no anular, devido ao aço e diâmetro externo do tubo (m) e D o diâmetro interno cascalho em suspensão, neste caso:i do tubo (m). PCAS +PÁGUA +PADIT Peso da coluna no ar ranul = V + V + V (6.1.11)CAS ÁGUA ADIT PCAR = Pu h (6.1.7) sendo, ranul a densidade do fluido no anular (tf/m 3), Peso da coluna flutuando PCAS, PÁGUA e PADIT os pesos do cascalho em suspensão no anular, da água e dos aditivos (tf), respectivamente, P 2 2CFL = π(g a;o − rfluido )(De − Di )h (6.1.8) VCAS, VÁGUA e VADIT os volumes do cascalho em 3 sendo, PCAR o peso da coluna no ar (tf), PCFL o peso da suspensão no anular, da água e dos aditivos (m ), coluna flutuando (tf), rfluido a densidade do fluido de respectivamente. perfuração ou completação (tf/m3) e L o comprimento Durante e após a colocação do pré-filtro no anular, da coluna de revestimento (m). a pressão de colapso deve-se à própria compressão dos filtros pelo cascalho. Durante o bombeamento Tubos de PVC - tubos plásticos como são leves, do poço, é causada pela diferença de pressão podem ser pesados em qualquer balança comum, hidrostática que se expressa pelo rebaixamento do dividindo-se o peso total medido, pelo comprimento poço ao ser bombeado. da peça pesada. Cálculo da Resistência ao Colapso da Coluna - Revestimentos de Aço - Análise dos Esforços de como a pressão de colapso é função da profundidade, Tração na Coluna o ponto de maior probabilidade de colapso de um tubo se localiza no ponto mais profundo da coluna. A norma Cálculo da Resistência à Tração do Tubo (PY) API BULL SC3 define quatro tipos de colapso possíveis - no caso da tração, o ponto de maior probabilidade de ocorrer em um tubo de revestimento de aço, os de rutura está localizado no primeiro tubo da coluna, quais variam em função da geometria do tubo (D/t ou de cima para baixo, e no seu ponto mais superior, no diâmetro nominal/espessura), da parede e do grau ponto de acoplamento do elevador. De acordo com o do aço empregado na sua fabricação: i) colapso de API (American Petroleum Institute), norma API 5C3, a escoamento; ii) plástico; iii) de transição; iv) elástico. 451 Cap_6.1_FFI.indd 23 9/12/2008 21:51:37 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços A razão D/t define o ponto de transição de um para B = 0,026233 + 0,50609 × 10−6 Y (6.1.20) outro tipo. A configuração dos colapsos é a seguinte: P C = −469,93 + 0,030867YP − (6.1.21) 0,10483 × 10−7 Y 2P + 0,36989 × 10 13 Y 3P  33(B A)  46,95 × 106  + ( )2 B A  Os procedimentos para o cálculo do limite de F = 2 (6.1.22) resistência dos tubos são:  3(B A) ( ) 1− 3(B A)YP  − B A+ ( )  ×  • calcular o D/t do revestimento; 2 B A   2 + (B A)  • calcular os (D/t) de índices YP, PT e TE e verificar em que tipo de colapso o D/t do tubo se enquadra; G = F(B A) (6.1.23) • aplicar a fórmula específica para o tipo de escoamento. A resistência ao colapso de um tubo em um ponto é também função da tração sofrida pelo tubo Fórmulas para cálculos naquele ponto. O efeito da tração na resistência ao colapso pode ser calculado empregando-se a curva ( − 2  C A 2) + 8 B + de tensão:  Y  (D t)YP =  P  + (A − 2) (6.1.12) X2 + XY + Y2 = 1 (6.1.24)  C  2B+ Y  sendo, X = Força de tração (em lb) / Resistência .à  P  tração do tubo (em lb); Y = Resistência ao colapso com tração (em psi) / Resistência ao colapso sem tração YP (A − F) (em psi). O valor de Y pode ser obtido da equação (D t)PT = ( ) (6.1.13)C + Y (6.1.25):p B − G −X ± X22 + (B A) − 4(X2 − 1) = Y = (6.1.25)(D t)TE (6.1.14)3B A 2 Colapso de Escoamento (pYp) Exemplo 6.1.1 - Determinar a resistência ao colapso de um tubo de 7”, 29 lb/pé, grau P-110, submetido a uma tração de 418.050 (D t) − 1 lb, cuja resistência ao colapso é de 8.510 psi. PYP = 2YP   (6.1.15)  (D t) 2  Solução: Colapso Plástico (pP) = Força de tração (lb)X = 418.050 = 0,45 Resistência à tração (lb) 929.000  A  PP = YP  − B − C (6.1.16) (D t)   −0,45 ± 0,452 − 4(0,452 −1) Y = = 0,696 2 Colapso de Transição (pT) Resistência ao Colapso com Tração = 8.510.0,696 = 5.923 psi  F  PT = YP  − G (6.1.17) (D t)  Resistência à Tração em Revestimentos de PVC Para os revestimentos de PVC, as fórmulas Colapso Elástico (pE) específicas são apresentadas nos catálogos dos 46,95 × 106 fabricantes ou fornecidas por eles quando solicitadas. PE = ( ) 2 (6.1.18) Ao contrário dos tubos de aço utilizados em poços para (D t) D t − 1 a produção de água, que geralmente utilizam a mesma tecnologia desenvolvida para petróleo, os tubos de PVC Parâmetros A, B, C, F e G (apesar das pesquisas desenvolvidas nos últimos 20 anos) ainda não possuem conexões, por rosca, que A = 2,8762 + 0,10679 × 10−5 Y + tenham resistências próximas às resistências dos P (6.1.19) −10 2 −16 3 corpos dos tubos (que já são muito menores que as 0,21301× 10 YP − 0,53132 × 10 YP dos tubos de aço). Alguns tipos de conexão de boa 452 Cap_6.1_FFI.indd 24 9/12/2008 21:51:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações resistência à tração foram conseguidos, mas com Os Diâmetros de Perfuração na Indústria diâmetros bem maiores que o corpo do tubo, trazendo do Petróleo como conseqüência a necessidade do aumento dos diâmetros de perfuração ou, em caso contrário, até a A indústria do petróleo, a partir das normas técnicas inviabilização das operações de injeção de pré-filtro. para os diâmetros de revestimentos, definiu os Algumas colas existentes no mercado permitem, nas diâmetros para a etapa de perfuração, os quais, além conexões tipo “ponta e bolsa”, a “fusão” das duas dos aspectos técnicos, procuram atender, também, peças chegando-se à mesma resistência à tração do aos aspectos comerciais. Um quadro mostrando corpo do tubo; o artifício de usar essa cola nas roscas uma relação de diâmetros de revestimentos e brocas também leva a bons resultados, embora persista a comerciais é apresentado em sequência. pouca resistência do próprio material. Essas têm sido as limitações do revestimento de poços com PVC. DIÂMETROS COMERCIAIS Aconselha-se obter dos fabricantes os valores de Revestimentos Brocas resistência à tração, tanto no corpo, como na conexão. 24”, 26”, 28” e 30” 36” A resistência ao colapso deve ser calculada a partir das fórmulas e especificações de material fornecidas 20”, 18 5/8” e 16” 26” pelos fabricantes. 13 3/8”, 11 3/4” e 10 3/4” 17 ½” 9 5/8” e 8 5/8” 12 ¼” Esforços Incidentes sobre os Filtros 8 5/8”, 7 5/8” e 7” 10 ¾” No caso dos filtros, três situações se apresentam: 6 5/8”, 5 1/2” e 5” 8 ½” e 8 ¾” Filtros Ranhurados - tanto a resistência à tração 4 1/2”, 4” e 3” 6 ¾” como ao colapso, devem ser calculados como para Observações: tubos e os resultados, diminuídos do percentual de área aberta. No exemplo anterior, supondo-se um filtro (a) note-se que à medida que o diâmetro do revestimento confeccionado com aquele tubo e com uma área aberta cresce, torna-se maior a folga do espaço anular; de 12%, a resistência ao colapso seria igual a 5.923 * isto se deve à maior rigidez dos revestimentos de (100-12)/100 = 5.212 psi. maiores diâmetros, os quais têm espessura de parede maior por conta das maiores resistências Filtros tipo Johnson - como estruturalmente a necessárias à tração e ao colapso; resistência à tração deste tipo de filtro é dada pelas hastes verticais da armação, a resistência à tração (b) o diâmetro de perfuração deve atender, também, ao será igual ao cálculo da resistência à tração de uma método de injeção do pré-filtro definido no projeto de haste vertical, multiplicada pelo número de hastes da completação; os métodos por injeção bombeada de armação do filtro. A resistência ao colapso é obtida cascalho permitem espaços anulares menores; o pelo fabricante a partir de um teste de laboratório método de colocação por gravidade é o que necessita envolvendo-se a parte filtrante do filtro com um material maiores anulares, enquanto a injeção por circulação impermeável e altamente resistente e aplicando-se reversa admite anulares com até 1”, dependendo do pressão até o colapso do filtro. É informada por ele fluido de completação empregado; sempre que solicitada. Na especificação dos filtros (c) os comprimentos das fases de perfuração deve-se estipular o diâmetro das hastes em função dos devem ter pelo menos 1 m a mais que o esforços que o filtro sofrerá na coluna (comprimento comprimento da coluna de revestimentos ou da seção filtrante e número de revestimentos abaixo filtros correspondentes, para compensarem a do primeiro filtro da coluna) e a pressão de colapso. elongação e nunca tocarem no fundo do poço, O ponto crítico estará localizado no topo do primeiro evitando eventuais flambagens da coluna que filtro, para o caso da tração, e na base do último, para possam implicar em complicações com bombas o caso do colapso. ou qualquer ferramenta utilizada em futuros Filtros de PVC - a resistência à tração deve ser trabalhos de manutenção do poço. calculada como para os tubos de PVC e o resultado, diminuído do percentual de área aberta do filtro. Assim Código IADC para Brocas, Bits e como para os filtros de aço, supondo-se um filtro de Trépanos PVC ranhurado, confeccionado a partir de um tubo de PVC com uma resistência à tração de 1 ton e com uma A fim de facilitar o dimensionamento e especificação área aberta de 8%, a sua resistência à tração será de das brocas, o IADC e a API aprovaram uma norma de [(100 – 8)/100] x 1 = 0,920 Kgf. A resistência ao colapso classificação universal de brocas, denominado Código deverá ser fornecida pelo fabricante. As resistências a IADC, pelo qual se pode especificar um determinado tipo estes esforços têm valores muito baixos. de broca em função das características da rocha. 453 Cap_6.1_FFI.indd 25 9/12/2008 21:51:37 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços Em uma compra de broca, informando-se apenas quanto mais peso se aplicar sobre ela, maior será a o código IADC requerido, qualquer fabricante pode taxa de penetração. Algumas rochas com durezas identificar imediatamente seu modelo equivalente. O idênticas apresentam diferentes resistências à broca; código IADC é um código alfa numérico composto daí a definição, em perfuração, da característica de de 3 algarismos e uma letra. Cada algarismo e a “perfurabilidade” das rochas. A recíproca com relação letra definem uma especificação, como mostrado na à dureza também não é verdadeira: nem sempre figura 6.1.27. uma rocha mole permite uma alta ou até, às vezes, moderada taxa de penetração. Exemplo 6.1.2 - Definir uma broca de rolamento selado para perfurar um arenito duro. Hidráulica de Fundo de Poço - a explicação para a) Primeiro algarismo: Série - média (de alta perfurabilidade): 2 o acima exposto é que a cada taxa de penetração b) Segundo algarismo: Tipo - Duro: 4 deverá corresponder uma eficiente limpeza da c) Terceiro algarismo: Modelo - rolamento selado: 4 zona de corte da broca e o imediato transporte dos cortados até a superfície. Nas rochas moles, como a d) Letra: Complemento - sem detalhamento adicional: S broca encontra facilidade de corte, ela corta e avança Solução: Código IADC 2-4-4-S imediatamente; para que ela continue avançando é necessário que ao dar um giro de corte, o fluido de perfuração limpe imediatamente o fundo do poço, Características da Coluna de Perfuração para que no próximo giro a broca corte novo material e Dimensionamento da Coluna de Perfuração não mais encontre o material já cortado, efetuando um - teoricamente, dever-se-ia dimensionar também a re-corte do mesmo, isto é, não avançando. Por outro coluna de perfuração, mas na prática isto é inviável, lado, quanto mais plástico for o material cortado, mais porquanto a vida útil de uma coluna de perfuração é dificuldade tem o fluido para removê-lo, obrigando, de anos e, considerando o seu custo, não é factível ter portanto, a uma diminuição do peso sobre a broca várias colunas para atender às diferentes geometrias. para que esta não atole, com conseqüente prisão da Procura-se, então, adequar os parâmetros hidráulicos ferramenta. Em resumo, quanto mais eficiente esta limpeza, quanto mais potência de bombeamento for e as características reológicas do fluido de perfuração, empregada, maior a taxa de penetração possível da de forma a se obter o melhor resultado em limpeza e broca. Por este motivo, costuma-se dizer que quem estabilidade do poço durante a perfuração. fura o poço é a bomba. Taxa de Penetração - a taxa de penetração de uma Peso Específico do Fluido - quanto maior o peso broca, que é a velocidade com que a broca avança específico do fluido, maior é a pressão hidrostática no dentro da formação, depende dos seguintes fatores: fundo do poço. Ao desmontar a rocha nos seus giros, tipo de rocha, eficiência da limpeza do fundo do poço a broca libera todos os esforços sobre o fundo dele, o (hidráulica), do peso específico do fluido de perfuração e que permite que a rocha relaxe naquela área e tenda a da combinação eficiente dos parâmetros mecânicos. explodir para dentro dele. A única resistência restante Tipo de Rocha - quanto mais dura for uma rocha, a esta explosão é a pressão hidrostática, que é função menor tende a ser a taxa de penetração; evidentemente, direta do peso específico do fluido de perfuração. Figura 6.1.27 - Código IADC para brocas, bits e trépanos. 454 Cap_6.1_FFI.indd 26 9/12/2008 21:51:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Parâmetros Mecânicos - quanto maior a rotação e o mais as perdas de carga, provocam uma pressão peso sobre a broca em uma rocha de alta perfurabilidade, hidrostática maior do que aquela resultante apenas maior é a taxa de penetração, se a hidráulica for eficiente. da densidade do fluido. À esta pressão resultante Já em uma argila muito plástica em que a hidráulica não corresponde um peso específico maior que o do esteja muito eficiente, a diminuição do peso e aumento fluido isoladamente. Este peso específico resultante da rotação resultam em melhora sensível na taxa de denomina-se “Peso Específico equivalente” e deve ser penetração. Em uma rocha extremamente dura, os controlado, porque representa a pressão real exercida choques dos impactos da broca com o fundo geram pelo fluido de perfuração à formação. ressonâncias que se transferem para altas vibrações Reologia do Fluido de Perfuração - a reologia trata na coluna, a ponto de danificar o equipamento. Nestes da deformação e do escoamento da matéria, quando casos, o aumento do peso combinado com a diminuição submetida a uma força (F). Em particular, a reologia da rotação permitirá uma taxa de penetração boa sem estuda as relações entre a tensão de cisalhamento acidentes. Foram desenvolvidos alguns métodos de (T) e a razão de cisalhamento ou deformação (R), cálculo de otimização dos parâmetros mecânicos, que definem as condições de escoamento de um dentre eles um dos mais usados, o OWN (Optimization fluido. A tensão de cisalhamento é dada por T = F/A of Weight and Rotation) necessita um programa e a razão de cisalhamento é expressa por R = V/H, computacional para a obtenção de resultados imediatos. sendo V o gradiente de velocidade (dv/dr) e H a Na prática, procura-se combinar valores até a obtenção altura da camada de fluido. A razão entre a tensão da melhor taxa; como regra empírica, o peso ideal sobre de cisalhamento (T) e a razão de cisalhamento (R) uma broca corresponde, em toneladas, a 2 vezes o é a viscosidade (m), ou m = T/R. Do ponto de vista diâmetro da broca em polegadas. Por exemplo, em reológico, os fluidos podem ser classificados em: uma broca de 8 ½” o peso sobre a mesma deve ser de 17 ton. A melhor rotação é a maior conseguida sem • Newtonianos, para os quais existe uma relação vibração excessiva do equipamento. linear entre a tensão de cisalhamento e a razão de cisalhamento T/R = C.m, onde C é uma constante Propriedades Reológicas do Fluido de que depende do sistema de unidades utilizado; e Perfuração no Espaço Anelar • Não-Newtonianos, para os quais a viscosidade varia com a razão de cisalhamento. Nestes pode- Denominado normalmente de lama, o fluido de se distinguir os (a) Plásticos, caracterizados por perfuração pode assumir, no anular, três regimes de terem um limite de escoamento LE e obedecem à escoamento: expressão (T – LE)/R = C.VP; (b) Pseudo-Plásticos, cuja viscosidade aparente diminui à medida que • Fluxo tampão, durante o qual o fluido escoa na aumenta a razão de cisalhamento R; e (c) Dilatantes, forma de massa rígida; indicado para o desloca- cuja viscosidade aparente aumenta com a razão mento das pastas de cimento no anular porque, de cisalhamento R. Os pseudo-plásticos e os como um sólido, vai removendo o reboco das dilatantes obedecem à expressão T = k.Rn, onde k e paredes do poço e do revestimento, promovendo n são constantes para cada fluido. Para os pseudo- uma aderência mais eficiente; plásticos, n < 1, e para os dilatantes, n > 1. • Fluxo laminar, no qual as moléculas do fluido se movem segundo linhas paralelas entre si e ao eixo Modelo Plástico de Bingham - nas perfurações em do fluxo, com a frente de fluxo em forma parabólica; poços de petróleo são usados diferentes tipos de fluidos, este é o fluxo desejado no espaço anular durante plásticos, pseudo-plásticos e dilatantes, com diferentes a perfuração, porque erode menos as paredes do tipos de dispersantes e aditivos. Para os casos em que poço, mantendo a estabilidade; e o dispersante é a água e os aditivos principais são a bentonita e os polímeros, como os fluidos utilizados para • Fluxo turbulento, em que as moléculas se a perfuração de poços para a produção de água, pode- movimentam irregularmente ao longo dos eixos se, com uma boa margem de segurança, considerá-los longitudinal e transversal. Este tipo de fluxo melhora plásticos e adotar para sua manipulação o Modelo a limpeza do poço, mas aumenta o perigo de Plástico de Bingham, que é o modelo mais simples e erosão das paredes (maior instabilidade) além de se baseia nas leituras a 600 rpm e 300 rpm obtidas com elevar o nível das perdas de carga no anular. Não é o viscosímetro Fann. Os fluidos Binghamianos podem indicado durante a perfuração; deve ser permitido, ser descritos pela expressão: T = LE + VP . R/300. A apenas, nos deslocamentos dentro da coluna de partir da adoção deste modelo, pode-se calcular a perfuração ou do revestimento. velocidade de retorno do fluido no anular como sendo: Peso específico equivalente - ao ser bombeado va = Q/16712 (Dp 2 – Dt2), em que va é a vazão de retorno pelo anular e retornar à superfície, no circuito fechado no anular em m/min, Q é a vazão da bomba em m3/ do sistema de lama de uma sonda, o fluido de min, Dp é o diâmetro do poço em m e Dt é o diâmetro perfuração incorpora os detritos cortados pela broca e do tubo, também em m, na profundidade em que se gera perdas de carga no anular. Os sólidos agregados, está calculando a vazão. 455 Cap_6.1_FFI.indd 27 9/12/2008 21:51:37 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços Propriedades Reológicas e Gelificantes dos os parâmetros reológicos, isto é, o fluido pode estar Fluidos de Perfuração - neste texto são informadas, exercendo atividades extremamente danosas ao poço resumidamente, estas propriedades, como obtê-las sem que se possa notar pela medida da viscosidade na prática e as mais importantes para o controle Marsh. De qualquer maneira, como sua medida é muito durante a perfuração. As propriedades reológicas fácil de ser obtida e o equipamento para consegui-la são: Viscosidade Aparente (VA), Viscosidade Plástica é baratíssimo e de simples operação, não deve ser (VP) e Limite de Escoamento (LE) e as gelificantes são desprezada, mas apenas utilizada como um dado a as Forças Gel ou Géis, inicial (GI) e final (GF). Estas mais no controle diário na sonda. Como idealizada propriedades podem ser facilmente obtidas na sonda por Marsh, corresponde ao tempo, em segundos, com a utilização de viscosímetros Fann, componentes necessário para a passagem de 1 litro do fluido através dos laboratórios de campo para sondas, comuns e de de um funil denominado funil Marsh (figura 6.1.12b). Os simples manuseio. Cada uma destas propriedades fluidos geralmente usados para poços d’água têm a imprime uma função específica ao fluido, porém, as viscosidade Marsh variando entre 35 a 70 seg. Marsh, mais importantes para fluidos de perfuração em que o dependendo dos tipos e quantidades dos aditivos dispersante é a água, tanto à base de bentonita como utilizados. de polímeros, são: Teor de Areia - corresponde à quantidade de material • Viscosidade Aparente (VA = L600/2) - expressa sólido inerte (que não tem atividade química ou elétrica, em centipoises - indica a ação de todas as outras como, por exemplo, as argilas montmoriloníticas, propriedades. Corresponde à viscosidade do fluido. uma delas a bentonita) contido no fluido, geralmente A viscosidade do fluido é que permite que um fluido areia, e é expresso em % de sólidos. Geralmente é cumpra atividades importantes no poço, tais como proveniente da incorporação de parte dos cortados ao transporte dos cortados, refrigeração da broca, fluido. A partir de certo percentual, danifica as camisas transmissão à broca da potência disponível na e pistãos das bombas alternativas e provoca desgastes bomba, lubrificação da coluna, proteção das paredes acentuados aos rotores das bombas centrífugas. Com do poço contra o próprio fluido, entre outras. relação ao poço, também provocam certo dano às • Viscosidade Plástica (VP = L600 - L300) - também formações produtoras, na medida em que passam a expressa em centipoises, é responsável, entre fazer parte do reboco aderido às paredes; se deixados outras atividades, por manter os detritos em nos fluidos de completação, têm conseqüências suspensão. Junto com o limite de escoamento, são desastrosas, porquanto provocam a colmatação do os parâmetros cuja variação implica em variação pré-filtro. Geralmente aconselha-se mantê-lo próximo expressiva das perdas de carga, uma vez que são a 1% e nunca deixá-lo ultrapassar 3%. proporcionais a elas. Perdas de carga altas no Teor de Sólidos Totais - nunca levado em anular podem implicar em perdas de circulação. consideração pelos profissionais da perfuração de • Limite de Escoamento (LE = L300 - VP, expresso poços, é o mais danoso ao aqüífero e corresponde em lb/100pés2) - o aumento do limite de escoamento, ao teor de areia mais os demais sólidos, inertes aumenta a capacidade de transporte dos cortados ou ativos, dispersos no fluido. Podem ser simples pelo fluido de perfuração no anular. Em contrapartida, aditivos do fluido (bentonita, fargel, etc.), como ter aumenta as perdas de carga. sido incorporados por ele durante a perfuração. 2 A parte mais fina, de difíci l separação pelos • Gel Inicial e Final (lb/100pés ) - valores elevados desareadores e dissiltadores, é a que mais danifica dos géis facilitam a manutenção dos cortados em o aqüífero e colmata o pré-filtro, quando o fluido suspensão, quando paralisada a circulação. de completação não é novo, mas apenas o de perfuração tratado. É expresso em % de volume Propriedades Físicas e Físico-Químicas e facilmente medido com a retorta. Aconselha-se Importantes do Fluido de Perfuração manter a percentagem de sólidos finos (sólidos totais + teor de areia) abaixo de 1% e nunca maior Viscosidade Marsh - apesar do nome, não se que 0,5% para os fluidos de completação. Pode ser trata de uma viscosidade, é expressa em segundos, controlado substituindo-se parte do fluido cada vez que é a dimensão de tempo e não de viscosidade. que seu teor alcança níveis mais elevados. Além da É o parâmetro mais conhecido e a maioria dos agressão ao aqüífero e pré-filtro, podem ser ainda profissionais envolvidos com perfuração de poços citados como efeitos adversos: aumento do custo acredita ser a expressão da viscosidade dos fluidos. de manutenção do fluido; dificuldade de manter as Na verdade, não se trata de um parâmetro reológico, propriedades reológicas; aumento da probabilidade mas um parâmetro físico idealizado por Marsh para de prisão de ferramentas por pressão diferencial; dar uma idéia em campo do que está ocorrendo com redução da taxa de penetração; redução da vida útil a viscosidade do fluido. Para uma mesma medida de da broca e componentes das bombas e aumento das viscosidade Marsh pode-se ter inúmeros valores para perdas de carga no anular. 456 Cap_6.1_FFI.indd 28 9/12/2008 21:51:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Filtrado - corresponde à fração de dispersante do perfuração. Durante esta fase, podem ter ocorrido fluido que se infiltra nas formações porosas, dentre fenômenos que não foram percebidos devido à elas os aqüíferos, forçada pela pressão hidrostática no atuação do fluido de perfuração. Caso haja alteração ponto. Apesar do dispersante ser a água nos fluidos destas características, incorre-se na possibilidade em questão, este dispersante mistura-se com outros de instabilidade e conseqüentes acidentes durante elementos dos aditivos usados e das formações a completação, que é de extrema importância atravessadas, tornando-se altamente agressivo para para o sucesso da obra. É comum ocorrerem alguma formações. Também age negativamente quando desmoronamentos, perdas de circulação etc., durante em contato com folhelhos e argilas higroscópicas, a completação por este motivo. A “afinação” do fluido, provocando vários problemas durante perfuração e, geralmente feita apenas com a adição de água (que posteriormente, na completação. Deve ser mantido aumenta o volume do dispersante diminuindo o nos níveis mais baixos possíveis. Para seu controle volume dos aditivos), diminui o peso específico do foi desenvolvida uma prensa hidráulica que força a fluido e, conseqüentemente, a pressão hidrostática, passagem do fluido através de um filtro de papel. É modificando algumas características reológicas. A expresso em mL. É aconselhável manter o filtrado forma mais prática e barata para obtenção de um abaixo dos 10 mL. Acima de 15 mL, geralmente, as bom fluido de completação é utilizar o mesmo fluido conseqüências são altamente negativas, principalmente de perfuração (se é que este foi bem dimensionado), se estiverem sendo atravessados folhelhos. Como mas completamente novo, substituindo totalmente o no dispersante são dissolvidos todos os sais e utilizado durante a fase anterior. demais materiais solúveis existentes nas formações atravessadas, a análise química dele demonstrará as suas presenças, as quantidades e as correções que Referências deverão ser feitas durante a perfuração. AHRENS, T. P. Well design criteria. Water Well Journal, v.11, n. 9, 1957. Fluido de Completação AMERICAN Water Association. Ground Water- AWWA De uma maneira geral, tanto na bibliografia, como Manual M21. Denver, Colo., 1973. nos projetos de poços para a produção d’água, BLAIR, H. Well screen and gravel packs. Ground apenas são mencionados alguns cuidados com o Water, v. 8, n.1, 1970. fluido de perfuração para sua utilização na fase de CAMPBELL, M. D.; LEHR, J. H. Water well technology. completação do poço. Estes cuidados restringem- New York: McGraw-Hill Book Company, 1973. 681p. se à sugestão de “afinamento” da lama antes da descida do revestimento. O consenso geral é de que CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología Subterrá- diminuindo-se a viscosidade Marsh obtém-se um nea. 2. ed. Barcelona: Ed. Omega, 1983. 2 v. 2350 p. fluido mais limpo e facilita-se a injeção do cascalho. DRISCOLL, F. G. et al. Well-efficiency project yields De certa forma, a diminuição da viscosidade Marsh energy-saving data. Johnson Drillers’ Journal, promove diminuição em alguns dos parâmetros Minnesota, part.3, sept./oct. 1980. reológicos, facilitando a decantação dos sólidos inertes mais pesados incorporados à lama. Entretanto, DRISCOLL, F. G. Groundwater and Wells. 2. ed. apenas isto não garante a “limpeza” do fluido, porque Minnesota, 1987. 1.089 p. os sólidos mais finos em suspensão, provenientes dos GASS, T. E. et al. Manual of Water Well Maintenance aditivos (bentonita ou outro) utilizados nesta ou em and Rehabilitation Technology. Ada, Okla: Robert S. etapas anteriores, não decantam. Durante a descida da coluna de revestimento, devido ao aumento da Kerr Environmental Research Lab. 1987. 247 p. pressão de fundo, estes resíduos finos são injetados HUISMAN, L. Ground water recovery. Delft, The nas formações porosas existentes, entre elas o Netherlands: University of Technology, 1973. aqüífero que se pretende explotar, danificando-o KRUMBEIN, W. C.; PETTIJOHN, F. C. Manual of parcialmente. Pior ainda é o efeito de colmatação do sedimentary petrography. New York: Appleton- pré-filtro. Estas duas situações acarretam o aumento considerável das perdas de carga na formação e no Century-Crofts, 1938. 549p. pré-filtro (maior rebaixamento) durante a produção MABILLOT, A. Le forage d’eau - guide pratique. do poço. Por esta razão, o conceito de fluido de Saint Etienne, Loire: Edit Offset, 1979. completação deve ser considerado e difundido o PESSOA, M. D. Inventário Hidrogeológico Básico máximo possível. O fluido de completação, por uma do Nordeste. Folha n.18 – São Francisco –NE. Reci- questão de segurança na estabilidade do poço, deve ter as mesmas características reológicas e físico- fe: SUDENE, 1979. 237 p. químicas do fluido de perfuração utilizado, a fim de SÁ, J. U. Poços coletores com drenos radiais - dar continuidade à estabilização obtida durante a Projeto Experimental. Recife: CPRM, 1999. 457 Cap_6.1_FFI.indd 29 9/12/2008 21:51:38 Capítulo 6.1 - Projeto e Construção de Poços SÃO PAULO (Estado) - Secretaria de Meio Ambiente Manual de operação e manutenção de poços. CETESB, 1978. SMITH, R. C. Relation of screen design to the design of mecanically efficient wells. Journal American Wa- ter Works Association, v. 55, n. 5, 1963. TOLMAN, C. F. Ground Water. New York: McGraw- Hill Book Company, 1937. U. S. Environmental Protection Agency - USEPA. Manual of Water Well Construction Practices. Washington: Office of Water Supply, 1975. 156p. EPA-570/9-75-001 WALTON, W. Groundwater resource evaluation. New York: McGraw-Hill Book Company, 1970. 664p. WERNER, H.D.; SCHERER, T.F.; KAJER, T. O. Effects of irrigation well efficiency on energy-require- ments. Final report. Minnesota. U.S.Dept. of Energy, 1980. 111 p. EM-78-G-01-5131. 458 Cap_6.1_FFI.indd 30 9/12/2008 21:51:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.2 PErfIlaGEm GEofísICa aPlICada À ÁGua subtErrânEa Geraldo Girão Nery 6.2.1 Introdução ferramentas que usem princípios de medição elétrica, acústica, radioativa, térmica, mecânica etc., que se Ap erfuração de um poço tubular constitui- deslocam continuamente dentro do poço.se na última fase da prospecção da água Historicamente, entre a perfuração do primeiro poço subterrânea. Não obstante se disponha, nas de petróleo pelo coronel Drake, nos Estados Unidos, etapas anteriores da prospecção, dos mais avançados em 1859, até 1927, quando os irmãos Schlumberger métodos geofísicos e geológicos que possam sugerir a utilizaram, na França, o mesmo tipo de arranjo da mais promissora locação de um poço, é somente durante eletroresistividade de superfície, predominavam, na e após a perfuração do mesmo que se observará se os indústria do petróleo, avaliações por prognósticos. prognósticos foram ou não confirmados. Isto é, “acha-se” que a camada com o petróleo está É imprescindível que, logo aos primeiros metros entre x e y metros e assim por diante. A partir daquela perfurados, sejam realizados estudos para identificar data, a indústria passou a usar uma curva capaz de os vários tipos litológicos atravessados, localizar estabelecer correlações entre as camadas de poços os intervalos produtivos e avaliar seu potencial. vizinhos, identificar a litologia, auxiliar na confecção Os resultados obtidos por meio dos passos acima de mapas etc., além de definir potenciais camadas constituem a avaliação exploratória de um poço. portadoras de petróleo, com menos dificuldades. Os procedimentos para sua execução podem ser Pelo fato de registrarem somente as propriedades realizados tanto durante a perfuração, pela coleta das elétricas das rochas, os primeiros perfis foram amostras de calha, como logo após a perfuração, pela denominados, genericamente, de Perfis Elétricos perfilagem geofísica e testes de bombeamento. (Electrical Logs). Com o passar do tempo, foram A depender da profundidade, do tempo de sendo incorporados os radioativos, os acústicos, os perfuração, da pressão de bombeio e das propriedades mecânicos e outros mais. Daí ser conveniente o termo tixotrópicas do fluido de perfuração (lama), entre atual, e mais abrangente, Perfil Geofísico. outras variáveis, as amostras de calha, devido aos Uma operação de perfilagem bem programada e constantes desmoronamentos das paredes dos executada indicará os melhores aqüíferos, evitando o poços, não representam, na maioria das vezes, as posicionamento de filtros em lugares inadequados, profundidades referidas pelo sondador. Caso ocorram passíveis de colmatação ou impermeabilização. Deve- desmoronamentos, muitas camadas poderão mostrar se entender que o custo inicial aparentemente alto espessuras maiores do que as reais. de uma perfilagem, e a conseqüente possibilidade O que ainda se observa é que a maioria das de prolongamento da vida útil do poço, podem ser completações são realizadas “às cegas”, ocasionando traduzidos como um menor custo final do metro cúbico um sem número de intervenções precoces no poço, para de água produzida. limpeza e recuperação de equipamentos. Completação A perfilagem geofísica representou, em seus “às cegas”, significa dizer que o assentamento dos filtros primórdios, um avanço tecnológico para a indústria é realizado sem o apoio de um método científico, apenas do petróleo, razão de sua subordinação ao Instituto com as descrições das amostras de calha e do tempo Americano do Petróleo (API). Toda uma terminologia de perfuração, dados estes nem sempre confiáveis. mundial e tradicional foi instituída para as suas E o que vem a ser Perfilagem Geofísica de Poço? unidades, definições, incógnitas e variáveis, como no Dá-se o nome de Perfil a qualquer representação caso da letra grega Ø para simbolizar a porosidade gráfica que correlacione profundidades e quaisquer total das rochas. Todavia, por motivo de coerência com propriedades petrofísicas. Estas propriedades podem os demais capítulos deste livro, usou-se a letra η para ser registradas manualmente, como é o caso da designar esta importante propriedade petrofísica. Os litologia e/ou granulometria (obtidas com as amostras), perfis apresentados como exemplos foram editados, do tempo de perfuração etc., ou então, por meio de visando a melhoria dos aspectos didáticos do texto. 459 Cap_6.2_ FFI.indd 1 9/12/2008 21:54:10 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea 6.2.2 obtenção dos Perfis Na unidade laboratório, painéis dotados de complexos circuitos eletro-eletrônicos de medição, As rochas apresentam, entre si, dist intas contam, convertem e registram os sinais chegados. características mineralógicas (silicatos, carbonatos, A presença atual de computadores nas unidades sulfatos etc.), paleontológicas (conteúdo fóssil), físicas laboratório deve-se a fatores de ordem econômica (condutividade, velocidade acústica, densidade, e técnica, tais como: acelerar a rotina operacional; radioatividade etc.), texturais (granulometria, combinar sensores; possibilitar a interpretação no porosidade, permeabilidade etc.), cujas avaliações próprio poço e liberar o operador da perfilagem das e determinações são necessárias em estudos tarefas calibração e controle das operações, passando- hidrogeológicos. Todavia, os perfis geofísicos não as para o comando do computador. Eles também fornecem diretamente a porosidade, a permeabilidade, permitem que se “veja” um perfil sendo registrado a salinidade das águas intersticiais ou a argilosidade. no fundo do poço. É a operação em tempo real. De Na realidade, estas e outras propriedades petrofísicas qualquer modo, todas as companhias registram e são inferidas a partir dos parâmetros registrados pelos entregam aos clientes, os resultados da perfilagem sensores em forma de medições elétricas, acústicas, na forma analógica e em mídias, que podem ser radioativas, mecânicas etc. processadas em seus próprios computadores. Desta forma, a granulometria pode ser inferida por Na maioria das vezes, os perfis geofísicos são as intermédio da curva de Raios Gama. A porosidade únicas informações contínuas de um poço. Por serem pode ser quantificada com as medições do tempo passíveis de arquivamento permanente, eles funcionam gasto para uma onda elástica percorrer um certo como registros eficientes e duradouros, podendo intervalo de rocha. A permeabilidade absoluta pode ser reinterpretados à luz de novos conhecimentos ser inferida a partir da razão entre as resistividades hidrogeológicos, inexistentes na época de sua aparentes da formação, obtidas a diferentes raios de realização. Na realidade, os perfis geofísicos são as investigação. A salinidade da água intersticial pode ser impressões digitais de uma perfuração. quantificada a partir do potencial eletroquímico que se desenvolve espontaneamente nas camadas porosas. 6.2.4 a malha aPI para registro das A resistência mecânica de uma camada pode ser derivada a partir do maior ou menor desmoronamento Curvas dos Perfis do poço, em relação ao diâmetro da broca usada, e As curvas dos perfis são registradas continuamente assim por diante. em uma malha quadriculada com três pistas ou faixas. Cada faixa está dividida em 10 pequenas divisões 6.2.3 Equipamentos Essenciais para verticais de 1/4 de polegada e tantas horizontais a obtenção de um Perfil quantas forem necessárias para a representação da profundidade do poço. Uma estreita faixa, entre a primeira Para que seja possível a realização de um perfil, e a segunda, mostra as profundidades, em escalas são necessários vários equipamentos. Uns estão geralmente da ordem de 1:200 e 1:500. Existem curvas localizados na superfície, outros dentro do poço. O de perfis que são sempre apresentadas na primeira primeiro deles é o caminhão (ou unidade) laboratório. faixa (as de cunho litológico), outras na segunda ou na Neste, destaca-se o tambor do guincho contendo terceira e outras, ainda, na segunda e terceira faixas, um cabo revestido externamente por duas malhas nunca, entretanto, da primeira a terceira, atravessando helicoidais de fios de aço, dispostas em sentido inverso a faixa das profundidades. As curvas e suas escalas uma da outra para a segurança mecânica da operação quantitativas de registro, devem ser obrigatoriamente quanto à tração e torção. Internamente, o cabo consiste codificadas e identificadas na parte superior e inferior de 7 condutores isolados por borracha ou teflon, que das faixas, de modo a facilitar a visualização de cada são usados para enviar aos sensores (ou sondas) a uma delas. Quando são usadas escalas logarítmicas (caso específico dos perfis de resistividade), os ciclos corrente elétrica de alimentação e para transportar, de sempre são iniciados por 2 ou submúltiplo e terminam volta à superfície, os sinais (volts, pulsos por segundo sempre com um múltiplo de dois. etc.) recebidos das rochas. Alguns sensores emitem, a depender do seu tipo, corrente elétrica, som ou radioatividade para as rochas e captam sinais de volta 6.2.5 o meio ambiente de uma enviando-os à superfície. Outros apenas captam sinais ferramenta de Perfilagem gerados espontaneamente pelas rochas. Segundo o padrão API, as sondas devem ter um diâmetro da Para qualquer tipo de trabalho há sempre um ordem de 4 (quatro) polegadas, para serem usadas equipamento adequado para a sua realização. Isto é em poços de 6 ½ a 17 ½ polegadas. Quanto maior válido para toda situação e qualquer prática. Para se a relação diâmetro da ferramenta/diâmetro do poço, perfurar um meio sedimentar o ideal é uma perfuratriz melhor a resolução dos sensores. rotativa. Se o meio é cristalino, uma rotopneumática. 460 Cap_6.2_ FFI.indd 2 9/12/2008 21:54:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Da mesma forma, sabendo-se que o local manter com o diâmetro nominal da broca. Nos arenitos, de trabalho, ou ambiente, de uma ferramenta de a permeabilidade e a porosidade agem como filtros perfilagem, é o poço e seus subambientes (fluido de naturais, retendo nas paredes do poço uma crosta perfuração, geometria do poço, pressão, temperatura formada pelas partículas sólidas da lama, reduzindo etc.), tem-se a necessidade de se escolher bem as o diâmetro do poço em relação ao diâmetro da broca ferramentas a usar. Por exemplo, para poços com usada. Os folhelhos, de tendência laminar, tornam-se grandes diâmetros, ferramentas grossas (4 polegadas). quebradiços e incorporam-se às lamas, desmoronando Poços com profundidades superiores a 1.000 metros, lateralmente com um conseqüente aumento no ferramentas para altas temperaturas e pressão etc. diâmetro do poço. Estes são os comportamentos esperados normalmente. Variações podem ocorrer o fluido de Perfuração (lama) em função das particularidades lito-petrofísicas de cada camada. Uma lama para ser eficiente deve ter as seguintes características: (a) manter uma pressão hidrostática o Processo de Invasão do filtrado da capaz de conter os fluidos intersticiais; (b) ser capaz lama de sustentar as paredes do poço de modo a evitar, ao máximo, desmoronamentos e/ou aprisionamento da Em que pese a grande utilidade da lama durante coluna de perfu ração ou ferramentas de perfilagem; todo o desenrolar de uma perfuração, ela é a principal (c) ser capaz de manter em suspensão e transportar responsável pelas rugosidades das paredes dos poços as amos tras trituradas pela broca, desde o fundo do e pelo desequilíbrio iônico, provocado pela difusão poço até a superfície e (d) favorecer a lubrificação dos fluida radial. Esta difusão é decorrente do fato de a equipamentos de perfuração e evitar aquecimento lama ser composta por duas fases distintas, uma elevado. sólida e uma outra líquida, que se dissociam defronte A lama também comporta-se como solução salina às camadas porosas. O material sólido fica retido na (eletrolítica) com propriedades elétricas regidas parede do poço (reboco), enquanto que a fase líquida pelas leis da eletricidade. A intensidade da corrente (filtrado) vai invadindo e misturando-se com o fluido conduzida pela lama é diretamente proporcional à intersticial original das camadas. concentração dos sais presentes na sua fase fluida Denomina-se de invasão a penetração radial do contínua. filtrado nas camadas porosas. Durante a perfuração, Segundo Costa (1992), os principais tipos de a lama deve estar condicionada de tal forma que lama usados na indústria da água são: (a) água com sua pressão (hidrostática) seja sempre um pouco argila natural adicionada e/ou incorporada durante maior que a contra pressão (estática) exercida pelos a perfuração; (b) água com adição de bentonita fluidos das camadas porosas. Esta sobrepressão é ativada com soda cáustica; (c) água com polímero também usada com a finalidade de eliminar possíveis e (d) mistas, com água, bentonita e polímero. As surgências fluidas, perigosas e indesejáveis. Em duas últimas caracterizam-se, respectivamente, por resposta a este diferencial de pressão, origina-se apresentarem filtrado relaxado (30 cm3/30 minutos) uma filtração da lama defronte às rochas porosas, ou estável (8 a 15 cm3/30 minutos) a controlado (15 processando-se por meio dos canais naturais (poros a 20 cm3/30 minutos). Quanto mais filtrado a liberar, interconectados e/ou fraturas), formando zonas axiais maior a possibilidade de sua invasão ou penetração de misturas fluidas distintas. Apenas a fase contínua nas camadas porosas. da lama, isto é, o filtrado, é capaz de penetrar Assim sendo, a lama tem grande influência na lateralmente nos finos poros, enquanto a porção resposta dos perfis de natureza elétrica, porquanto sólida vai, lenta e gradualmente, impermeabilizando colabora com um volume considerável de material, a parede do poço, construindo um reboco. É claro variando de mais a menos condutor, envolvendo que quanto menor o controle das propriedades diretamente os sensores. reológicas do fluido de perfuração, maiores serão As curvas dos perfis também podem sofrer algum as chances para que o seu filtrado alcance grandes tipo de modificação devido à espessura de reboco da profundidades de invasão. lama, à pressão hidrostática, a pressão estática da O material da fase descontínua (argilas adicionadas formação, à temperatura da lama etc. Ao conjunto de ou naturais incorporadas e/ou produtos químicos), tais fatores dá-se o nome de efeitos ambientais. não consegue penetrar radialmente, a não ser que tenham tamanhos menores que as aberturas dos a Geometria de um Poço tubular poros ou, então, que ocorram mecanismos capazes de distorcerem seus formatos forçando-os a uma Sob a ação da lama e da broca, os mais variados penetração rasa e localizada. tipos de rocha passam a se comportar de acordo com A distância a partir da parede do poço até onde as suas propriedades mecânicas. Nos calcários, rochas ocorre influência do fluido invasor, é denominada duras, compactas, as paredes dos poços tendem a se de diâmetro de invasão (Di), raio de invasão, ou, 461 Cap_6.2_ FFI.indd 3 9/12/2008 21:54:10 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea ainda, profundidade de invasão (Pi), a depender de A terceira e última zona fluida radial, denominada de se estar levando em consideração, respectivamente, zona virgem ou verdadeira, é a mais afastada do poço o diâmetro, o raio ou a distância respectiva. A invasão que permaneceu intacta, sem influência do filtrado pode ser nula (Pi = zero polegada, geralmente da lama, apresentando apenas a água da formação. defronte a zonas impermeáveis) ou profunda (Pi > 64 É esta água que se precisa identificar e estimar a polegadas, geralmente defronte a zonas altamente qualidade, mas para isso, deve-se ter em mãos perfis porosas). Em poços de 8 polegadas, a invasão do de resistividade com sensores que permitam uma filtrado pode atingir mais de 28 polegadas (71 cm), investigação radial bastante profunda. para cada lado do poço. A figura 6.2.1 mostra o zoneamento radial provocado pela invasão fluida, para ambos os lados Zoneamento fluido radial em torno do de um poço. Eixo da Perfuração Na maioria dos aqüíferos sedimentares mais superficiais, por serem relativamente não consolidados, Os canais porosos formam diminutos capilares as porosidades totais são elevadas (da ordem de contínuos (exceto em fraturas ou cavidades de origem 30%). Em geral, nesses aqüíferos o filtrado da lama secundária), que funcionam como filtros, retendo os pode apresentar diâmetros de invasão variados. No sólidos e deixando penetrar os fluidos da lama que caso de lamas não condicionadas com inibidores de deslocam todo ou parte do fluido original, ocupando o argilas, favorecendo perdas d’água para as camadas seu respectivo lugar. Ocorrem, portanto, circunjacente porosas (filtrado relaxado), os diâmetros de invasão e radialmente ao poço, zonas de distintas misturas são grandes. Caso a lama tenha sido condicionada fluidas. Entretanto, a interação entre essas zonas não com inibidores de argilas, capazes de criar rebocos ocorre de forma brusca, mas sim gradacional. relativamente espessos que impermeabilizam mais A primeira dessas zonas é aquela onde se processou rapidamente as paredes dos poços, minimizando as uma lavagem, total ou parcial, do fluido original sendo invasões, os diâmetros são pequenos. substituído pelo filtrado. A quantidade de fluido O reboco da lama é constituído de partículas original, nesta zona, depende da retenção específica sólidas. Todavia, não é correto afirmar-se que quanto da camada. Quanto menor a granulometria, maior a mais espesso o reboco, mais permeável é a camada. quantidade de fluido retido pelos grãos, devido às Deve-se entender que, em função das constantes forças de adesão ou tensão superficial. Assim, o filtrado manobras durante a perfuração, podem ocorrer poderá coexistir com a água retida e, quando ocorre, raspagens do reboco já formado, com chances, cada coexiste também com o ar, óleo ou gás residuais. Esta vez maiores, para o aparecimento de novas frentes zona é denominada de zona lavada. Nela, geralmente, de invasão, embora o reboco permaneça fino. A o fluido predominante é o filtrado invasor. Perfis de extensão radial (diâmetro de invasão - Di) resultante pequena profundidade radial de investigação jamais obterão o valor original da resistividade da camada, da penetração fluida, é função de: mas, sim, a desta zona lavada. (a) fatores relativos ao poço/lama - diferencial de Após a zona lavada, vem uma zona de coexistência pressão entre a lama e as camadas; tempo gasto temporária de fluidos, devido aos fenômenos da na perfuração do poço; permeabilidade do reboco; capilaridade e difusão (filtrado e água). Esta segunda viscosidade do filtrado da lama e perda de água da zona é a zona invadida ou transicional. O fluido lama (filtrado relaxado ou não); nela presente é uma mistura de filtrado invasor + (b) fatores relativos às camadas atravessadas pelo água da formação. Nos poços perfurados para água, poço - permeabilidade intrínseca dos sedimentos; freqüentemente esta zona não se faz presente, uma vez litologia e porosidade total dos sedimentos. que as lamas de perfuração são preparadas a partir de águas de mananciais de superfície ou de poços De um modo geral, quanto menor a porosidade, vizinhos com características físico-químicas similares para um mesmo volume de perda de água da lama, às da água da formação pesquisada. maior a distância penetrada pelo filtrado. (FURO) ZONA ZONA ZONA ZONA ZONA ZONA LAMA (r ) VIRGEM INVADIDA LAVADA m LAVADA INVADIDA VIRGEM FILTRADO (r ) (ro) (r ) (r mf i xo) (r ) (r ) (r )REBOCO (rmc) xo i o figura 6.2.1 - Representação esquemática do zoneamento fluido radial, que se origina a partir do eixo do poço (parte mais escura), devido ao fenômeno da invasão. E entre parêntesis, suas respectivas denominações em termos de resistividades, conforme usadas na técnica da perfilagem. Quanto mais afastada da parede do poço, maior a necessidade de ferramentas que tenham grande poder de penetração ou investigação radial, para se ter chances de se ler a resistividade verdadeira da camada. 462 Cap_6.2_ FFI.indd 4 9/12/2008 21:54:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.2.6 Propriedades físicas das Teoricamente, m varia de menos a mais infinito. rochas Entretanto, se m é igual a +1, a propriedade está sendo medida em série e se for igual a –1, a propriedade está As propriedades físicas mais importantes para a sendo medida em paralelo. A seguir são apresentados avaliação das formações são as elétricas, as acústicas exemplos de misturas contendo diferentes composições e as radioativas. Secundariamente, as mecânicas e mineralógicas, porém resultando em densidades iguais as térmicas. Antes de abordá-las, será feito um breve (considerando m = 1). resumo acerca das características físicas das rochas. Uma rocha sedimentar, clástica ou carbonática, para Exemplo 6.2.1 efeito petrofísico descritivo, está constituída por três (a) 70% de sílica de 2,65 g/cm3 + 30% de água de 1 g/cm3 elementos: arcabouço, matriz e cimento. O arcabouço Densidade da mistura = 0,7 . 2,65 + 0,3 . 1 = 2,155 g/cm3 (grãos ou aloquímicos), é a sustentação da rocha. No (b) 67,55% de calcita de 2,71 g/cm3 + 32,45% de água de 1 g/cm3 caso dos arenitos e calcarenitos, é a fração de diâmetro Densidade da mistura = 0,6755 . 2,71 + 0,3245 . 1 = 2,155 g/cm3 entre 0,062 a 2,0 mm, independente de sua natureza ou composição mineralógica. Interessa tão somente (c) 33% de água de 1 g/cm 3 + 26% sílica de 2,65 g/cm3 + 25,5% o tamanho dos grãos em si. A matriz ou micrita, é a de calcita de 2,71 g/cm 3 + 15,5% de dolomita de 2,87 g/cm3 Densidade da mistura = (0,33 . 1) + (0,26 . 2,65) + (0,255 . 2,71) fração fina, transportada por suspensão, constituída 3 não somente por minerais de argila mas, também, + (0,155 . 2,87) = 2,155 g/cm por outros constituintes, desde que tenham diâmetros menores que 0,039 mm. A matriz, quando presente, teoria da unicidade dá a consistência da rocha. O cimento ou espato, é o constituinte precipitado quimicamente nos poros, Raciocine-se de modo inverso ao que foi exposto podendo ser constituído por sílica, carbonatos, sulfatos, acima para responder a seguinte pergunta: Qual é a óxidos etc. A presença do cimento está associada à composição mineralógica de uma rocha cuja densidade 3 rigidez dos sedimentos e oblitera os espaços vazios. é igual a 2,155 g/cm ? A composição é a do primeiro, Na técnica de perfilagem, esta conceituação a do segundo ou a do terceiro exemplo? Isto é, para petrofísica é modificada porquanto os sensores um único dado (2,155 g/cm 3) pode-se admitir várias soluções interpretativas, das quais uma, e somente utilizados, qualquer que seja a sua natureza, são uma delas, será a verdadeira. incapazes de distinguir grãos de sílica de uma matriz A teoria da unicidade diz que: “A equação resposta ou cimento silicoso, grãos carbonáticos, de um cimento (transformada) de um modelo petrofísico qualquer carbonático etc. Daí a adoção de um modelo um pouco fornece somente uma única resposta”. Isto é, qualquer diferente do mencionado acima. Neste texto, uma rocha que seja o tipo de dado geofísico que se esteja a analisar, sedimentar será considerada como sendo constituída ele poderá apontar para várias situações distintas, as apenas de duas partes. A matriz,que engloba tudo quais, a depender do conhecimento específico de cada aquilo que é sólido dentro de uma rocha (grãos, cimento intérprete (sobre as rochas, sobre as respostas das e a matriz propriamente dita), e o poro,que corresponde ferramentas nas mais diversas situações ambientais aos espaços vazios da rocha. Considerando-se um etc.), traduzirão ou não a realidade dos fatos. Quanto volume unitário rochoso como representando 100% maior o número de informações adicionais, mais realista (ou a unidade) do todo, então a matriz representará é a interpretação. um volume adimensional igual a 1–η. Porosidade lei das misturas É uma propriedade que depende das dimensões Ao se considerar uma rocha como resultante de uma envolvidas em sua determinação. Qualquer processo mistura de sólidos e líquidos, ela passa a ser regida pela de medição de porosidade, que envolva volumes lei das misturas, que tem como base a linearidade dos da ordem de centímetros ou decímetros, pode ser efeitos: “Em um sistema multicomposto, cada componente considerado como representativo ou capaz de obter contribui volumetricamente para as propriedades da valores constantes, desde que os elementos envolvidos mistura na razão da sua fração volumétrica vezes a sejam milimétricos. O conceito hidrogeológico de sua propriedade, elevada a um fator m referente à sua porosidade é apresentado no capítulo 2.2. distribuição geométrica”. Para 2 componentes, um sólido Vários são os métodos utilizados, em laboratório, e um líquido, de propriedades us e ul, respectivamente, para a determinação da porosidade das rochas a propriedade da mistura um será dada por: consolidadas. Estes métodos consistem, geralmente, na medida física de pequenas amostras e dois dos 1 três volumes envolvidos: o total, o dos sólidos e/ =  η m + ( − η ) m  mU .U 1 .U (6.2.1)M  L  ou o dos vazios. Em perfis, as porosidades podem S ser obtidas por meio de medições acústicas e/ 463 Cap_6.2_ FFI.indd 5 9/12/2008 21:54:10 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea ou radioativas, envolvendo volumes relativamente   grandes de rocha, em relação aos dos laboratórios, J = − σ.E (6.2.2) razão esta de possíveis divergências numéricas. Há a necessidade da realização de estudos estatísticos O coeficiente de proporcionalidade σ é denominado para a compatibilização entre os valores obtidos em de condutividade e tem como unidade o Siemens/ ambos os procedimentos. metro (S/m). Como esta unidade é relativamente grande para as condutividades observadas nas rochas, utiliza-se o submúltiplo miliSiemens/metro (mS/m). Em Permeabilidade meios isotrópicos, σ é uma grandeza escalar e em meios anisotrópicos, é um tensor (Keller, 1988). Inexiste qualquer tipo de perfil geofísico que A resistência elétrica, que é a recíproca da quantifique diretamente a permeabilidade intrínseca condutância elétrica, é definida como sendo a das rochas. Alguns trabalhos realizados por dificuldade que uma substância oferece à passagem pesquisadores da Schlumberger mostram ser da corrente elétrica. A resistência (r) de um condutor possível calcular permeabilidades em camadas com é diretamente proporcional ao comprimento (L) porosidade constante e uma razoavelmente espessa percorrido pela corrente elétrica, e inversamente zona de transição acima do contato óleo - água, proporcional à área (A) atravessada. levando em consideração a correlação que existe entre a capilaridade e o gradiente de resistividade L formado por tal transição. r = r (6.2.3)A Atualmente, uma nova linha de pesquisa está sendo desenvolvida, para a correlação com os O coeficiente de proporcionalidade (r) é denominado parâmetros hidráulicos, a partir da possibilidade de de resistência Específica ou resistividade. A unidade obtenção de dados como granulometria, porosidade, de resistência é o Ohm e a unidade da Resistividade é resistividade, constante dielétrica etc. o Ohm.m. As resistividades das rochas sedimentares Qualitativamente, a permeabilidade pode ser variam entre 0,2 a 1.000 Ohm.m. Resistividades acima identificada em perfis por meio da curva do potencial de 1.000 Ohm.m são um tanto freqüentes nas rochas espontâneo (movimentação iônica), da separação próximas à superfície (zona aerada), com água de baixa entre as diferentes curvas de resistividades (zonas salinidade e/ou ar. fluidas distintas) e do cáliper (presença de reboco). A complexa relação existente entre porosidade e a Condução da Corrente Elétrica nos permeabilidade está muito além da natureza deste líquidos trabalho, entretanto, de um modo geral, quanto mais porosa a rocha, maior é a sua permeabilidade. É Sob o ponto de vista conceitual dos perfis, uma conveniente lembrar que muito embora sedimentos rocha sedimentar constitui-se de matriz e poros. finos (folhelhos e/ou calcilutitos) possam apresentar Sendo a matriz, geralmente, formada de minerais não altas porosidades nos perfis, a conseqüente diminuição condutivos da eletricidade, tais como silicatos, óxidos, do tamanho dos poros reduz a permeabilidade. carbonatos etc., as rochas tornam-se mais (ou menos) condutoras da corrente elétrica, na dependência da 6.2.7 Propriedades Elétricas das quantidade (saturação) e qualidade (concentração) do eletrólito e da natureza de sua distribuição rochas interporosa (isolamento e/ou interconexão). A presença de fluidos isolantes, tais como água doce, São três os parâmetros físicos que caracterizam ar ou petróleo, torna a rocha menos condutiva ou eletricamente uma rocha: a permeabilidade magnética, mais resistiva. a condutividade elétrica e a permissividade dielétrica. Os fluidos ou soluções aquosas, apresentam uma A maioria das rochas compõe-se de minerais não condução de natureza puramente eletrolítica. Para um magnéticos, por conseguinte, suas permeabilidades eletrólito aquoso, sua condutividade (σ ) será igual a: magnéticas tendem a ser iguais à do espaço livre, w sem muito uso prático na geofísica de poço pela falta N de resolução diagnóstica. A medida da habilidade de σW = F∑ai .ci .µi (6.2.4)i=1 um material qualquer em transportar cargas livres, sob a ação de um campo elétrico externo, é denominada sendo, f a Constante de Faraday (96.500 Coulomb), de condutividade elétrica. Ela é definida pela lei correspondente a uma carga elétrica convertida em experimental de Ohm que estabelece um relacionamento 1 equivalente-grama de sal em solução, ai um fator linear entre a densidade da corrente elétrica (J), em um de dissociação ou de atividade, ci a concentração e ponto qualquer de um material condutor, e o valor do µi a mobilidade de cada espécie dissolvida de sal. O campo elétrico (E) naquele mesmo ponto, conforme já inverso da condutividade da água de uma solução (σw) apresentado no capítulo 4.2. é a resistividade (rw). 464 Cap_6.2_ FFI.indd 6 9/12/2008 21:54:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A água pura é totalmente isolante, mas se torna relações empíricas hiperbólicas, entre rw e a condutiva sob a ação de um campo elétrico externo, quantidade total de sais dissolvidos (STD), para na proporção em que se acrescentam sais que se os mais diversos tipos de águas nas mais variadas dissolvem dando origem a movimentos ordenados dos formações, áreas, ambientes deposicionais etc. íons. Na ausência desse campo, os íons movimentam- (Girão Nery, 1996). se aleatoriamente devido à agitação térmica e/ou Os três próximos temas já foram apresentados no colisões com outros íons. Isto resulta em dois conceitos Capítulo 4.2 ( Métodos Geofíscos) e serão aqui revistos importantes: sob a ótica da perfilagem de poços. (a) desde que cada íon conduz uma quantidade finita de cargas elétricas, subentende-se que fatores de formação (de resistividade e quanto mais íons em uma solução, maior será a Intrínseco) sua condutividade ou menor a sua resistividade. Portanto, um arenito sem argila (dito limpo) com Imagine-se, para fins de desenvolvimento deste água intersticial salgada apresentará uma maior conceito, uma rocha como sendo um cubo unitário, feito condutividade, ou menor resistividade, que um de gelo de água doce de resistividade igual a rw1. Em arenito semelhante com água doce; e termos de porosidade, este cubo será, teoricamente, (b) mesmo cons iderando-se os íons como 100% poroso, isto é, η = 1. A resistividade do cubo pequeníssimas esferas, ainda assim, a resistência (rocha) será r01. Caso o cubo tivesse sido feito com à fricção dentro de uma solução não é desprezível. água salgada de rw2, notar-se-ia que sua resistividade Como conseqüência desse atrito, a viscosidade r02 seria menor que r01. Quanto mais salgada a água, modifica-se, diminuindo à proporção que menor a resistividade do cubo. Em outras palavras, r0 a temperatura aumenta, ficando seus íons varia linearmente com rw: capacitados a movimentos cada vez mais rápidos. Portanto, em temperaturas elevadas, as soluções r0 = Fr .rw (6.2.7) eletrolíticas são mais condutivas do que em em que, a constante de proporcionalidade ou temperaturas mais baixas. coeficiente fr é denominado de fator de resistividade da formação sendo, por conseqüência, igual à relação a relação resistividade versus salinidade que existe entre a resistividade de uma rocha saturada versus temperatura de água e a resistividade da água que satura esta mesma rocha. A relação entre a salinidade das águas das formações (Salw), a temperatura da solução (FT) e r0 a resistividade (rw), pode ser observada em gráfico Fr = (6.2.8)rw específico, fornecido pelas companhias de serviços, ou na equação (Bateman & Konen, 1977): Ao se colocar grãos de quartzo (isolantes) dentro  3,562 − log(r ow @25 C − 0,0123) de um dos cubos acima, verifica-se que a resistividade   0,955   (6.2.5) r0 aumenta proporcionalmente ao número de grãos, Salw = 10 enquanto que diminui, também proporcionalmente, sua sendo r @25oC a resistividade à temperatura de 25oC. porosidade ou o volume do líquido condutivo. Ou seja, w A salinidade (Salw) é expressa em ppm equivalentes r0 não só varia com a resistividade da água (rw), mas, a uma solução de igual concentração em NaCl. Para se também, de forma inversa com a porosidade. determinar a resistividade de uma solução a diferentes a F = temperaturas, usa-se: m (6.2.9)η  FTw1 + 21,5  sendo a um coeficiente dependente da litologia rw2 =rw1  +  (6.2.6) FTw 21,5 (ou, para alguns autores, da tortuosidade) e m, da 2 cimentação ou geometria porosa. sendo rw2 a resistividade a uma temperatura Esta relação foi definida empiricamente por Sundberg ftw2, partindo-se de rw1 a uma temperatura ftw1, (1932), com base em dados de campo de rochas não ambas em oC. Para cálculos em graus Fahrenheit a consolidadas e, posteriormente, incorporada por Archie constante é 6,77. (1942). O valor de f obtido nestas circunstâncias é Como a res ist iv idade de uma solução é conhecido com fator Intrínseco da formação, para condicionada pela totalidade dos íons dissolvidos diferenciar do Fator de Resistividade da Formação (Fr). (inclusive os elementos traços) e, considerando- Muito embora sendo empíricas, as equações (6.2.8) se que a composição química da água de um e (6.2.9) devem ser analisadas sob alguns aspectos dado aqüífero seja uniforme, pode-se estabelecer teóricos importantes: 465 Cap_6.2_ FFI.indd 7 9/12/2008 21:54:10 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea • a formação deve ser isotrópica; r0 depende resistividade de uma rocha limpa saturada da orientação da medida (a porosidade é uma com Água (r ) grandeza escalar, enquanto que a condutividade é 0 tensorial); Sob este título enquadram-se aquelas rochas com • estudos demonstram claramente que a argilosidade poros preenchidos por água (isto é, Sw=1) e totalmente afeta r , e, portanto, f e f, devido à condutividade isentas de argila e outros minerais condutivos, nas 0 r adicional proporcionada pelas cargas periféricas quais a condução da corrente elétrica se processa dos argilominerais. Portanto, f = f deve ocorrer somente pela água intersticial. Manipulando-se as r somente em rochas sem argilas (limpas). equações (6.2.7) a (6.2.9), obtém-se a expressão mais simples da Lei de Archie (Archie, op.cit.): Apesar de a bibliografia mostrar exemplos nos quais a apresenta valores diferentes da unidade, existem a .rw contestações com base nas condições limites das r0 = m (6.2.12) equações (6.2.8) e (6.2.9). Quando uma rocha for, η teoricamente, 100% porosa (η = 1), então r0 deve ser igual a r e, para qualquer que seja o valor de Portanto, uma rocha constituída de um fluido w m, matematicamente a tem que ser igual também à intersticial condutivo e matriz isolante tem sua unidade. Elias et al. (1999), ilustram com exemplos resistividade (r0) variando diretamente com a brasileiros, diversos fatores Intrínsecos catalogados resistividade do fluido saturante (rw) e inversamente por litologias e ambientes deposicionais, nos quais a com a porosidade (η). Em relação à geometria difere da unidade. porosa (m), observa-se que para um mesmo valor de porosidade quanto maior m maior r0. Jackson et al. (1978), realizaram correlações resistividade (Condutividade) versus entre o expoente m e a geometria porosa de rochas anisotropia sedimentares naturais e artificiais, variando o tamanho e a forma dos grãos. Eles verificaram que o Fator Pode-se definir anisotropia como sendo a Intrínseco de Formação (equação 6.2.9) era muito característica de um meio qualquer em transmitir mais uma função do formato dos grãos do que das diferentemente campos e ondas de acordo com a variações em tamanho e distribuição espacial. Rochas direção de propagação. Em geral, a condutividade terrígenas com grãos esféricos apresentaram valores é representada por três componentes mutuamente de m da ordem de 1,34, enquanto que rochas com ortogonais. Quando as camadas são laminadas, grãos placoidais, entre 1,8 e 2. os dois eixos verticais são iguais, dando origem à Trabalhando com carbonatos, Towle (1962) anisotropia transversa, expressa pelo coeficiente de demonstrou que m também varia com a porosidade anisotropia que é igual à raiz quadrada da razão entre vesicular. Caso as vesículas estejam isoladas, o valor as condutividades horizontais e verticais. de m será da ordem de 5 a 7. À proporção em que Uma camada com interlaminações de folhelho e aumentam as interligações vesiculares, através de arenito, de resistividades rV e rH, segundo Hagiwara fraturas ou fissuras, o valor de m diminui. Quanto menor (1994) e Klein (1996), pode ser representada por meio o valor de m, maior a facilidade de deslocamento da de dois circuitos, um em série e outro em paralelo, corrente elétrica dentro das rochas. Teoricarnente, uma respectivamente: rocha com poros retilíneos terá m igual à unidade. rv =(VSH. rSH )+ (VSS.rSS ) = (VSH.rSH )+ (6.2.10) (1− V )r resistividade de uma rocha argilosa SH SS saturada com Água 1 V V V (1− V ) = SH + SS = SH + SH (6.2.11) Existem, todavia, mais raramente, outros minerais rH rSH rSS rSH rSS dentro dos sedimentos que são bons condutores de eletricidade (pirita, calcopirita, galena, magnetita onde, V representa os volumes, r as resistividades e os etc.). De um modo geral, eles ocorrem dispersos ou índice ss e sH, respectivamente, arenito e folhelho. em pequenas quantidades, tendo, portanto, pouca Deve-se lembrar que V + V = 1 e observa-se participação nas propriedades elétricas das mesmas, SS SH que r é mais influenciada pelos valores de r e V a não ser, conforme demonstram pesquisas, quando H sH sH do que r , de tal modo que apenas 10% de folhelho, seu teor ultrapassa 7% do volume total da amostra.V dentro de um arenito de 50 Ohm.m de resistividade, Por outro lado, os argilominerais, por serem terá sua r reduzida à metade. Devido a seu princípio freqüentes e volumetricamente importantes nos H de medição, as ferramentas convencionais, do tipo sedimentos, apresentam elevada quantidade de cátions indutiva, são mais sensíveis a r , enquanto que as adsorvidos às suas superfícies externas ou de contato H elétricas, a r . com o meio fluido, dando origem à condutividade V 466 Cap_6.2_ FFI.indd 8 9/12/2008 21:54:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações superficial adicional das rochas argilosas. Essa onde n é denominado de expoente de saturação, condutividade adicional (ou diminuição da resistividade) usualmente igual a 2. é sentida quando as águas interporosas são doces, Pesquisas laboratoriais devem avaliar este expoente, permitindo que a condutividade também se realize parâmetro por demais valioso na indústria do petróleo, pelas cargas superficiais dos argilominerais. Em já que Sw = 1 - Shc (Shc = saturação em hidrocarboneto). princípio, um arenito sem argila é mais resistivo que um Nos poros das camadas petrolíferas coexistem água, argiloso, de iguais características petrofísicas. gás e/ou óleo. Nos poros das zonas aeradas coexistem Winsauer & McCardell (1953), explicaram o excesso água e ar. Quando S = 1 implica que r = r (equação de condutividade das rochas areno-argilosas, quando w 0 t6.2.14 = equação 6.2.12). comparadas às rochas limpas equivalentes, por uma A condutividade ou a resistividade de uma rocha simples manipulação da equação (6.2.7), de modo a pode auxiliar na identificação, com certa precisão, de representar um circuito em paralelo. aqüíferos com água intersticial diluída (doce) daqueles   com água mais concentrada (salgada ou salmoura).1 1 1 =  + X (6.2.13) Nos casos dos poços para petróleo, onde a r0 F rw  resistividade desse fluido assemelha-se à da água doce ou diluída, usa-se, com freqüência, o terceiro Admitiram eles, implicitamente, que tanto a condução parâmetro elétrico das rochas, a permissividade realizada pelo eletrólito como pelo argilomineral ou constante dielétrica. O Perfil Dielétrico ou de (representada por X), estariam sujeitas a um mesmo Propagação Eletromagnética, foi desenvolvido para fator íntrínseco de formação f (equação 6.2.9), portanto medir, usando correntes de alta freqüência, a constante dependente da mesma porosidade e geometria porosa. dielétrica das rochas, que para o gás e para o petróleo, A razão dada por Fr = r0/rw, por eles denominada de correspondem, respectiva e aproximadamente, a 1 e fator de formação aparente, é dependente não somente 2. Por outro lado, as águas razoavelmente diluídas, de da água intersticial, mas, também, da condutividade resistividades entre 1 e 20 Ohm.m (250 a 5.500 ppm adicional ocasionada pela matriz argilosa condutiva. de sais totais) à temperatura ambiente, têm constante Posteriormente, outros autores realizaram modelos dielétrica variando entre 77 e 79. interpretativos, empíricos ou conceituais, procurando A constante dielétrica é, primariamente, uma função eliminar por meio de parâmetros, a maioria obtida da água intersticial e independe de sua salinidade ou em laboratórios, a influência da argilosidade sobre concentração. Esta característica torna imprescindível as resistividades das rochas, como Waxman & Smits, o uso do Perfil Dielétrico na distinção entre intervalos (1968), Clavier, et. al. (1984), Lima & Sharma (1990). portadores de hidrocarbonetos com água doce. Nos demais casos, os perfis de resistividade predominam resistividade de uma rocha Parcialmente no mapeamento elétrico das rochas. saturada com água (rt) 6.2.8 Propriedades acústicas das Por convenção, usa-se o termo r0 para representar as resistividades das rochas com Sw = 1 e r (t de rochas t true) para rochas com Sw < 1. rt é uma função direta Dentro de certos limites de esforços e tensão, as de r0. Caso uma rocha tenha somente água salgada rochas podem ser consideradas como corpos elásticos em seus poros, sua rt será baixa. Caso esta mesma capazes de absorver e/ou dispersar a energia das rocha tenha água doce, sua rt será maior. No caso ondas elásticas. A absorção acontece através da em que a camada contenha ar, gás, óleo e/ou água fricção mútua entre partículas adjacentes, enquanto misturados em seus poros, a resistividade dessa rocha que a dispersão se processa devido à anisotropia na também aumentará, consideravelmente, devido à maioria das rochas. capacidade isolante do ar (zona aerada) ou da fração O som propaga-se com diferentes velocidades, hidrocarboneto. Quanto menor a quantidade de fluido a depender do meio em que suas ondas viajam. condutor (ou maior a quantidade de fluido isolante, isto Ele é mais rápido nos sólidos do que nos líquidos é, Sw < 1), maior a dificuldade da corrente elétrica para e nos gases. Portanto, caso um meio qualquer seja atravessar um certo volume dessa rocha. composto de materiais sólidos, líquidos e/ou gasosos Archie (op. cit.) estabeleceu sua lei de modo mais (como nas rochas sedi mentares ou fraturadas), a completo, trabalhando com rochas limpas (VSH = velocidade de propagação de uma onda acústica 0% ou quaisquer outros minerais condutores), com depende diretamente da proporção de cada um de porosidades entre 10 e 28% e águas entre 20.000 a seus componentes (Lei das Misturas). Por conseguinte, 100.000 ppm de sais, como sendo: torna-se possível o uso da medida da velocidade do a .r som através das rochas para se determinar a razão de r wt = m n (6.2.14)η . S proporcionalidade entre os sólidos, líquidos e gases, w isto é, a porosidade. 467 Cap_6.2_ FFI.indd 9 9/12/2008 21:54:10 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea ondas Compressionais e de Cisalhamento A força de repulsão elétrica que existe entre as partículas subatômicas de mesma carga é Existem vários tipos de ondas que podem viajar compensada pela existência de uma força de atração através dos corpos. As mais importantes para a de pequeno raio de ação, na qual os nêutrons têm geofísica de poço são: as ondas compressionais ou importante papel. Quando as forças nucleares longitudinais, nas quais a oscilação das partículas se desestabilizam, os elementos modificam suas da onda se processa na direção da propagação, e as estruturas, passando a emitir energia em forma de ondas de cisalhamento ou transversais, nas quais partículas e/ou radiação eletromagnética, na tentativa a oscilação é perpendicular à direção de propagação. de retornar à estabilidade transformando-se em Estas últimas são ondas próprias dos corpos sólidos elementos diferentes. porque eles resistem às tensões de cisalhamento, o Chamam-se de isótopos os diferentes estados que não acontece com os líquidos ou gases. de um elemento qualquer onde se observam valores Como a velocidade das ondas compressionais diferentes de a (devido a uma mudança no número (vp) é sempre maior do que a das cisalhantes (vs), de nêutrons), enquanto Z permanece inalterado. Para considerando-se um mesmo meio e um mesmo trajeto, ilustrar, o urânio natural consiste de 3 isótopos com as compressionais sempre gastam um menor tempo. pesos atômicos 234, 235 e 238. Destes, apenas o vp é aproximadamente igual a 2 v . 238 s 92U é radioativo (maiores detalhes no capítulo 4.3, Métodos Isotópicos). Velocidade do som e sua Correlação com A maior parte da energia liberada por estes núcleos, durante sua fase de instabilização temporária, consiste a Porosidade de partícula ou raios alfa de carga positiva, partícula ou raios beta de carga negativa, e energia eletromagnética A propagação de uma onda acústica através de denominada de raios Gama, de alta freqüência e sem uma rocha varia a depender da proporção existente carga elétrica. entre a matriz e o fluido. Assim, a medida do tempo Os raios alfa têm massa igual a 4 vezes a do gasto pelo som para percorrer um trajeto fixo e bem próton (núcleo de Hélio). Devido a essa grande definido de uma rocha qualquer, pode determinar a massa, em termos de dimensões atômicas, eles porosidade dessa mesma rocha. conseguem atravessar apenas algumas folhas de A atenuação de uma onda sonora em um meio papel, sendo absorvidos pelo revestimento metálico qualquer, é a medida da mudança de sua amplitude das sondas: por unidade de distância. A atenuação é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Assim, quanto α 4= 2 Prótons + 2 Nêutrons maior for a distância de observação de um fenômeno +2 acústico, maior precisão deverá ter o equipamento. Os raios beta, são elétrons orbitais, facilmente desviados pelos campos elétricos e magnéticos. 6.2.9 Propriedades radioativas das Entretanto, podem penetrar vários milímetros em rochas alumínio. Também são absorvidos pelo revestimento metálico das sondas: A definição de radioatividade mais citada nos 0 livros textos de física é a propriedade pela qual −1β = 1 elétron átomos de número atômico maior que 80 (Z > 80) emitem espontaneamente radiação, por efeito da Os raios Gama não são desviados pelos campos elétricos ou magnéticos por não possuírem massa instabilidade de seus núcleos. Segundo Sir lsaac ou carga elétrica. São radiações eletromagnéticas Newton, as radiações são partículas, enquanto que similares às ondas de luz e de rádio, tendo um para Fresnel & Young são ondas eletromagnéticas pequeno comprimento de onda, cerca de 0,1 Angstron. invisíveis, capazes de serem detectadas apenas por Penetram espessos materiais, atravessam tubulões, seus efeitos ionizantes. revestimentos e os corpos metálicos das sondas que As propriedades que caracterizam os mais diversos contêm os sensores, sendo absorvidos ou amortizados elementos químicos são determinadas pelo número apenas de modo parcial pelos mesmos: de prótons em seus núcleos. Um átomo consiste de nêutrons de massa igual a 1 U.M.A. (unidade de massa γ 00 atômica) e nenhuma carga elétrica, de prótons de massa igual a 1 U.M.A. e carga positiva e, finalmente, de A energia emitida por cada isótopo radioativo é elétrons orbitais, com uma massa da ordem de 1/1.840 característica do núcleo do átomo emissor. É usando do próton e carga negativa. O número de massa (A), é o essa característica (espectrometria radioativa) que a número de prótons e nêutrons existentes no núcleo, ao perfilagem geofísica pode realizar, nos dias atuais, passo que o número atômico (Z), indica a quantidade reconhecimentos e determinações quantitativas de prótons do núcleo ou de elétrons da eletrosfera. mineralógicas. 468 Cap_6.2_ FFI.indd 10 9/12/2008 21:54:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Energia e Características físicas das emite Raios Gama monoenergéticos da ordem de 1,46 radiações MeV, enquanto os filhos do Tório e o Urânio emitem vários níveis de energia, a um mesmo tempo. Uma vez que os Ra ios Gama possuem A razão principal desses elementos serem características tanto de partícula como de ondas de predominantes nas radioatividades naturais das alta freqüência, o termo fóton é também utilizado rochas está na ordem de grandeza da meia-vida deles para descrever sua energia. A unidade de energia (aproximadamente a idade da Terra (4,5.109 anos). comumente usada para descrever a quantidade O K40 é volumetricamente o mais importante, sendo de Raios Gama, é igual à energia adquirida por um responsável por cerca de 0,012% de todo o potássio elétron que se desloca em direção a um cátodo, no natural da crosta e 0,3%, em peso, dos folhelhos. Outros qual o potencial elétrico seja um milhão de vezes elementos, além dos mencionados (Césio, Rubídio, maior. Esta unidade de energia é referida como Lutécio, Samário, Rênio etc.), apesar de radioativos, são milhões de elétron-volts (MeV) e submúltiplos. desprezíveis, em vista de suas baixas meias-vida. Os elementos radioativos naturais ocorrem originalmente nas rochas ígneas ou metamórficas. Em absorção dos raios Gama pela matéria decorrência dos processos de erosão e transporte, Os fótons ou Raios Gama, provocam reações com esses elementos são espalhados dentro das rochas a matéria de várias maneiras. A mais importante, para sedimentares. A maior ou menor concentração desses elementos depende de vários fatores, dentre a perfilagem geofísica, é a de espalhamento inelástico eles a natureza em si dos fragmentos e a presença ou Efeito Compton. Esse efeito se processa entre um de organismos vivos nas águas em que ocorreu a fóton incidente de média energia e um elét ron orbital. deposição. O fóton incidente ejeta o elétron de sua órbita, cede Os compostos de Urânio (até 20.000 ppm) são ao mesmo parte de sua energia cinética e sofre um muito solúveis na água, quando oxidados, e insolúveis, desvio (matematicamente previsível) em sua trajetória. quando reduzidos. Os compostos de Tório, em Isto é, ele permanece no meio, porém com energia condições de alta temperatura, são transportados menor que a inicial. em forma de solução, que, eventualmente, poderá Os fótons de menor energia (<10 KeV) interagem preencher fraturas, planos de falhas e outros locais elasticamente com os elétrons orbitais e cedem toda passíveis de migração fluida. Já em baixas temperaturas, a sua energia para os mesmos, especialmente se o eles têm uma solubilidade limitada na água, de modo átomo tem grande diâmetro. O fóton desaparece do que a maioria do Tório presente nos folhelhos origina- meio, é absorvido ou aniquilado, enquanto o elétron se de partículas insolúveis provenientes da rocha transforma-se em fotoelétron livre. Esse efeito é matriz (dessa forma, a proporção do Tório e de seus denominado de Efeito fotoelétrico. elementos filhos é aproximadamente similar entre os O terceiro tipo de interação é o Efeito de Produção mais variados tipos de argilas). O Urânio e o Tório de Par. Nessa reação, o fóton incidente de alta estão presentes nas rochas originais como traços ou energia (>1,02 MeV), interage diretamente com o oligoelementos e, por terem raios iônicos da ordem núcleo dos átomos e sua energia é convertida em um de 0,97 e 1,02 Angstrons, respectivamente, não par de elétrons, um positivo (pósitron) e um negativo participam das estruturas cristalinas dos minerais (négatron). O elétron negativo torna-se livre. O positivo de argila, mas, antes, originam depósitos residuais tem vida bastante curta e reage com elétrons da (placers). Dissoluções e precipitações podem originar vizinhança, quando, então, ambos se aniquilam. mineralizações localizadas nos sedimentos. Os Raios Gama naturais possuem níveis energéticos Nos carbonatos, por outro lado, resultantes de da ordem de 1,46 a 2,62 MeV, e interagem, basicamente, desenvolvimento de matéria esqueletal, a radioatividade com a matéria de acordo com o Efeito Compton. Cada esperada é a mais baixa possível. Já os dolomitos, colisão significa perda sucessiva de energia até atingir por terem sido mineralizados por meio de águas um valor em que os Raios Gama tornam-se passíveis percolantes, com possibilidade de contaminação por de serem absorvidos pelo detector de radiação por radioelementos, apresentam uma radioatividade um meio do Efeito fotoelétrico. pouco maior que a dos calcários. Os arenitos, por terem mais chances de se contaminarem com argila, a deposição dos radioelementos são, das três rochas principais, as que apresentam a mais alta radioatividade. Os argilominerais, por sua vez, Os Raios Gama naturais originam-se de três resultam da hidrólise dos feldspatos e micas, origem fontes: dos principais elementos filhos provenientes da da riqueza em Potássio, além de alguns incluírem o desintegração do Urânio235, do principal elemento filho Potássio em suas unidades cristalinas. do Tório232 (Tálio208) e do Potássio (K40). Cada elemento As rochas cristalinas têm sua radioatividade bastante filho emite Raios Gama distintos em número e nível variável, a depender da proporção dos três elementos energético, caracterizando-o qualitativamente. O K40 citados e dos oligoelementos radioativos secundários. 469 Cap_6.2_ FFI.indd 11 9/12/2008 21:54:11 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea Com base na lógica deposicional discutida e Energia do pico fótons/ média em desde que não ocorram mineralizações radioativas Elemento principal (meV) segundo ppm localizadas, pode-se dividir as rochas, de acordo com Potássio 40 1,46 3,4 20.000 a radioatividade natural, em três grupos principais: 4 • Rochas altamente radioativas - folhelhos de águas Tório 232 2,62 1,0 x 10 12 profundas (formados por lamas de radiolários Urânio 238 1,76 2,8 x 104 6 e globigerinas), folhelhos pretos betuminosos, evaporitos potássicos (carnalita, silvita), arcósios tabela 6.2.1 - Componentes radioativos das argilas (Keys, e algumas rochas ígneas/metamórficas; 1989). • Rochas medianamente radioativas - folhelhos e arenitos argilosos de águas rasas, carbonatos e mais significativa ainda, porque são ricos em matéria dolomitos argilosos; e orgânica e têm grande capacidade de realizar trocas iônicas com as águas do meio ambiente onde foram • Rochas de baixa radioatividade - grande maioria depositados. Por essa razão, os folhelhos são as rochas de carvões e evaporitos não potássicos (halita, sedimentares que apresentam os mais altos valores de anidrita, gipsita). radioatividade, após os evaporitos potássicos. Dos demais sedimentos importantes para a acumulação os folhelhos sob o Ponto de Vista da de recursos minerais (calcários, dolomitos e arenitos), radioatividade natural a presença ou não de elementos radioativos depende bastante de seu ambiente deposicional. O folhelho é o produto da deposição em ambiente de baixa energia. Tem como principais componentes os 6.2.10 Principais tipos de Perfis argilominerais (esmectita, ilita, caulinita, clorita, camadas mistas e afins), representando estatisticamente cerca de Geofísicos 60% de seu volume. Os 40% restantes correspondem a Para que se possa extrair dos perfis geofísicos a grãos de quartzo, carbonato, matéria orgânica, minerais maior quantidade de dados confiáveis, o usuário deve diversos etc., ou seja, tudo aquilo que foi sedimentado entender os princípios básicos da operação de perfilagem juntamente com os argilominerais, desde que tenham e a física da medição das ferramentas usadas. Assim um tamanho máximo da ordem de 4 µ. procedendo, ele estará apto a detectar, no canteiro Além desta complexidade composicional, os de obras, os diversos problemas operacionais que folhelhos podem variar suas propriedades físicas possam ocorrer em um perfil, sanando-os de imediato na dependência do ambiente deposicional. Quanto ou exigindo a reperfilagem com outro equipamento. mais redutor o ambiente, maiores as chances de Caso contrário, alguns desses problemas poderão ser retenção de matéria orgânica (há uma tendência de interpretados como características petrofísicas que os microorganismos capturarem elementos radioativos poderão resultar em indicação de locais inadequados em seus corpos) e maior a radioatividade comparada para a colocação de filtros. àqueles depositados em ambiente não redutor. Uma baixa qualidade dos resultados, expressa Segundo Keys (1989), análises em 200 amostras nas curvas, pode levar a interpretações quantitativas de folhelho mostraram os resultados apresentados inconsistentes, as quais, por não se correlacionarem na tabela 6.2.1. Com base nesta tabela, os folhelhos/ com os dados obtidos no campo e/ou em laboratórios, argilas têm sua radioatividade natural oriunda, podem afetar seriamente a confiabilidade dos basicamente, do K40, de uma quantidade razoável de hidrogeólogos nos perfis geofísicos. Todo perfil Tório e de uma quantidade menor ainda de Urânio. geofísico deve ser submetido a um rigoroso controle Por outro lado, a intensidade da radiação de cada um de qualidade para separar o “joio do trigo”. deles é inversamente proporcional à sua quantidade. Como na pesquisa hidrogeológica deseja-se Essa combinação mineralógica registra uma amplitude determinar a qualidade da água, em termos de sais normal para os folhelhos, da ordem de 75 a 150 dissolvidos totais (STD) a partir da resistividade da Unidades ou Graus API (unidade estabelecida pelo água intersticial (rw), admite-se, de início, que as Instituto para padronizar as mais diversas unidades até rochas não contenham hidrocarbonetos (Sw = 1). É então existentes nas empresas de perfilagem). Todavia, bom lembrar que sempre existe a possibilidade de anomalias podem alterar tais valores, principalmente ocorrer petróleo em profundidades rasas e associado na presença de matéria orgânica e/ou enriquecimentos à água doce (por. ex. alguns campos de petróleo no naturais localizados. Por outro lado, o nível de Rio Grande do Norte). radioatividade dos sedimentos não é tão grande quanto Um modo simples de se entender os procedimentos aquele das rochas que os originaram, devido a de uma avaliação dos perfis geofísicos é por meio possíveis diluições, contaminações e intemperismos. da Lei de Archie. Essa lei experimental foi o ponto Entretanto, nos folhelhos, a radioatividade torna-se de partida para toda a técnica da perfilagem, muito 470 Cap_6.2_ FFI.indd 12 9/12/2008 21:54:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações embora tenha sido desenvolvida para ser aplicada em três elementos isoladamente, mas, sim, o somatório camadas isentas de quaisquer materiais condutivos delas) e aquelas com multicanais analisadores, que que não seja água. Manipulando-se as equações conseguem identificar todo o espectro energético, (6.2.12) e (6.2.14) tem-se: discriminando cada um dos componentes. São elas, respectivamente, Perfil de Raios Gama Convencional ηm . r r = 0 (6.2.15) (RG ou GR) e Perfil Gama de Espectrometria Natural.w a Portanto, para o cálculo de rw necessita-se, unidades usadas no Perfil de raios Gama no mínimo, da quantificação de duas incógnitas, que podem ser obtidas com o uso dos perfis (de A radioatividade registrada por um detector qualquer resistividade e porosidade) e da determinação de dois pode ser expressa em termos de peso de um elemento coeficientes, a e m, os quais podem ser obtidos em conhecido que produza uma quantidade de radiação laboratórios ou, eventualmente, usando-se os próprios equivalente. Assim, surgiu a Unidade ou Grau Padrão perfis. Um segundo modo de se obter rw é com a API (UAPI ou GAPI), que é a medida da radioatividade curva do Potencial Espontâneo (SP), a ser discutido de uma rocha artificial, que serve de padrão mundial, na em tópico próprio. Tradicionalmente, denomina-se a qual foi disseminada quantidade conhecida de Urânio, equação (6.2.15) de rwA (A de Archie). Tório e Potássio (K 40). A resistividade r0 é obtida com o uso dos perfis de resistividade profunda, capazes de investigarem fatores que afetam as leituras dos raios além da zona virgem. Por sua vez, a porosidade Gama (rG ou Gr) pode ser obtida com os perfis Sônico, Densidade e Neutrônico (os dois últimos utilizam fontes radioativas). Os folhelhos apresentam alto teor de Potássio, razão Assim, o mais simples dos programas de perfilagem, pela qual esse perfil é bastante usado na individualização deve constar de um perfil de resistividade e de, pelo entre os folhelhos e os não folhelhos, ressalvadas as menos, um de porosidade, para que se possa realizar possíveis condições de enriquecimento localizado por a quantificação de r . outros minerais radioativos (Césio, Polônio etc.). Vários w Os perfis mais usados na hidrogeologia brasileira fatores, extra litologia ou radioatividade, podem afetar são: Raios Gama Convencional, Potencial Espontâneo, os resultados apresentados por um perfil de Ralos Indução, Micro Perfil, Sônico, Cáliper, Inclinação e Gama. Entre eles ressaltam-se: o tipo de detector Temperatura. usado, a natureza estatística da radioatividade e o volume de rocha investigada pelo equipamento. 6.2.11 raios Gama Convencional (rG Cintilômetro - os Raios Gama produzem centelhas ou Gr) de luz ao atingirem um cristal de Iodeto de Sódio. Essas centelhas são convertidas em pulsos elétricos e Princípio de medição do Perfil de raios amplificados cerca de 1 milhão de vezes por um tubo Gama Convencional fotomultiplicador. Como a magnitude de cada pulso é diretamente proporcional à energia do fóton que atingiu Este perfil é o registro contínuo dos pulsos (contagem o cristal, pode-se com isto identificar se os diferentes por segundo - cps) emitidos pela radiação natural tipos de radiação foram provenientes do K 40 (1,46 MeV), 235 liberada pelos elementos Urânio, Tório e Potássio (K40) U (1,76 MeV) ou Th 232 (2,62 MeV). A vantagem dos das rochas. A emissão de fótons por qualquer elemento cintilômetros está no alto rendimento (50% a 60%), no radioativo obedece a uma distribuição gaussiânica, isto que resulta um máximo de detalhe e maior precisão é, o desvio padrão da curva é igual à raiz quadrada das leituras. Além do mais, os cintilômetros podem ser do número de observações realizadas. Quanto maior construídos em tamanhos relativamente pequenos, o número de fótons detectados, maior a fidelidade capazes de identificar camadas da ordem de 30 cm de da informação desejada. Para obter-se um perfil espessura (resolução vertical). Quanto maior o volume deste tipo, basta um detector de radioatividade do do cintilômetro, maior a contagem de fótons e maior a tipo Cintilômetro (cristais que emitem luz ou cintilam precisão das leituras. quando atingidos por um fóton), deslocando-se a Variações Estatísticas - nos primórdios da uma velocidade uniforme dentro de um poço. As perfilagem radioativa, houve a necessidade de se ferramentas mais antigas usavam detectores Geiger- introduzir o conceito de Constante de Tempo, que seria Müeller, cuja desvantagem estava no baixo rendimento o tempo, em segundos, no qual o detector realizava operacional, da ordem de 5 a 7%. uma média aritmética do número de fótons contados. Atualmente existem dois tipos de ferramentas para A seleção entre a constante de tempo e a velocidade registro dos Raios Gama naturais. As que utilizam um de perfilagem deveria corresponder a um critério ótimo só canal analisador do pulso total (que por essa razão de aceitação da qualidade da leitura, estabelecido pelo não discriminam a radiação emitida por cada um dos Instituto Americano de Petróleo (API). 471 Cap_6.2_ FFI.indd 13 9/12/2008 21:54:11 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea Atualmente, a digitalização dos perfis em tempo real, permite o uso de filtros tipo Gaussiânico, de tal sorte que o casamento entre a velocidade e a constante de tempo não são mais determinantes da qualidade do perfil, mas, sim, o tipo de filtro usado. Os perfis de princípio não estatísticos (elétricos, acústicos, etc.) são corridos, geralmente, com velocidades superiores aos radioativos. Todavia, deve prevalecer a menor velocidade dos perfis radioativos quando acoplados aos não radioativos. raio de Investigação ou Volume de rocha Investigado - estudos mostram que 90% do valor registrado pela curva dos Raios Gama provêm da zona localizada dentro do raio das 6 (seis) primeiras polegadas a partir da parede do poço. O efeito da interposição de material adicional entre o detector e a camada, além da lama e reboco (Efeitos do Poço), tais como cimento e o revestimento, reduz sensivelmente a intensidade da radiação útil para medição, mas não descarta totalmente a possibilidade de interpretação, dada a relatividade entre as litologias predominantes. usos Principais dos Perfis de raios Gama Convencional - o perfil de Raios Gama permite distinguir os folhelhos e/ou argilas dos demais tipos litológicos, tanto em poço aberto como em poços revestidos (metálicos ou PVC), o que o torna bastante útil em trabalhos de completação e restauração de poços. Sabendo-se que o perfil de Raios Gama reflete a proporção de folhelho ou argila de uma camada, pode- figura 6.2.2 - Perfil de Raios Gama Convencional (GR) se utilizá-lo como um indicador do teor de folhelho usado para cálculos quantitativos da argilosidade (VSHGR). O ou argilosidade das rochas (VSHGR). O Gr é também exemplo refere-se a um poço na Bacia do Tucano, formação usado para detecção e avaliação do teor de mine- São Sebastião. Os corpos de folhelho estão à direita e os rais radioativos, tais como urânio, tório e evaporitos de areia à esquerda. Observar a constância dos valores dos radioativos, tipo silvita, carnalita etc. folhelhos (LBF). O aqüífero superior tem uma radioatividade constante, enquanto o inferior tem uma radioatividade Cálculo da argilosidade com o raios Gama crescente para o topo. (VsHGr) - pelo fato de ter um caráter litológico, o Gr é apresentado sempre na primeira faixa à esquerda, 2. Escolha de um Gr em escala crescente da esquerda para a direita, de 0 - mínImo de modo a representar a litologia mais limpa observada no intervalo. No 150 GAPI. Eventualmente, quando a radioatividade da exemplo, esta aparece aos 237 m com o valor de área é alta, usa-se de 0 - 300 GAPI. Na figura 6.2.2,é 30 GAPI (linha pontilhada azul). apresentado um perfil de Raios Gama Convencional num poço aberto perfurado na bacia de Tucano, 3. Os itens 1 e 2 estabelecem os limites extremos entre formação São Sebastião, mostrando o cálculo de os folhelhos (argilosidade máxima) e as litologias argilosidade aos 221 metros. São os seguintes os sem argilas (argilosidade mínima). Deseja-se saber passos interpretativos, desde que abrangendo uma qual é a argilosidade (VSHGR) na profundidade de mesma formação, ambiente deposicional etc. 221 m, cuja leitura (GRLIDO) foi de, aproximadamente, 45 GAPI. 1. Definição, no intervalo a analisar, da linha de base dos folhelhos (LBF). Esta linha representará o 4. O próximo passo é o cálculo do Índice de GrmÁXImo, ou seja, a média dos valores máximos Radioatividade Linear (IGR): dos folhelhos, uma vez que a radioatividade é estatística. Evitar possíveis leituras resultantes de GRLIDO −GRIGR = MÍNIMO mineralizações localizadas, reconhecidas pelo GRMÁXIMO −GRMÍNIMO fato de extrapolarem o padrão normal do restante (6.2.16) da curva. No exemplo, a LBF ≈ 87 GAPI (linha pontilhada verde) IGR = 0,263 = 26,3% 472 Cap_6.2_ FFI.indd 14 9/12/2008 21:54:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 5. Estudos indicam que não existe uma perfeita linearidade entre o GrlIdo e o IGr, conforme mostra a equação (6.2.16), e apresentam várias equações não lineares para o fato. Em geral, consideram fatores como a idade, consolidação da rocha etc. Uma delas é: IGR VSHGR = A − (A −1).IGR (6.2.17) onde a constante a tem o valor igual a 3, quando as rochas são do Terciário, e a 2, quando as rochas são mais velhas. Como a formação São Sebastião é cretácea, então, VSHGR = 0,178 (17,8%). Identificação deposicional das Camadas - o formato da curva dos Raios Gama é também um dado importante, no que diz respeito ao diagnóstico deposicional das camadas. O perfil da figura 6.2.2, entre 231-238 m apresenta um formato de sino, enquanto que entre 201-213 m tem um formato de barril. Quais as implicações geológicas que se poderia tirar desses fatos? A curva tipo sino indica figura 6.2.3 - Perfil de Raios Gama em poço revestido com uma camada de base abrupta gradando para maiores PVC, produtor durante seis anos, mostrando incrustações radioatividades em direção ao topo (granodecrescência radioativas (Girão Nery et al, 2002). ascendente) até ser afogada por um corpo argiloso. Este comportamento é típico de depósitos com forma perfilagem geofísica com os perfis de Indução e Raios de leques (aluvial, deltáico, submarino etc.). Na curva Gama, com a finalidade de investigar possíveis rotas de tipo barril, não há sinal de gradação, quer no topo migração fluida (invasão marinha?). Lamentavelmente, quer na base, demonstrando granulometria constante não foi realizada uma perfilagem antecedendo a (limpa e grosseira), comportamento típico de depósitos completação do poço (a poço aberto), de modo preenchendo canais escavados. A curva dos Raios que não se pôde analisar melhor o fato, todavia, as Gama, desde que a radioatividade resulte da presença altíssimas radioatividades estão completamente fora de argilominerais, além de quantificar a argilosidade de um padrão deposicional normal, levando-se a das camadas é, também, um ótimo indicador das acreditar que trata-se de anomalias provocadas pelo condições deposicionais. tamponamento dos intervalos filtrantes e conseqüentes raios Gama em Poços revestidos - a indústria do incrustações radioativas. petróleo relata a presença de altíssimas radioatividades em perfis corridos em poços que tenham produzido 6.2.12 Potencial Espontâneo (sP) continuamente durante algum tempo. Em alguns desses poços, onde foram recuperados revestimentos, O estudo deste perfil pode ser abordado tanto sob o foi constatada a presença de crostas radioativas ponto de vista da termodinâmica como da eletricidade, aderidas às partes externas dos revestimentos. uma vez que ele resulta da difusão natural de cargas Tais crostas resultam da liberação dos isótopos do elétricas devido à presença de distintos fluidos Potássio, Urânio e Tório etc., durante interações entre eletrolíticos dentro das camadas porosas. a água produzida e os argilominerais, provocando tamponamento das aberturas filtrantes e forçando os Potenciais Elétricos naturais em um Poço fluidos a migrarem através do cimento micro ou macro fraturado, em busca de locais de menor pressão. A necessidade da lama, durante a perfuração Em poços produtores de água, embora não existam de um poço, é uma exigência natural, tendo como estudos desta natureza, é muito provável que ocorra objetivos, entre outros, a preservação das seções não um processo similar no pré-filtro, provocando idêntica consolidadas, lubrificação da coluna de perfuração e deposição. O perfil de Raios Gama mostrado na permitir o transporte de um suficiente suprimento de figura 6.2.3 é de um poço que inicialmente produzia amostras de calha (maiores detalhes no capítulo 6.1, 150 m3/h, com 65 mg/L de cloretos. Após 75 meses Projeto e Construção de Poços). Todavia, a coluna de produção, houve um substancial aumento no teor de lama exerce uma pressão hidrostática sobre as de cloretos, indo para a ordem de 1.200 mg/L. Devido camadas porosas e provoca uma filtração forçada pela à ocorrência dessa salinização, programou-se uma dissociação de seus elementos líquidos e sólidos. 473 Cap_6.2_ FFI.indd 15 9/12/2008 21:54:11 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea Essa filtração arrasta cargas iônicas para dentro das aqueles. Em segundo lugar, deve-se entender a razão camadas, dando origem a um potencial eletrocinético pela qual os argilominerais comportam-se como uma (E ). Considerando-se os pequenos raios de invasão membrana seletiva para as cargas elétricas.k envolvidos na maioria dos poços para a água, este As células cristalinas unitárias dos argilominerais potencial é desprezível. apresentam, estruturalmente, uma carga periférica Sendo a lama feita a partir de uma solução iônica negativa devido à quebra mecânica ou à substituição (água de rios, de poços vizinhos etc.), portanto, isomórfica que ocorre, naturalmente, durante a condutora da corrente elétrica, o seu filtrado também cristalização. Quando os folhelhos são imersos na o será. O contato físico do filtrado com a água dos água, os argilomi nerais não se dissolvem, ficam em aqüíferos, resulta em um potencial (queda ohmica = suspensão coloidal. Parte dos cátions estruturais produto da corrente pela resistência) denominado de permanece ionizada e solubilizada, passeando potencial eletroquímico de junção líquida (E ). livremente na água intersticial, enquanto que outra j O Ej é uma função da difusão das cargas elétricas parte fica presa eletrostaticamente às superfícies dos (ânions e cátions), na zona de contato entre duas argilominerais, capeando-a adsortivamente. Portanto, soluções de concentrações iônicas distintas, e ocorrerá os argilominerais são corpos elétricos carregados sempre que as mobilidades (velocidade de migração) positivamente em suas faces mais externas em contato das cargas negativas forem diferentes das cargas com o meio aquoso, dando origem ao excesso de positivas (os íons difundem-se do meio de maior para condutividade das rochas arenoargilosas. o de menor concentração ou, em outras palavras, do Separando-se duas soluções de distintas maior potencial de carga para o menor). concentrações por uma camada de folhelho, verifica-se Verifica-se, na termodinâmica, que soluções de que a livre movimentação dos cátions de uma solução sais monovalentes (NaCl) desenvolvem um potencial para a outra sofre uma repulsão devido à presença das de junção, em milivolts, igual a: cargas positivas adsorvidas, enquanto que os ânions atravessam o folhelho, do lado concentrado para o  a  diluído. Esse fenômeno dá origem a um novo tipo  v − u= −   R.T  E 1  .   . ln   (6.2.18) de potencial denominado Potencial Eletroquímico j  v + u  n.F   a2  de membrana (Em). Cada tipo de folhelho tem um potencial de membrana diferente, a depender da sua onde, r é a constante dos gases (8,314 Joules), t a composição, do tipo e percentual dos argilominerais temperatura absoluta, n a valência dos íons envolvidos e de suas respectivas capacidades de troca catiônica no processo, f o Faraday (número de Avogadro (CEC - Cation Exchange Capacity) com o meio. vezes a carga do elétron, ou, 96.540 Coulomb), v a Folhelhos onde predominam as ilitas e esmectitas têm mobilidade do Cloro, u a mobilidade do Sódio, ln base um potencial de membrana superior aos folhelhos com logarítmica natural e a1 e a2 as atividades das soluções, caulinitas ou cloritas. respectivamente, antes e após a difusão. O termo CEC define uma reação reversível na qual Atividade é a capacidade de movimentação de os cátions de um argilomineral hidratado podem ser cargas iônicas de uma dada solução. Ela depende, substituídos, na base de equivalente por equivalente, fundamentalmente, da relação entre as concentrações por outros cátions de carga similar, sem que cause do soluto e do solvente. Uma solução concentrada é, perda na estrutura cristalina do mineral. Estes cátions teoricamente, mais ativa do que uma diluída. não ocupam um lugar específico. Alguns localizam-se Em uma solução pura de NaCl, o cloro negativo tem em um plano paralelo à superfície do folhelho (plano uma mobilidade v = 7,91.10–4 cm/s/volt e transporta de Helmholtz) e outros, dentro de uma zona de difusão cerca de 60% das cargas existentes na solução. O que se estende além desse plano, em direção ao sódio positivo, por sua vez, tem u = 5,19.10-4 cm/s/volt centro do poro, onde a solução tem sua composição e e transporta os 40% restantes das cargas disponíveis. concentração original. Na equação (6.2.18), a presença Em outras palavras, o Cl– é 1,5 vezes mais veloz, ou de um folhelho inibidor da livre movimentação dos mais ativo, que o Na+. cátions, faz u tender a zero, enquanto que v permanece Ocorrendo a presença de interlaminações ou com um valor finito. Como conseqüência: disseminações de argilominerais nos poros dos R.T   a1  aqüíferos, de modo que os íons tenham que se Em = −  . ln n.F   a  (6.2.19) movimentar através deles, fenômenos elétricos  2  adicionais devem ser levados em consideração. Esse potencial extra, provocado pela passagem dos Para se compreender esses fenômenos adicionais cátions através dos folhelhos, aumenta a capacidade deve-se, em primeiro lugar, lembrar que um folhelho de transferência de cargas dos mesmos, em cerca de é um tipo de rocha que mineralogicamente está 5 vezes aquela que seria observada caso se tivesse composto por cerca de 60% de argilominerais e 40% de somente o potencial de junção de líquido (Ej). Sendo outros minerais, que foram sedimentados juntamente o folhelho uma membrana seletiva perfeita, ne nhuma com os argilominerais, com as mesmas dimensões que carga negativa o atravessará. 474 Cap_6.2_ FFI.indd 16 9/12/2008 21:54:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações a medida do sP em um Poço Conforme antecipado, o sP pode ser estudado sob dois pontos de vista relativamente distintos: o termodinâmico, que leva em consideração cargas em difusão, originando correntes elétricas sensíveis, e o elétrico, que leva em consideração as variações de correntes e potenciais, provocadas pelos deslocamentos dessas cargas. As equações (6.2.18) e (6.2.19) demostram o funcionamento do SP termodinâmico. o sP Elétrico O máximo potencial que se desenvolve no circuito em série, lama/rocha/folhelho/lama, é denominado de Potencial Espontâneo Estático, ou ssP, e corresponde a: SSP = Em + Ej (6.2.20) Devido aos baixos valores das pressões hidrostáticas envolvidas, pode-se desprezar o Ek, na pesquisa de água subterrânea. Entretanto, como ocorre um fluxo figura 6.2.4 - Princípio do perfil sP. A mobilidade do Cl- é iônico entre a lama e o aqüífero (resultante da invasão), maior que a do Na+, de modo que a curva toma um aspecto entre o aqüífero e o folhelho (resultante da troca de negativo (à esquerda) em relação à Linha Base dos Folhelhos, cátions) e entre este e a lama novamente, fechando um ver equação 6.2.25 (adaptado de Hallenburg, 1983). circuito em série, ocorrerá uma queda ôhmica em cada um dos elementos do circuito. O registro do total dessa do todo ssP, porquanto os eletrodos imersos na queda ôhmica (SSP) é impossível de ser realizado em lama medem apenas o diferencial de um potencial um poço, devido à natureza da pesquisa, já que um dos que se desenvolve dentro do poço e não dentro das eletrodos está localizado dentro do poço, deslocando- camadas. se a uma velocidade constante, e o outro, de referência, na superfície e mantido sob um potencial constante, o sP termodinâmico dentro da própria lama. Assim, o sinal do perfil sP É bastante difícil medir-se eletricamente o circuito reduz-se à expressão abaixo (figura 6.2.4): total do ssP, porém, é relativamente fácil medir-se a SSP = (Em + Ej ) = i(rm + rxo + ro + rsh ) (6.2.21) sua fração sP que ocorre dentro do poço. Segundo ilustra a figura 6.2.4, para tanto bastaria um eletrodo onde, rm, rxo, ro e rsh, correspondem, respectivamente, (E ) dentro do poço e um outro (E ) na superfície, às resistências da lama, da zonas lavada e virgem e 1 2dentro da lama. Devido a esta dificuldade operacional, da camada do folhelho adjacente, i é a corrente que a técnica de perfila gem optou pelo desenvolvimento se desenvolve devido às diferenças de concentração interpretativo do sP, de acordo com as equações da entre soluções. termodinâmica (6.2.18) e (6.2.19), simplificadas em: Observando-se a figura 6.2.4, o que o equipamento mede, na realidade, é o potencial entre o eletrodo  a SSP = E + E = −K . log w dentro do poço e o eletrodo da superfície, ou seja, a m j SP   (6.2.24) amf  queda ôhmica ocorrida na lama, denominada de sP, ou seja: onde, K sP é uma constante dependente da temperatura da camada e que engloba os demais elementos das SP = i . rm (6.2.22) duas equações, inclusive transformação do logaritmo natural para decimal (K = (65 + 0,24) vezes a Relacionando-se as equações (6.2.21) e (6.2.22), SPtemperatura da camada em 0C ou K = (61 + 0,133) obtém-se: SP vezes a tem peratura da camada em 0F). SSP SP = Experimentos mostram que soluções apresentando  rxo + ro + rsh  (6.2.23) salinidades menores que 50.000 ppm de NaCl (rw 1+  r  maiores que 0,1 Ohm.m@25ºC), têm suas atividades m químicas inversamente proporcionais às suas Pode-se concluir que a curva do sP, tal como resistividades. A equação (6.2.24) pode então ser registrada nos perfis, nada mais é do que uma fração reescrita como: 475 Cap_6.2_ FFI.indd 17 9/12/2008 21:54:12 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea  r  Efeitos ambientais sobre a Curva do SSP = −K log mf r  (6.2.25) Potencial Espontâneo w  Conforme a equação (6.2.20), o ssP é um onde rmf é a resistividade do filtrado à temperatura fenômeno elétrico que ocorre defronte a uma camada da profundidade estudada e ssP é o valor máximo porosa, ocasionado pela soma dos potenciais E e E da deflexão da curva. Por valor máximo de deflexão m j(e, eventualmente, o Ek). Por sua vez, o sP, conforme subtende-se que seja a diferença entre a máxima e a lido e registrado no perfil em milivolts, é apenas uma mínima leitura, na profundidade desejada, a exemplo fração do ssP (equação 6.2.23). Pelo que nela se do procedimento usado na escolha dos GRMÁXIMO e observa, o sP (ou a curva registrada no perfil) somente GRMÍNIMO do perfil de Raios Gama. será igual ao ssP, quando o termo entre parênteses, no Sendo o filtrado e a água da formação constituído, denominador, for igual zero. Isto será realidade apenas predominantemente, de NaCl, dentro do limite acima nos casos de elevados valores das áreas transversais explicitado, a equação (6.2.25) deve ser usada para à trajetória das correntes do sP, isto é, quando as determinar rw. Caso o filtrado e a água da formação camadas permeáveis forem bastante espessas. A tenham sais bivalentes predominando (caso das praticidade da equação (6.2.23), desenvolvida a partir águas superficiais ricas em Ca+2, Mg+2 e SO+2 ), a da teoria elétrica do sP, fica prejudicada pelo fato dela relação entre as atividades e as resistividades torna-se envolver trajetórias e áreas transversais, elementos complexa. Nestas situações, de acordo com estudos difíceis de se estabelecer com o uso dos perfis. Por este teóricos e experimentais de Gondouin et al. (1957), a motivo, a curva do sP é muito mais interpretada sob equação (6.2.25) deve ser modificada para: o ponto de vista da teoria termodinâmica (equações 6.2.18, 6.2.19, 6.2.24, 6.2.25 e 6.2.26) do que da teoria elétrica (equações 6.2.20, 6.2.21, 6.2.22 e 6.2.23).        aNa+ + a +2 + a   +2      Ca Mg    SSP = −K log w      (6.2.26) Qualidade da Curva do sP      aNa+ + a +2 + a   +2    Defronte a folhelhos ou rochas impermeáveis (onde    Ca Mg  mf  não ocorre invasão do filtrado, nem difusão de sais), a curva do sP mostra uma tendência quase retilínea sendo, onde aCa+2, aMg+2 e aNa+ representam as atividades por isso mesmo, denominada de linha base dos folhelhos correspondentes a cada tipo de cátion nas soluções: (LBF). Defronte a camadas permeáveis (onde ocorre água de formação (w) e filtrado (mf). invasão do filtrado), a curva do sP apresenta deflexões para a direita (convencionadas de positivas), quando o Encontram-se, na bibliografia, figuras ou tabelas filtrado for mais salgado do que a água intersticial e para que estabelecem fatores multiplicadores (denominados a esquerda (convencionadas de negativas), quando de fatores de Dunlap), para a conversão dos principais a água intersticial for mais salgada que o filtrado (ver íons em concentrações equivalentes a soluções equação 6.2.25). O sinal do sP é, portanto, uma função de NaCl (Dunlap & Hawthorne, 1951). Cabe aos do contraste das atividades ou resistividades entre a hidrogeólogos a respon sabilidade da pesquisa em água da formação e o filtrado da lama. cada bacia ou ambiente. O grande problema da Havendo, portanto, igualdade de salinidade entre equação (6.2.26) reside no fato de que inexiste, até o o filtrado e a água da formação, não haverá qualquer momento, bibliografia que relacione as atividades dos deflexão (log {rmf / rw} = 0). Quer dizer, tanto uma cátions bivalentes com resistividades, a exemplo do rocha impermeável como uma rocha permeávei, desde que existe para o NaCI. que contendo água intersticial de mesma ordem de É conveniente lembrar que em uma solução, salinidade que a do filtrado da lama, podem mostrar todos os sais dissolvidos e/ou ionizados, sem uma mesma linha base, como se fossem folhelho. Isto exceção, participam da condução da corrente iônica. pode gerar inconsistências em interpretações, que Daí dizer-se, em geral, que a medição laboratorial poderão computar uma espessura maior que a real da resistividade (ou da condutividade) é um dado para uma camada de folhelho, descartando possiveis mais realista, completo e significativo do que aqüiferos. Dúvidas de interpretação são tiradas com qualquer análise hidroquímica (considerando-se um maior número de perfis possíveis. Jamais deve-se que elas jamais analisam todos os tipos de íons usar uma só curva e conclusões intempestivas. presentes, mas somente os essenciais e eventuais Sendo o sP o resultado da circulação de uma oligoelementos). Por outro lado, os resistivímetros corrente contínua e bastante fraca (da ordem de contabilizam a condução efetuada por todo e milivolts), ele poderá ser perturbado ou influenciado por qualquer tipo de íon, por menor que seja a sua correntes espúrias (ruídos), que ocorram na vizinhança efetiva contribuição na solução, o que não é levado do poço, induzidas por fontes naturais e/ou artificiais. em consideração na equação (6.2.26). Alguns desses ruídos têm origem nos atritos do cabo 476 Cap_6.2_ FFI.indd 18 9/12/2008 21:54:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações com revestimentos ou peças metálicas (próximos ou dentro do próprio poço), nas redes de alta tensão, nas tempestades magnéticas, na movimentação de fluidos dentro do poço (poço em produção), nas transmissões de rádio etc. Os equipamentos para a perfilagem em poços de petróleo, usados atualmente na pesquisa de água subterrânea, estão munidos de filtros que minimizam (mas não eliminam) os citados ruídos. Exemplo do sP em Águas com Predomi- nância de naCl A figura 6.2.5 mostra uma curva de sP. Esta curva é também apresentada na primeira faixa (faixa das litologias). O perfil usado é o mesmo da figura 6.2.2. O Gr é a linha cheia e o sP, a pontilhada, na escala absoluta de – 50 a + 50 mV. Reparar a excelente correlação entre ambas as curvas. Os aqüíferos defletem, tanto no sP como no rG, para a esquerda e os folhelhos para a direita. A exemplo do perfil de Raios Gama, o folhelho é a base teórica da interpretação, desde que o intervalo a analisar corresponda a uma mesma formação, ambiente deposicional etc. A interpretação deve ser iniciada definindo-se a linha de base dos folhelhos (LBF) no intervalo a analisar. Esta linha deve tangenciar os folhelhos, uma vez que o sP não é estatístico. A lbf poderá variar de acordo com o potencial de membrana (Em) de cada tipo de folhelho. figura 6.2.5 - Poço mostrando curvas de rG (linha cheia) No presente poço, a lbf é da ordem de +17 e sP (linha pontilhada). Foram colocados filtros nos três miliVolts (linha pontilhada em vermelho). Estando os aqüíferos. A água recuperada apresentou uma condutividade de 1.271 µS/cm correspondendo a r (LAB) = 7,87 arenitos à esquerda da lbf, significa dizer que o wOhm.m@25oC, na mesma ordem de grandeza que o r (SP) maior potencial de cargas negativas está na água da w= 7,17 Ohm.m@25oC. formação (rw), mais salgada, e não no filtrado da lama (rmf), mais doce. Assim, ao se olhar rapidamente a o equação (6.2.25), verifica-se que para a obtenção de Temperatura da Superfície (205 m x (1m / 30 C + um sP negativo, rmf tem que ser maior que r , ou em 30 oC)= 36,8 oC); w outras palavras, o filtrado da lama tem que ser mais doce 7. Cálculo da constante da equação: K = 65 + 0,24 x que a água da formação. Após estas considerações 36,8 = 73,83; iniciais, apresentando como a curva deve ser analisada 8. Cálculo de r à Temperatura da Formação (r @ qualitativamente, deseja-se saber qual a salinidade da mf mfFT), usando a equação (6.2.6) (rmf = 9,72 Ohm.m@ água do arenito localizado entre 200 e 213 metros. Os 36,8oC , i.e., @ 205 m); seguintes passos interpretativos devem ser seguidos: 9. Determinação de rw, a partir de um rearranjo na 1. Definição da lbf (LBF = 17 mV); equação (6.2.25): 2. Escolha da camada para determinação de rw dentro r @FT das condições teóricas (espessura maior que 5 r = mfw  metros, saturada 100% com água etc.); SSP    (6.2.27)− K  3. Leitura da deflexão do sP em um ponto qualquer 10 da camada (para 205 m, SSP = 0 mV); 10. A equação (6.2.6) converte o valor de rw calculado 4. Cálculo da deflexão total do sP entre a lbf e a à ft para a temperatura de 25 ºC (padrão dos camada desejada (0 - 17 = -17 mV, negativo por laboratórios). Logo, rw = 7,17 Ohm.m@25 ºC; estar à esquerda da LBF); 11.Para finalizar o problema, usar a equação (6.2.5) e 5. Leitura, no cabeçalho do perfil, do valor de r e sua converter a rw em salinidade da camada (Salw = mf respectiva temperatura (no caso analisado, r 676 ppm equivalentes a NaCl);mf = 11 Ohm.m@30 oC); 12. Como a rw foi determinada usando-se o perfil do SP, 6. Cálculo da temperatura da camada escolhida: para identificar o método, convencionou-se denominar ft = Profundidade x Gradiente Geotérmico + de rw(sP) 477 Cap_6.2_ FFI.indd 19 9/12/2008 21:54:12 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea Interpretação do sP - Águas bivalentes certa forma relacionada com a permeabilidade (iônica e não fluida), não é aconselhável o uso do VsHsP. Não Para contornar o problema que ocorre entre as é somente a argilosidade que condiciona a curva do soluções sódicas e as cálcicas, magnesianas e sP. Vários fatores, já citados, exercem influência no bicarbonatadas, Gondouin et al. (op.cit.) desenvolveram sP, muito embora ela esteja parcialmente relacionada a equação (6.2.26). Eles afirmam que o filtrado deve com a argilosidade. ser considerado como sendo de NaCl. Entretanto, é bom lembrar que na pesquisa da água doce usa-se na lama, com bastante freqüência, águas de mananciais de 6.2.13 Elétricos Convencionais (Es) superfície ou, então, de poços vizinhos, águas portanto, A Condutividade Elétrica de um material é definida ricas em sais divalentes e bicarbonatos. Por outro pela lei experimental de Ohm e, em meios anisotrópicos, lado, o autor jamais viu uma só análise hidroquímica ela varia de acordo com a direção da medição. O número de amostras de filtrado na indústria do petróleo, a não de eletrodos e o modo de arranjá-los na sonda define ser na sua tese sobre filtração osmótica das argilas e dois sistemas de perfilagem elétrica convencionais. folhelhos (Girão Nery, 1989). Operacionalmente, o que se faz, durante toda e qualquer perfilagem, é apenas medir a resistividade da lama e do filtrado e determinar a sua sistema monoeletrodo salinidade como se fosse uma solução pura de NaCl. Uma outra maneira, mais específica, de se contornar Mede a resistência à passagem da corrente elétrica o problema foi realizada por Lima & Girão Nery (1999), através de um pacote de rocha localizado entre um usando análises hidroquímicas de amostras de água eletrodo A (emissor), que se desloca no poço, e um de 10 poços perf urados na Formação São Sebastião outro estacionário B (receptor), dentro da lama, na (Centro Industrial de Aratu), que apresentaram, além de superfície do terreno. Acoplados em série com os sódio e potássio, quantidades expressivas de cálcio e eletrodos, estão um gerador e um voltímetro. Uma magnésio. Os autores definiram uma relação empírica corrente alternada, constante, é enviada pelo cabo até entre atividade total e resistividade elétrica válida para o eletrodo emissor, espalha-se através das rochas e as águas dessa formação. Estudaram, também, as retorna ao eletrodo receptor na superfície para fechar águas usadas no preparo de lamas e verificaram que o circuito. Devido ao uso de corrente constante, elas eram, normalmente, feitas com argilas bentoníticas a variação do potencial observada no receptor é ricas em sódio e possuíam características químicas diretamente proporcional à resistência do material entre comparáveis às das águas subterrâneas. Dada a o emissor e o receptor. elevada capacidade de troca catiônica das bentonitas, Guyod (1944, 1945), demonstrou que a medida o fluido filtrado da lama tendia a comportar-se como efetuada pelos monoeletrodos depende de três uma solução de cloreto de sódio. Com isso, para resistências em série: (a) as resistências dos materiais as condições experimentais na região, as águas do que compõem o semi-hemisfério do eletrodo A; (b) a aqüífero São Sebastião, tomariam a forma: resistência da lama e rochas que circundam o eletrodo A (até a distância 10 vezes o seu diâmetro); e (c) a  r  resistência das rochas localizadas entre a distância SSP = −K log mf r (6.2.28) w(SS)  10 vezes o diâmetro do eletrodo A e o semi-hemisfério do eletrodo B. sendo, Teoricamente, são perfis de resistência elétrica ou resistividade aparente. Devido ao pequeno diâmetro r (SS) =1,465.r (SP)0,346 (6.2.29) dos eletrodos, sua investigação radial (10 vezes seu w w diâmetro) torna-se bastante influenciada pelo volume Tais resultados mostram que se não for feita uma de lama. Em locais desmoronados, cavernas ou distinção clara entre rw(SS) (resistividade da água do fraturas, os monoeletrodos registram a resistência São Sebastião) e a rw(SP), as estimativas baseadas da lama e não a resistência das camadas. Caso no nesta última podem levar a resistividades fictícias bem intervalo perfilado a resistência da rocha seja maior maiores que as resistividades verdadeiras das águas, que a resistência da lama, apenas uma pequena que se expressam eletricamente como mais diluídas parte da corrente fluirá pelas rochas. O restante do que realmente são. permanecerá circulando dentro do poço, que é o meio mais condutivo. outros usos da Curva do sP sistemas multieletrodos Usa-se também o sP para cálculos da argilosidade (VSHSP), admitindo-se a linearidade da resposta como São ferramentas com dois eletrodos emissores (A sendo resultado somente da argilosidade. Todavia, e B) e dois receptores (M e N). Medem um potencial tendo em vista que o sP representa a diferença de (V) ou uma diferença de potencial (∆V) entre M e N, a salinidade entre a lama e as águas intersticiais, de depender da configuração dos quatro eletrodos. 478 Cap_6.2_ FFI.indd 20 9/12/2008 21:54:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Existem dois sistemas multieletrodos usados no limitações dos Perfis Elétricos Conven- perfil Elétrico Convencional (ES): o normal e o lateral. cionais Dispondo-se os eletrodos de forma linear, para um melhor entendimento de como ambos os sistemas O principal problema enfrentado pelos usuários funcionam, tem-se: A (emissor) – M (medidor) – N destes perfis é o provocado pela distorção do campo (medidor) – B (receptor). elétrico devido às diferenças entre as resistividades O Sistema Normal é, na realidade, um bieletrodo, da lama e filtrado e a rocha. Esta distorção influencia uma vez que o eletrodo de retorno (B) e o de medição a leitura final da resistividade aparente (ra) afastando-a (N) ficam posicionados a uma grande distância de A cada vez mais dos valores desejad os para cálculos e M (próximos ou na superfície). Medem, portanto, petrofísicos quantitativos (r0). Quanto maior for o o potencial que ocorre entre M e N, teoricamente no afastamento entre os eletrodos de potencial, maior infinito. Este sistema está subdividido em Normal Curto será a penetração lateral de investigação, razão pela (distância AM igual a 16 polegadas) e Normal Longo qual os perfis elétricos convencionais foram montados (AM igual a 64 polegadas). com distintos espaçamentos entre esses eletrodos, no No sistema Lateral, os quatro eletrodos (A, B, M intuito de pesquisarem lateralmente as camadas em e N) estão posicionados na própria sonda dentro do penetrações distintas. poço, sendo que a distância entre o eletrodo A e o Teoricamente, a Normal Curta tem uma resolução ponto médio entre M e N, é de 18 pés e 8 polegadas horizontal da ordem de 16 polegadas (0,4064 m), a (5,7 m). Desta forma, é medido, portanto, o diferencial partir do eixo da ferramenta, e uma resolução vertical de potencial entre M e N. de 2 vezes 16 polegadas. A Normal Longa tem uma Como o meio investigado não é eletricamente resolução horizontal de 64” (1,6256 m) e vertical de homogêneo, nem uniforme (lama + rocha), a 2 vezes 64 polegadas. Finalmente, a Lateral, tem uma resolução horizontal de 18 pés e 8” (5,6896 m) e diferença ou o potencial entre os eletrodos M e N, resolução vertical de 2 vezes 18 pés e 8 polegadas. em qualquer um dos dois sistemas, dependerá das Compreende-se que para os três arranjos detectarem resistências radialmente dispostas em série dos um mesmo aqüífero, este deverá ter, no mínimo, o diversos materiais entre os eletrodos. Isto é, lama + dobro de 18 pés e 8 polegadas de espessura, isto é, reboco + zona invadida + zona virgem + rochas sobre aproximadamente 12 metros. Camadas mais finas que e/ou sotopostas. 12 metros receberão influências das rochas sobre e Em laboratórios, mede-se a resistividade de um sotopostas, principalmente na r . cilindro de rocha aplicando-se a equação r0 = K.(E/i), lat onde K é uma constante geométrica que depende do formato do corpo analisado (A/L). É importante Principais usos dos Perfis Elétricos Conven- lembrar que nestes experimentos o testemunho cionais fica envolto por um material isolante (geralmente o As curvas do perfil elétrico convencional devem ar), permanecendo as linhas de corrente totalmente ser usadas, preferencialmente, para correlações confinadas à geometria da amostra. geológicas. Quando ocorrerem camadas espessas, Em um poço, muito embora o arranjo dos deve-se dar a preferência à Lateral (18’8”) para a eletrodos seja o mesmo usado nos laboratórios (e investigação da zona virgem. Resguarde-se, entretanto, na eletroresistividade de superfície), as linhas de a possível falta de homogeneidade do meio em que corrente não ficam igualmente confinadas ao cilindro estes perfis forem corridos e os problemas distorsivos da amostra, mas, sim, dentro do conjunto infinito sobre as linhas de corrente, fazendo com que as que a envolve (lama/rocha). Desta forma, o fator equações pré-estabelecidas para volumes esféricos, geométrico K não mais será dado pela razão a/l. compostos de materiais homogêneos e isotrópicos, O efeito combinado da nova, e indefinida, constante calculem valores irreais. geométrica (G) e das propriedades distorsivas da coluna de lama do poço, resulta em uma resistividade aparente ra = G.(E/i). Exemplo de Perfil Elétrico Convencional Para cada arranjo entre os eletrodos de medição Na figura 6.2.6, é apresentado um exemplo de um e de corrente e suas respectivas distâncias, haverá perfil elétrico convencional. As curvas de resistividade sempre um valor numérico diferente para G. Todavia, são mostradas na segunda e terceira faixas, em escala não importa qual seja ele, o que importa é que todas linear, crescendo da esquerda para a direita, nas escalas as companhias de perfilagem deverão registrar, de 0 a 20 Ohm.m. Quando a resistividade ultrapassa em um mesmo poço, idênticos valores de ra. A os 20 Ohm.m, aparece uma curva reserva (back up), Resistividade aparente (ra) medida pela Normal mais espessa e em escala multiplicada por 10 (0 a 200 Curta recebe o nome de r16, rSN ou SN, a medida Ohm.m). Nos perfis atuais de resistividade, para evitar pela Normal Longa, de r64, rNL ou NL e a medida pela a apresentação dos altos valores por meio das curvas Lateral, de r18.8 ou rLat. de back up, foi adotada a escala logarítmica. O sP é 479 Cap_6.2_ FFI.indd 21 9/12/2008 21:54:12 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea registrado na primeira faixa, em escala relativa de x realizado para a avaliação do intervalo mostrado na miliVolts por cada divisão vertical (apresentação anterior figura indicou uma produção de cerca de mil barris de ao advento dos computadores nas unidades). petróleo por dia. Na indústria da água, o perfil elétrico Muitos campos de petróleo foram descobertos com convencional (ES) ainda é bastante usado e com este tipo de perfil, até mesmo após a chegada, em ferramentas de diâmetro da ordem de 2 polegadas, 1947, das primeiras ferramentas de princípio indutivo. sofrendo, por isso, a grande influência do ambiente O Es registra três curvas de diferentes profundidades (volume da lama etc.), sendo recomendados, portanto, de penetração (ou de diferentes resoluções radiais), para estudos qualitativos e não quantitativos. muito embora também com diferentes resoluções verticais (investiga espessuras distintas), espera-se que 6.2.14 Indução todas elas consigam mapear o comportamento das resistividades à proporção em que se avança o perfil. Os perfis elétricos convencionais (r16, r64 e Devido aos diferentes espaçamentos entre os r18.8) necessitam de um meio condutivo (lama) eletrodos e o fato da camada ser mais espessa que para proporcionar o acoplamento elétrico entre os a investigação vertical da rlat (cada quadrinho de eletrodos e as rochas. Assim, tais perfis não devem profundidade tem 1 m de espessura), pode-se ler, um ser usados em poços perfurados com lama muito pouco abaixo da metade do arenito, as resistividades condutiva (salmouras, quando os eletrodos entram representativas da zona lavada (20 Ohm.m), da zona em curto circuito) ou com lama isolante (base de invadida (60 Ohm.m) e da zona virgem (82 Ohm.m). óleo ou água muito doce, quando as correntes não Isto é, na medida em que aumenta a penetração penetram nas rochas). Além do mais, o campo lateral de investigação, são medidas resistividades elétrico sofre distorções, na dependência do contraste sucessivamente maiores. Este comportamento entre as resistividades da lama e das rochas. Para de curvas admite a interpretação de uma camada solucionar este tipo de problema, foi introduzido o portadora de hidrocarbonetos e água intersticial Perfil de Indução, cujo princípio físico tem por base salgada (Sw < 1), tendo sido invadida por um filtrado o acoplamento indutivo entre bobinas e rochas. Pelo de água bem mais doce (ver o SP negativo em relação fato de o campo eletromagnético não ser distorsivo, à LBF). Para que a figura 6.2.6 representasse uma ele penetra, indistintamente, em um meio com qualquer camada portadora de água mais doce que o filtrado da contraste elétrico, desde que a lama não seja uma lama, o sP teria que ser positivo, em relação a lbf e de salmoura, quando o sinal indesejável produzido pelo acordo com a equação (6.2.25). O teste de formação próprio poço torna-se muito maior que o das rochas. figura 6.2.6 - Exemplo de um Perfil Elétrico Convencional com ferramenta de 4 polegadas de diâmetro. Na primeira faixa, o SP. Na segunda, a r16 ou Normal Curta (linha cheia azul) e a r64 ou Normal Longa (linha pontilhada azul). Quando a r16 alcança valores menores que 4 Ohm.m, aparece a Normal Curta Ampliada de 0 a 4 Ohm.m (4 x r16). Na terceira faixa, a rLat ou r18.8 (verde). 480 Cap_6.2_ FFI.indd 22 9/12/2008 21:54:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Uma corrente alternada, ao circular através de uma que desenvolvem campos magnéticos secundários. bobina primária, produz um campo eletromagnético Estes campos secundários são captados pela bobina variável que se propaga com a velocidade das ondas receptora e registrados. de rádio, induzindo em outra bobina, secundária e A magnitude do sinal (fem = força eletromotriz) na dentro de sua zona de influência, uma voltagem de bobina receptora está diretamente relacionada com: (a) igual característica, porém, em sentido contrário e a permeabilidade magnética do meio; (b) a potência da defasada de 180o. Estando a bobina primária dentro energia aplicada; (c) a quantidade de voltas e a distância do poço, será criado um campo eletromagnético entre espiras; (d) a distância e posição de cada anel que penetra radialmente nas camadas vizinhas. Se unitário de rocha entre as bobinas, e (e) a direção ou condutivas, estas camadas comportam-se como sentido relativo de ambas as bobinas (transmissora bobinas secundárias. e receptora). Finalizando, a intensidade do campo Para a análise matemática, a corrente induzida secundário é diretamente proporcional aos elementos nas camadas deve ser subdividida em anéis unitários construtivos das bobinas e à condutividade elétrica das fechados, que circundam a bobina transmissora. Em rochas. Quanto menor a condutividade da rocha (com uma camada homogênea, estes anéis elementares água doce, hidrocarbonetos ou baixa porosidade), tomam a forma toroidal de simetria axial ao eixo do menor o campo secundário e vice-versa. poço. A densidade da corrente induzida em cada um A figura 6.2.7 ilustra o princípio do Perfil de Indução, desses anéis depende, principalmente, da posição considerando a ferramenta com duas bobinas, uma de cada um no espaço, com respeito às bobinas transmissora e uma receptora. A bobina receptora, transmissoras e receptoras. posicionada a uma distância fixa e pré-determinada da transmissora, detecta dois campos distintos: um base teórica e Princípio de funcionamento campo primário ou de acoplamento direto (também denominado em quadratura) e um secundário, gerado do Perfil de Indução efetivamente pela rocha. A amplitude do sinal de Para melhor entendimento deste perf i l , é acoplamento direto é maior do que a amplitude dos sinais preciso recordar algumas leis fundamentais do eletromagnetismo: • Lei de AMPÈRE (definida para condutores lineares) - “Todo corpo alimentado por uma corrente elétrica está circundado por um campo magnético cuja força é diretamente proporcional à corrente que flui naquele instante”; • Lei de BIOT-SAVART - Lei equivalente à de Ampère, porém, definida para corpos condutores circulares ou bobinas; • Lei de FARADAY - “Todo campo magnético que corta um condutor, induz no mesmo uma corrente elétrica diretamente proporcional à razão da mudança do fluxo”; • Lei de LENZ - “A corrente (força eletromotriz) induzida devido a essa mudança de fluxo, estará defasada de 90o da geradora e tem sentido contrário”. E para simplificar o entendimento do funcionamento figura 6.2.7 - Princípio do perfil de Indução. A corrente sinusoidal i aciona a bobina transmissora e gera o campo do perfil de indução, imagine-se uma ferramenta tmagnético primário (C ) que varre lateralmente as camadas constituída por duas bobinas. Uma primária ou Padjacentes (Lei de Ampère/Biot-Savart). Um anel elementar transmissora, usada para energizar as rochas condutivo de rocha, ao ser cortado por este campo, dá circunvizinhas, e uma secundária ou receptora, para origem à corrente (iA) secundária (Lei de Faraday), porém, detectar os sinais provenientes das rochas. A bobina de sentido contrário e 90o fora de fase da geradora (Lei de transmissora é alimentada por uma corrente de Lenz). Por sua vez, ia gera seu próprio campo magnético intensidade e freqüência (20 kHz) constantes, dando secundário (CS) que, ao cortar a bobina receptora, origina ir, o origem a um campo magnético primário, de formato defasada de 90 daquela do anel. Observe-se que dois sinais toroidal, que flui coaxialmente ao poço (perpendicular chegam simultaneamente à bobina receptora: um devido ao acoplamento direto entre a transmissora-receptora (AD), de ao eixo da bobina), varrendo as rochas radialmente. alta amplitude e defasado 90o da it, e um outro, de menor Por sua vez, o campo primário induz nos mais amplitude e defasado 180o da it e 90o de ia. O sinal a ser diversos materiais condutivos das rochas (grãos e/ medido é de baixa amplitude e defasado 180o correspondente ou fluidos condutivos intersticiais) correntes elétricas à resposta da rocha (adaptado de Schlumberger, 1984). 481 Cap_6.2_ FFI.indd 23 9/12/2008 21:54:12 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea provenientes das camadas, devido à pouca atenuação resistividade infinita. O autor considerou um campo ocasionada pela menor trajetória percorrida. Portanto, estacionário originado por uma bobina transmissora amplitude e ângulo de defasagem individualizam os com freqüência angular igual a zero: sinais de origem primária e secundária. Uma vantagem adicional do princípio indutivo é que, pelo fato de não ∆VR = K . g . C (6.2.30) necessitar do acoplamento galvoelétrico da lama, o onde Ké uma constante dependente das características Indução pode ser operado em poços perfurados com construtivas das bobinas transmissora e receptora fluidos não condutivos, como por exemplo ar, gás, óleo (raio e área, tipo do fio, número de voltas, freqüência ou lamas muito doces. usada, distância entre bobinas etc.). A constante lntuitivamente, pode-se deduzir que este tipo de g, denominada de Fator Geométrico, depende das ferramenta não deve ser usado em poços com lama coordenadas espaciais de cada elemento unitário muito salgada (acima de 30.000 ppm de sólidos condutivo, em relação às bobinas transmissora e totais), porquanto o sinal gerado pela própria lama será receptora, e ao seu afastamento do eixo da ferramenta bastante elevado, capaz de bloquear os sinais emitidos (raio). O somatório dos elementos unitários do meio, pelas zonas das rochas mais afastadas da parede do inclusive os da lama menos os de acoplamento direto, poço, ou seja da zona virgem onde se obtém r0. resulta no sinal total a registrar: Na realidade, as ferramentas pioneiras do perfil de Indução foram construídas com três pares distintos de ∆VR = K g(r,z).σ σ )dr.dz (6.2.31) bobinas. Duas maiores, denominadas de transmissora ∫∫ r z e receptora, principais (separadas entre si por 40 De acordo com a equação (6.2.31), dois são os polegadas ou 101,6 cm), duas menores, enroladas fatores geométricos, um horizontal e outro vertical. em sentido contrário das principais (para minimizar o Na resolução do fator horizontal, integram-se todos sinal de acoplamento direto), e duas outras, também os anéis localizados a uma distância radial constante menores, usadas para manter a corrente primária como do eixo das bobinas, variando sua posição no espaço que comprimida entre as duas bobinas principais. para cima ou para baixo até o infinito (-∞ a + ∞). Assim Esse último artifício faz com que a corrente primária procedendo, observa-se que o anel que fornece o maior penetre profundamente nas rochas, do modo mais percentual do sinal total a registrar está exatamente toroidal possível, dando origem ao conceito de na posição média entre as bobinas transmissora e focalização. Essa ferramenta, por possuir 6 bobinas receptora. Na resolução do fator vertical, integram-se e proporcionar uma focalização tanto vertical como todos os anéis posicionados a uma mesma distância, radial, é denominada de 6FF40. ou altura, entre as bobinas, aumentando-se seu raio As ferramentas indutivas de última geração utilizam- até o infinito (isto é, partindo-se do eixo das bobinas, se de dois ou mais jogos de bobinas acoplados em ou espessura zero, até + ∞). O sinal de maior peso, uma mesma ferramenta e totalmente individualizados no total a registrar, provém dos anéis localizados a uma pelo uso de freqüências distintas. Tais perfis têm a distância correspondente a igual distância entre as vantagem de investigar vertical e horizontalmente as bobinas transmissoras e receptoras. Desta integração camadas por meio de um mesmo princípio físico - o não mais se obtêm elementos unitários, mas, sim, indutivo, o que não ocorre nos perfis Elétricos. Além zonas toroidais que envolvem a ferramenta e enviam do mais, por terem construtivamente seus jogos de sinais do campo secundário para a bobina receptora, bobinas mantidos com uma mesma distância vertical, representando um volume total teórico de altura e tais ferramentas apresentam iguais resoluções verticais diâmetro igual à distância que separa as bobinas e distintas resoluções horizontais, uma vez que as transmissora e receptora principais. freqüências operacionais de cada jogo são diferentes. Desenvolvendo-se ∆VR para registrar as mais Freqüências diferentes proporcionam profundidades diversas zonas radiais do poço, tem-se: radiais de investigação também diferentes, de modo que se pode medir, com precisão, as condutividades ∆VR = (σ) = DIC = gm.σm + das zonas invadida (σxo) e verdadeira (σo), dentro de gx0.σ + (6.2.32) x0 g0.σ0 + gs.σs uma mesma espessura de camada. As ferramentas indutivas mais modernas são denominadas de Duplo onde, dIC (Deep Induction Conductivity) é a Indução, Phasor, HRI – High Resolution Induction, AIT condutividade lida no Indução, gm é o fator geométrico – Array Induction Tool etc. da lama de condutividade σm, gx0 é o fator geométrico da zona invadida de condutividade σx0, g0 é o fator geométrico da zona virgem de condutividade σ e g teoria do fator Geométrico 0 sé o fator geométrico da zona sobre ou sotoposta de Doll (1949), baseado na Lei de Biot-Savart, condutividade σs. desenvolveu a teoria do fator Geométrico, para Ao se usar um fluido não condutivo (água muito quantificar o sinal (∆VR) proveniente de um anel unitário doce, petróleo, gás ou ar) cuja condutividade tende imerso em meio homogêneo de condutividade zero ou a zero, os dois primeiros termos (gm.σm + gxo.σxo) 482 Cap_6.2_ FFI.indd 24 9/12/2008 21:54:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações também tenderão a zero. Sendo o aqüífero bastante em meio homogêneo e isotrópico, as quais passaram espesso, bem maior que a distância que separa as a fazer parte integrante dos sistemas internos das duas bobinas principais, o termo (gs.σs) também se ferramentas indutivas, denominados de boosting panels anula. Sobrará, então, o que nos interessa, isto é, a (painéis de reforço). Na prática, para condutividades condutividade no perfil será igual à condutividade menores que 1.000 mS/m (resistividades maiores que verdadeira da zona virgem (σIR = go.σo). O inverso da 1 Ohm.m) o sE é desprezível. σ (ou DIC) resulta na dIr (Deep Induction Resistivity). A equação (6.2.32) também pode ser expressa em Calibração da ferramenta de Indução termos de resistividades: Posicionando-se uma ferramenta de Indução ∆VR 1 gm gx0 g0 g= = + + + s (6.2.33) em um meio totalmente isolante (ar), o sinal a ser K DIR rm rx0 r0 rs registrado é proveniente do acoplamento direto entre as bobinas transmissora e receptora, uma vez que As equações (6.2.32) e (6.2.33) mostram, não existe meio condutor em sua volta para a criação respectivamente, que a medida das condutividades de campos secundários (imaginar a figura 6.2.7 no ar tem um comportamento de circuito elétrico em série, e sem o anel elementar de rocha). Com instrumental enquanto que as resistividades apresentam um adequado, calibra-se a bobina receptora para uma comportamento em paralelo. leitura de condutividade igual a zero miliSiemens. Em seguida, um anel calibrador de valor conhecido Efeito de Propagação (Skin Effect) é colocado na metade da distância entre as bobinas principais transmisssora e receptora. Esse segundo A teoria de Doll (op. cit.) foi amplamente aceita sinal registrado será proporcional à condutividade do durante muito tempo. Seu conceito simples anel, já que nenhum outro atinge a receptora. Portanto, caracterizava a resposta da ferramenta como um o Indução é um perfil que registra condutividades e as simples somatório de todos os elementos condutivos converte em resistividades para facilitar as correlações do meio. Lamentavelmente, Doll não levou em com seus antecessores Elétricos (ES). consideração o fato de que o campo magnético, ao deslocar-se através de um meio condutor, sofre uma diminuição em sua amplitude e alteração em sua fase, limitações do Perfil de Indução à proporção em que se afasta da fonte geradora. Em Uma das principais limitações do uso deste tipo outras palavras, ocorre sempre uma perda do sinal de perfil é observada nos poços perfurados com devido à atenuação da onda (que usa parte de sua lamas muito salgadas, quando, a exemplo dos perfis energia para criar as correntes secundárias), uma elétricos, não será possível obter-se a resistividade defasagem na ordem de 15o/metro e uma auto-indução verdadeira da camada, mas, sim, da zona invadida entre os elementos condutores vizinhos. Essa perda é (rxo). Além do mais, este perfil torna-se um tanto quanto conhecida como Efeito de Propagação ou Skin Effect impreciso nas zonas aeradas (S < 1), onde as rochas (δ), definido como sendo a perda de 37% da energia wde altíssimas resistividades tornam-se eletricamente da onda com a distância percorrida: ineficientes (presença do ar substituindo quase totalmente o fluido condutor). O raio de investigação 2 SE = δ = (6.2.34) vertical do Indução depende do espaçamento entre ω .µ .σ as bobinas transmissora e receptora principais (40 polegadas). Como conseqüência, o seu volume teórico onde, sE ou δ é o Efeito de Propagação, µ = 4π .10-7 de investigação é de 40 polegadas (1 m) de altura e H/m e ω é a freqüência angular usada. de igual diâmetro em torno do eixo do poço. Por essa Moran & Kunz (1962), com base nas equações razão e devido ao caráter focalizado, em camadas de de Maxwell, definiram expressões analíticas lineares espessura maior que 1 m e invasão radial (Di) menor exatas para ferramentas com duas bobinas, em meio que 60”, o Indução fornece resistividades das zonas homogêneo, e em várias situações possíveis de verdadeiras das camadas (ro) com bastante precisão. espessura e invasão. Em todos os modelamentos, o sinal medido na receptora era sempre menor do que Principais usos do Perfil de Indução o previsto por Doll. Concluiram eles que essa redução seria provocada pelo Efeito de Propagação. Devido ao grande volume investigado e por não ser Para comparar ambas as teorias, os autores o campo elétricomagnético distorsivo como o campo registraram separadamente o ∆VR em suas componentes elétrico, a dIr sofre apenas pequena influência do real (ou em fase com a transmissora) e imaginária (ou diâmetro do poço e, nos casos de invasão rasa (Di 90o fora de fase) e eliminaram a indutância mútua por < 60”), tem condições de fornecer a resistividade meio de calibração e/ou instrumentação. Estabeleceram verdadeira das rochas (ro). Tradicionalmente, acoplam- equações corrigindo o skin effect sobre a teoria de Doll, se à curva dIr duas outras curvas: a normal curta (r16) e 483 Cap_6.2_ FFI.indd 25 9/12/2008 21:54:12 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea o sP. Esta composição (DIR, SN e SP), permanece até adequados para minimizar ou eliminar os efeitos os dias atuais com o nome de Perfil Elétrico-Indução supracitados, tais como: (IEL ou IES). Por outro lado, a adição da r16 foi no sentido de fornecer uma aproximação da r , dada a sua • usar lamas resistivas, ou não condutivas, que x0 característica de investigação mais rasa que a dIr. reduzirão consideravelmente o termo gm/rm da equação (6.2.33); • a espessura da camada deve ser maior que Exemplo do Perfil de Indução (IEs) a distância entre as bobinas transmissoras e Na figura 6.2.8 é apresentado um exemplo de um receptoras principais, isto é, no mínimo 1 metro Perfil Elétrico-Indução. Com as leituras das ferramentas de espessura, para que o termo gs/rs da equação indutivas, corrigidas pelo sE, usa-se a equação (6.2.33) (6.2.33) seja eliminado. para calcular a resistividade da zona virgem (r0), a Em assim procedendo, a equação (6.2.33) ficará partir da leitura dIr do perfil, considerando-se que a reduzida a: soma dos fatores geométricos deve ser igual à unidade (gm + gx0 + gt + gs = 1). Em outras palavras, influem ∆VR 1 g g= = x0 + 0 percentualmente sobre a leitura dIr os seguintes K DIR r r (6.2.35)x0 0 efeitos: (a) poço (tipo e o volume da lama); (b) invasão (diâmetro da invasão e sua conseqüente influência A interpretação estará completa no momento em sobre rx0) e (c) a espessura da camada. que se tiver em mãos um perfil de rx0 (ferramentas É importante que o intérprete saiba escolher a de resistividade de alcance limitado à zona lavada/ ferramenta apropriada, para a definição da resistividade, invadida) e os gráficos de fatores geométricos em função do meio ambiente em que ela irá trabalhar estabelecidos por cada fabricante de ferramenta, que (itens a e b), para que as respostas das leituras brutas indicarão os valores para gx0 e g0, respectivamente. (DIR) sejam o mais realistas possível, isto é, aproxime- A primeira faixa à esquerda da figura 6.2.8 mostra se de r . as curvas do Raios Gama e a do sP, já mostradas 0 Caso se deseje obter o valor da resistividade da e discutidas nas figuras 6.2.2 e 6.2.3. Na segunda e zona virgem das camadas (r0), a partir da resistividade terceira faixas, em escala logarítmica, de 0,2 a 2.000 registrada (DIR), deve-se usar procedimentos Ohm.m, as curvas sn (r16) e dIr. figura 6.2.8 - Perfil Elétrico Indução (IEL), com as curvas litológicas na primeira faixa. Na segunda e terceira faixas as curvas de resistividade do Indução profunda (DIR) e a elétrica rasa (SN). 484 Cap_6.2_ FFI.indd 26 9/12/2008 21:54:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Os três t rechos com potencial aqüí fero, Duas distintas resistividades podem ser obtidas com identificados pelas curvas Gr e sP, estão localizados, esta configuração. Quando se mede o diferencial de aproximadamente, nos intervalos de 201 e 213, 219 potencial entre M e N (sistema lateral, denominado de e 222 e 232 e 238 metros, com os seguintes valores Microinversa – MI), a profundidade de investigação é aproximados de leituras (médias): da ordem de 1,5 polegadas a partir da parede do poço. Por outro lado, ao se fazer a leitura do potencial entre Intervalo Espessura rG deflexão sn (r ) dIr os eletrodos A e N (sistema normal, denominado de 16 (m) (m) (GaPI) sP (mv) (ohm.m) ( ohm.m) micronormal – MN ), a sua investigação alcança cerca de 2 polegadas. A abertura dos patins é usada para 201-213 12 35 - 17 22 38 registro de um cáliper de 2 braços. 219-222 3 46 - 17 21 23 Alguma situações interpretativas podem ocorrer: 232-238 6 30 - 30 40 58 (a) caso inexista reboco defronte a uma camada, por ser ela impermeável, ambas as curvas lerão rx0 e, caso Qualitativamente, o aqüífero superior é o mais folhelho, rsh; (b) caso o reboco seja muito espesso homogêneo, com pouca argilosidade (comparado ao (> 2 polegadas), ambas lerão rmc; (c) caso ocorra inferior, que tem uma base mais limpa). O intermediário desmoronamento além da máxima abertura dos braços é o mais argiloso. Todos os aqüíferos estão intercalados da ferramenta, ambas lerão rm e, finalmente, (d) caso com folhelhos, definidos pelo Gr e sP e por suas o reboco não seja muito espesso, a mn = rx0 e mI = baixas resistividades (comparativamente aos arenitos). rmc. Como rmc corresponde à resistividade de uma As discrepâncias observadas entre as resistividades lama prensada, ela terá um valor menor que rx0, que dos aqüíferos devem ser creditadas à argilosidade e/ é da rocha, muito embora a rocha tenha o mesmo tipo ou porosidade de cada um deles. de fluido que o reboco. A resistividade do filtrado (rmf) é da ordem de No último caso, quando rx0 > rmc (ou seja. MN > 11 Ohm.m@30oC (500 ppm equivalentes a NaCl), MI), ocorrerá uma separação entre as duas curvas, enquanto determinou-se, no exemplo do sP, aos separação esta denominada de positiva. Para analogia 205 m, uma água com r (SP) da ordem de 676 ppm, e correlação com os perfis de macro resistividade, a w justificando o sP negativo (em relação à LBF). mn é apresentada como linha pontilhada (a exemplo da DIR - investigação profunda) e a MI, cheia (a 6.2.15 micro Elétrico exemplo da SN - rasa). Usam-se hachuras nas separações positivas, para uma melhor visualização A argilosidade é um fator complicador tanto na do perfil. Separações entre curvas de resistividade interpretação dos perfis, em si, como na produtividade de profundidades de investigação distintas indicam a final dos poços, vez que sua presença diminui presença de fluidos ou materiais, também distintos, a permeabilidade das camadas. Todavia, essa entre elas. No caso do mEl, a presença de reboco. Para que haja reboco, a camada tem que ser porosa. Assim, preocupação não deve estar restrita apenas às argilas separações positivas indicam camadas permeáveis. A dispersas nos poros, mas, também, às laminadas. identificação de lâminas argilosas dentro dos aqüíferos Aquelas, prejudicam a permeabilidade e a porosidade, auxiliam o hidrogeólogo na escolha de locais de melhor tanto no sentido horizontal como no vertical. Estas, posicionamento para os filtros, evitando problemas por principalmente, a permeabilidade vertical. O perfil inchamento e migração das argilas, além de mostrar convencional de Raios Gama (GR) é mais afetado possíveis barreiras hidráulicas verticais. pela argilosidade dispersa que a laminada e pelo fato de realizar leituras em intervalos de 7,6 cm, pode deixar de reconhecer interlaminações mais finas que Exemplo de Perfil micro Elétrico sua resolução. Para a identificação da argilosidade laminada usa-se o perfil Micro Elétrico (MEL). Na figura 6.2.9 é apresentado um exemplo de um Perfil Micro Elétrico. Lamentavelmente, um estrangulamento aos 402 m não permitiu que a Princípio de funcionamento do Perfil micro ferramenta do mEl alcançasse o fundo do poço. O Elétrico Gr mostra-se pouco diagnóstico (radioatividade das areias semelhante à dos folhelhos), impossibilitando Esta ferramenta é uma simples miniatura do macro uma melhor individualização do que seja arenoso do perfil elétrico convencional (ES), com suas curvas Micro realmente argiloso (escala do GR varia de 0 a 200 Normal e Micro Lateral. Três eletrodos pontuais (A, GAPI). Ao contrário, o sP indica uma permeabilidade M e N), separados de uma polegada entre si, estão iônica nos intervalos poucos espessos entre 316-318, localizados em um patim de borracha comprimido 320-324, 327-330, 337-341 metros e, principalmente, contra a parede do poço. O eletrodo de retorno (B) está a partir dos 387 metros. Os demais intervalos não no infinito elétrico. O eletrodo A é o emissor de corrente, citados, dada a indefinição dos Raios Gama, admitem enquanto M e N são os eletrodos de potenciais. dúvidas quanto à ocorrência dos baixos valores da 485 Cap_6.2_ FFI.indd 27 9/12/2008 21:54:13 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea dIr e sn, os quais poderiam corresponder tanto a Dos 387 até 341 m, as microresistividades e as variações nas propriedades dos folhelhos quanto à macroresistividades apresentam valores da ordem de 2 pres ença de aqüíferos areno-argilosos, saturados Ohm.m e uma total ausência de separações positivas. com água relativamente salgada. Dúvidas deste Nos intervalos citados acima (316 - 318, 320 - 324, 327 tipo poderão ser dirimidas com o mEl, mostrado na - 330, 337 - 341 metros) ocorrem pequenas separações terceira faixa, observando-se as separações positivas, positivas, sendo que o segundo deles (320 - 324 m) é as quais indicam, permeabilidades fluidas de caráter tipicamente interlaminado. qualitativo (presença de reboco) mais importante As separações negativas (MN < MI) não têm muito que as permeabilidades iônicas (difusão de íons) significado geológico, podendo resultar da interposição mapeadas pelo sP. de lama entre a rocha e o patim. Elas devem ser Na base do intervalo perfilado, entre 387 - 394 m e analisadas com mais detalhes. repetindo-se entre os 394 - 400 m, as microresistividades mostram dois aspectos numericamente distintos, indicando que se tratam de litologias permeáveis, 6.2.16 Perfil sônico porém distintas em cimento, granulometria etc. A maior O Perfil Sônico representa um dos meios de se separação, positiva, do intervalo 387 - 394 m, não lhe obter a porosidade dos aqüíferos medindo o tempo de confere, necessariamente, uma maior permeabilidade. propagação, ou de trânsito, gasto por uma onda acústica Separações positivas maiores e/ou menores podem para atravessar um determinado espaço de rocha. A ser fruto de contribuições maiores e/ou menores da velocidade de propagação do som varia de acordo com espessura do reboco, diâmetro do poço e contraste o meio em que suas ondas viajam. Ela é mais rápida nos de resistividade entre a resistividade do reboco (rmc) sólidos que nos líquidos e nos gases. Velocidade maior e a da zona lavada (rx0). significa tempo menor. figura 6.2.9 - Exemplo de Perfil Micro Elétrico. Na primeira faixa, as curvas litológicas (SP e GR). Na segunda, as curvas de macro resistividades (DIR – Indução e SN – Normal Curta, correspondendo à zona virgem). Na terceira faixa, as curvas de microresistividades (correspondendo às zonas lavada e/ou invadida). O sombreamento indica as separações positivas (MN > MI), que ocorrem pela interposição do reboco defronte às camadas porosas. Notar a diferença de comportamento das macroresistividades (20-30 Ohm.m) e microresistividades (6-15 Ohm.m) abaixo dos 387 metros. Estas diferenças podem ser interpretadas como variações texturais, cimentação etc. Acima de 387 m, as macro e microresistividades coincidem, indicando invasão rasa (predominância de rochas argilosas), exceto nos pequenos intervalos de separação positiva. 486 Cap_6.2_ FFI.indd 28 9/12/2008 21:54:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Considerando-se dois volumes iguais de rocha, o que tiver uma maior quantidade de líquido intersticial (maior porosidade) mostrará um tempo maior do que o outro com menos líquido (menor porosidade). Assim, o uso principal do perfil sônico está relacionado diretamente com os tempos e as porosidades das camadas. Um sinal acústico pode ser caracterizado por meio de quatro parâmetros principais: (a) tempo de trânsito, inverso da velocidade de propagação; (b) amplitude, que representa o decréscimo exponencial da onda à medida que ela se afasta do transmissor; (c) atenuação, que é a medida do decréscimo dessa amplitude com a distância e, (d) freqüência (ou sua recíproca, período), que fornece o número de oscilações por unidade de tempo. O perfil sônico registra apenas os tempos, enquanto que o Cbl (Cement Bond Log - usado na Engenharia de Perfuração/Produção para a determinação da pega do cimento), registra as amplitudes e tempos. Princípio da medição do tempo de trânsito O princípio básico deste perfil requer a utilização de um transmissor de energia acústica, de freqüência ultra-sônica, deslocando-se dentro do poço, emitindo ondas compressionais. A onda acústica saída do transmissor propaga-se pelas camadas circunvizinhas ao poço até ativar sucessivamente, pelo menos dois receptores, localizados a distâncias fixas e definidas. Os transmissores e os receptores consistem de transdutores feitos de cristais, cerâmica ou bobinas figura 6.2.10 - Princípio de funcionamento do perfil sônico. magnéticas. Eles têm a função de produzir uma T é o transmissor, R1 é o receptor próximo ao transmissor deformação mecânica, em resposta a um sinal elétrico (3 pés) e R2 é o receptor longe do transmissor (5 pés). A (caso dos transmissores) ou um sinal elétrico, quando distância d considerada para o cálculo da diferença do tempo se deformam (caso dos receptores). Admitindo-se a de trânsito é, portanto, de 2 pés. representatividade das ondas elásticas como raios (a exemplo da ótica), pode-se verificar que elas atingem Para ilustração de como o perfil sônico funciona, as paredes do poço de três maneiras: considere-se uma ferramenta, como a da figura 6.2.10 • com um pequeno ângulo de incidência, quando (1 transmissor e e 2 receptores), dentro de um poço toda a energia é parcialmente refletida de volta preenchido por uma lama de velocidade vlama= 5.000 ao poço e parcialmente refratada, de maneira pés/s e defronte uma camada de velocidade vfm=18.000 compressional e cisalhantemente, para dentro das pés/s. De acordo com o princípio de Fermat, o tempo a rochas, dispersando-se totalmente; ser medido será o mínimo possível para a onda percorrer • com um grande ângulo de incidência, quando toda a os dois pés que separam os receptores R1 e R2. Desde energia compressional se reflete de volta ao poço; que centralizada (isto é, trajetórias a = c = e), o tempo será igual a 2/18.000 = 0,000111 segundos ou 111 µs. Como o • com um ângulo igual ao ângulo crítico de incidência tempo foi em relação a 2 pés, o aPI padronizou a unidade (ângulo este definido pela lei de Snell), quando do Sônico em microssegundos por cada pé de rocha (µs/ ocorrem refrações, dos dois tipos de ondas, a 90o. pé), o que significa dizer que o sistema da ferramenta tem Isto é, elas propagam-se paralelas ou próximas à que dividir o resultado por 2 e imprimir, no perfil, o tempo parede do poço. de trânsito como sendo igual a 55,5 µs/pé. A ferramenta, em si, é simples. A figura 6.2.10 mostra um impulso sonoro que, saindo do transmissor Perfil sônico Compensado T, percorre uma trajetória a-b-c até atingir o receptor R e a trajetória a-b-d-e até atingir o receptor R . Os Para minimizar os efeitos das inclinações da 1 2 tempos calculados, conduzem a um diferencial de ferramenta dentro do poço e/ou dos desmoronamentos, tempo (∆T) correspondente à distância entre R1 e R2, que possam afetar a condição de centralização, as fixada em 2 pés (30,48 cm). ferramentas sônicas são construídas simetricamente 487 Cap_6.2_ FFI.indd 29 9/12/2008 21:54:13 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea com 2 transmissores, um superior e outro inferior, e 4 Segundo Wyllie (1956), o tempo de trânsito (∆t) receptores, que operam alternadamente na obtenção deve ser obtido por meio do balanço do tempo dos de 4 tempos e, por conseguinte, 2 ∆Ts, cuja média elementos envolvidos na trajetória do impulso sonoro aritmética é o valor de registro no perfil. As distâncias (Lei das Misturas): entre os receptores perto e longe continuam mantidas, respectivamente, 2 e 3 pés. Essa versão ∆t = η.∆tf − (1− η).∆tm (6.2.36) ferramental foi denominada de bCs ou bHC (Bore A porosidade calculada a partir do perfil sônico, Hole Compensated Sonic). aqui designada de porosidade sônica (ηs), será dada por: o Perfil sônico e as Porosidades das rochas ∆t -∆tη = ms ∆tf -∆t (6.2.37) m Antigamente, este perfil era utilizado como uma ferramenta auxiliar da Sísmica. Posteriormente, Wyllie A porosidade calculada é um dado adimensional (1954), estudando a correlação que existe entre o tempo e assim deve ser usada nos demais cálculos de trânsito e a porosidade das rochas, demonstrou interpretacionais, muito embora coloquialmente ela seja que esse perfil pode ser usado, com sucesso, para expressa em termos percentuais. Para efeito de cálculos, determinar a porosidade intergranular. considera-se os parâmetros acústicos apresentados Observando-se uma onda sonora através do na tabela 6.2.2 para os tempos (compressionais) de osciloscópio do equipamento, verifica-se que diversos tipos de matrizes e fluidos. as primeiras chegadas correspondem às baixas Com base na equação (6.2.37), a ausência de amplitudes das ondas compressionais, que se porosidade nas rochas sedimentares fechadas propagam mais rapidamente que as de cisalhamento, ou cristalinas indica que ∆t = ∆tm. Isto é, o tempo as quais chegam logo após e com amplitudes registrado no perfil (∆t) será igual ao tempo da matriz mais altas que as primeiras. As últimas amplitudes (∆tm) da rocha. Esse tempo é diagnóstico para a correspondem às ondas diretas vindas pela lama. maioria dos materiais citados na tabela 6.2.1, servindo Por conseqüência, somente aqueles eventos mais para a realização de verificações acerca do perfeito velozes causados pelas refrações compressionais são funcionamento da ferramenta. Assim o ∆t deverá ler registrados pela ferramenta. O conjunto de amplitudes sempre 67 µs/pé defronte a camadas puras de halita ou registro total é denominado de trem de onda. O (NaCl) e 57 µs/pé defronte aos tubulões etc. Tempos trem de onda contém todos os dados possíveis de de trânsito diferentes dos citados na tabela devem ser serem registrados, os quais, embora sem uso prático investigados, porquanto podem resultar de ferramenta para trabalhos de rotina, são de grande valia para a mal calibrada ou defeituosa. definição das características mecânicas das rochas A equação (6.2.37), conhecida como Equação (cálculos das constantes elásticas e determinações do tempo médio de Wyllie, somente calcula as litológicas). porosidades realistas das rochas quando elas A maneira mais simples de se compreender a apresentam-se saturadas com água (Sw = 1, portanto correlação entre a porosidade e o tempo de trânsito, o ∆tf = ∆t da água), compactadas, com porosidade é usando o modelo abaixo. intergranular e totalmente isentas de argila (VSH = 0). Raymer et al. (1980) demostraram em laboratório que a resposta do perfil sônico não seria tão linear conforme definida por Wyllie (op. cit), mas que deveria ser expressa como:  ∆t − ∆tη m s = CR .  ∆  (6.2.38)t Observa-se que esta última equação não requer o conhecimento do tempo do fluido (∆tf), como na de Wyllie (op. cit.), mas somente da matriz (∆t ) e de um ∆tm = tempo de trânsito da onda na matriz da rocha m coeficiente empírico Cr, da ordem de 0,625. Para os ∆t = tempo da combinação de fluidos nos poros valores de porosidades até 30%, ambas as equações f (a de Wyllie e a de Raymer et al.) são bastante ∆t = tempo lido pelo perfil sônico coincidentes. Para camadas com porosidades acima η = porosidade total da rocha daquele valor (normal nas profundidades mais rasas em que se perfura para água), é preferível usar-se a ηs = porosidade calculada usando o perfil sônico equação (6.2.38) em vez da (6.2.37). 488 Cap_6.2_ FFI.indd 30 9/12/2008 21:54:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Volume Investigado pelo sônico Efeito da ausência da Compactação sobre a Porosidade sônica O raio de investigação do perfil Sônico varia com a freqüência utilizada e com a velocidade de propagação Rochas não compactadas são, em grande parte, do som nas rochas. Estudos de Pirson (1963) indicam sedimentos recentes ou pouco profundos, com altas que ele é da ordem de 3 vezes o comprimento de onda porosidades, onde a água ainda suporta a pressão (λ), sendo λ = v/f. Ao usar-se uma freqüência (f) de das camadas sobrepostas. Devido a este fato, Wyllie 20.000Hz defronte a uma rocha de velocidade (v) de (op. cit) constatou atenuações nas ondas acústicas 5.000 pés/s (1.524 m/s), o raio de investigação do perfil originando aumentos nos tempos medidos (stretches) Sônico será da ordem de 0,75 pés (23 cm). Para rochas e, por conseqüência, aumentos nas porosidades de 25.000 pés/s (7.620 m/s), o raio de investigação calculadas, segundo a equação (6.2.37). Em vista seria de 3,75 pés (114 cm). Reduzindo-se a freqüência, disso, sugeriu, com base experimental, que os próprios aumenta-se a profundidade de investigação. folhelhos adjacentes fossem usados como elementos Alguém poderá, então, argumentar que se os perfis indicadores da compactação ou não das rochas. de resistividade são afetados pelo filtrado invasor, Estando os folhelhos adjacentes compactados, os então, o sônico também o será. Observe-se alguns corpos intercalados também estariam. valores da tabela 6.2.2. A água doce da zona lavada O Indicador de compactação para correção da de uma camada porosa qualquer é a mesma usada ηs é, portanto, uma função do tempo de trânsito para confeccionar a lama (por exemplo, 200 ppm, dos folhelhos (∆tSH) sobre e sotopostos à camada portanto, de tempo igual a 200 µs/pé). Suponha-se analisada. O fator c varia entre 0,8 e 1,2, de acordo que a zona virgem desta mesma camada tenha uma com a área, formação etc. água de 100.000 ppm (portanto, tempo igual a 192,3 µs/pé). A diferença entre os tempos dos fluidos será η = η 100. (6.2.39) de apenas 7,7 insignificantes µs/pé! Todavia, diferença scp s c.∆ tSH exagerada existe entre os valores de resistividade de ambas soluções. A água de 100.000 ppm tem uma onde ηscp é a nova porosidade sônica corrigida pela resistividade de 0,075 Ohm.m@25oC, enquanto que ausência da compactação. a de 200 ppm, à mesma temperatura, tem 45 Ohm.m. Considera-se uma camada como não compactada Quer dizer, os perfis de resistividade são muito mais quando o ∆t dos folhelhos sobre e sotopostos (∆tSH) afetados pela invasão que o perfil sônico. apresenta valores maiores que 100 µs/pé. Quando o ∆tSH≤ 100 µs/pé, a rocha é considerada compactada e não se deve usar a correção. Assim, dois arenitos tempo de trânsito Velocidade material Puro que apresentem um mesmo valor de porosidade, não (μs/pé) (pés/s) têm que ter, necessariamente, um mesmo tempo de Dolomita 43,5 22.988 trânsito, desde que um deles seja compactado e o Diabásio 44,6 22.435 outro não. Convém lembrar que as rochas endógenas Calcário 47,6 21.008 (calcários e dolomitos) não apresentam este problema Anidrita 50,0 20.000 (ausência de compactação), vez que, por serem Granito 50,8 19.685 produtos de precipitações químicas e/ou crescimento orgânico, são naturalmente compactadas. Gipsita 53,0 19.047 Arenito (quartzo) 55,5 18.018 Revestimento (aço) 57,1 17.500 Efeito da Porosidade secundária sobre a Basalto 57,5 17.391 Porosidade sônica Folhelho 60,0 - 170,0 (*) 16.666 - 5.882 (*) O perfil sônico registra sempre o menor tempo de Halita 66,7 15.000 trânsito, ou, de acordo com Fermat, o primeiro evento Água (100.000 ppm) 192,3 5.200 chegado ao receptor, não interessando qual tenha sido Água Pura (doce ) 200,0 5.000 a trajetória percorrida pela onda. Uma vez que o som Petróleo 238,0 4.200 percorre a matriz de uma rocha em maior velocidade do Metano 626,0 1.600 que em qualquer tipo de fluido, este perfil tende a registrar Ar 919,0 1.088 somente a porosidade interligada ou intergranular, (*) Variação decorrente da composição mineralógica, uma vez que não registrando aquelas porosidades isoladas, tipo os folhelhos não são materiais puros, mas, sim, misturas complexas cavidades, vesículas e algumas fraturas. Assim, não é (compilação da literatura existente). aconselhável usar-se as equações de Wyllie (op. cit.) ou tabela 6.2.2 - Valores laboratoriais médios de tempos Raymer et al.(op. cit) para litologias que apresentem tais de trânsito (µs/pé) e velocidades compressionais (pés/s) tipos de porosidade secundária, porquanto as ηs serão de matrizes e fluidos. Dados compilados de publicações por demais pessimistas, a não ser que a cavidade seja diversas e/ou fornecidos pelas companhias de serviço. extensa ou a fratura sub horizontal e aberta. 489 Cap_6.2_ FFI.indd 31 9/12/2008 21:54:13 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea Efeito matricial sobre a Porosidade sônica Considere-se uma rocha compactada, com matriz igual a 50% de arenito e 50% de calcário. Aplicando-se a Lei das Misturas à matriz da rocha, tem-se: ∆ t = ∆tm (1− VSH− η) + VSH.∆tf + η.∆tf ∆t − ∆tm  ∆tsh − ∆t η = − VSH m (6.2.40) ∆  tf − ∆tm  ∆tf − ∆tm  ∆tm = 0,5 (55,5) + 0,5 (47,6) = 51,55 µs/pé Denominando-se os termos (∆t - ∆tm)/(∆tf - ∆tm) A leitura final do perfil será, então: de porosidade sônica, ηs (calculada como se fora ∆t 0,9 (51,55) 0,1 (200) = 66,395 µs/pé uma rocha limpa, sem argila), VsH de argilosidade = + (calculada, por exemplo, com a curva de Raios Gama) Três serão as situações que um intérprete e (∆tsh - ∆tm)/(∆tf - ∆tm) de porosidade aparente do enfrentará para solucionar o problema (usou-se a folhelho adjacente, ou ηs(sH), obtém-se a porosidade equação 6.2.37): sônica corrigida pela argilosidade, ηsc: • caso ele considere a camada como sendo η = η − VSH.η (SH) (6.2.41) constituída somente por arenito, ele calculará uma sc s s porosidade sônica igual a 7,54%; O termo ηs(sH) é denominado de porosidade • Caso considere somente calcário, ele calculará “aparente” do folhelho, devido ao fato de ter sido 10,36%; e usado na dedução da equação (6.2.40) um único • caso ele tenha informações adicionais (testemunhos, valor para o ∆tm como se fora uma mesma litologia, conhecimento da área etc.) acerca da litologia da uma vez que dada a complexidade dos folhelhos, camada, não cometerá os erros acima, porque geralmente, não se dispõe do valor matricial realista, estará calculando a porosidade sônica real da a não ser em laboratório. Portanto, deve-se usar, tanto rocha: para ηs como para ηs(sH), os valores referenciados na tabela 6.2.2. 66,395 − 51,55 ηs = = 0,1000 = 10,00%200 − 51,55 Efeito de Hidrocarboneto sobre a Porosidade O primeiro intérprete foi pessimista, o segundo otimista sônica e o terceiro realista, porque para resolver o seu problema usou muito mais informações que os anteriores. Chama-se a atenção dos que trabalham em hidrogeologia para a possibilidade de ocorrência de Efeito da argilosidade (VsH) sobre a hidrocarbonetos pouco profundos em algumas bacias Porosidade sônica brasileiras, a exemplo do Rio Grande do Norte e Sergipe. Em tais situações, os cálculos das porosidades sônicas Um arenito argiloso contém um maior volume correm o risco de serem afetados pela quantidade de de água adsorvida aos minúsculos grãos dos hidrocarboneto presente nas camadas, principalmente argilominerais do que um limpo ou sem argila, que se gasosos. contém somente água intersticial. Esta água adicional Embora fuja ao objetivo deste capítulo, apenas para diminuirá a velocidade do som, aumentando o tempo alertar da possibilidade do problema, ressalta-se que o de trânsito a ser registrado pelo perfil. Aumentos no ∆t ∆tf (tempo no fluido) da água é da ordem de 189 a 200 significam aumento na porosidade sônica (ηs), caso µs/pé (respectivamente, salgada ou doce), o do óleo calculada sem nenhum tipo de correção. (menos denso) é de 236 µs/pé e do gás (menos denso A correção da argilosidade (VSH) pode ser ainda) é da ordem de 626 µs/pé. Pelo visto, camadas deduzida a partir do modelo argiloso mostrado portadoras de hidrocarbonetos têm um ligeiro (óleo) abaixo, representativo de um volume unitário de rocha. ou exagerado (gás) aumento no tempo de trânsito Fazendo-se um balanço dos tempos e materiais, das camadas (∆t), em função de tais diferenças. segundo a Lei das Misturas e da Equação do Tempo Em outras palavras, observa-se um retardamento Médio de Wyllie (6.2.37), obtém-se: no tempo total de propagação de uma onda sonora 490 Cap_6.2_ FFI.indd 32 9/12/2008 21:54:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações em camadas contendo uma mistura de óleo e água, Conclusões: quando comparados àquelas contendo somente água. • os aqüíferos superior e inferior apresentam Este aumento no ∆t leva, intuitivamente, a se pensar praticamente iguais características de porosidade em um aumento de porosidade, o que não é verdade. e argilosidade; Uma rocha com 10% de porosidade continuará tendo os mesmos 10%, caso ela tenha em seus poros água, • o intermediário mostra-se bem mais argiloso e com óleo, gás ou misturas dos três fluidos. O que muda é porosidade efetiva menor (desconsiderando-se a o tempo a ser registrado pelo perfil sônico (∆t), já que argila em seus poros – ηsc), razão pela qual teve é uma função direta de ∆t (equação 6.2.36). sua resistividade dIr (zona virgem) menor que as f duas outras; Problemas operacionais e Imprecisões das • o aqüífero inferior apresenta uma porosidade leituras de ∆t efetiva semelhante ao superior. A ausência de argila em seus poros e a porosidade total menor Apesar de todo o cuidado que o intérprete possa ocasionaram uma elevação da dIr, dando uma ter em relação aos itens anteriormente discutidos, maior possibilidade de melhor qualidade da água ainda assim, os tempos registrados (∆t) pelo Sônico, intersticial (mais pura por não ter trocado cargas apresentam problemas, principalmente, em relação a com os argilominerais); e poços bastante desmoronados, rugosos ou quando a • a base do aqüífero inferior (234 - 238 m) apresenta ferramenta encontra-se em situação tal que sua inclinação melhores características hidrogeológicas. A provoca uma assimetria admitida para o trajeto da onda granodecrescência ascendente, observada no sonora, de acordo com o seu princípio de funcionamento. Gr, aconselha a colocação de filtros apenas neste Entretanto, apesar da utilização de pares simétricos de intervalo, uma vez que filtros acima dele aumentam transmissores e receptores, ainda assim, aqueles tempos as chances de uma futura colmatação de seus de trânsito elevados devem ser analisados conjuntamente intervalos filtrantes. com o Cáliper (ou calibre do poço), peça fundamental na interpretação do Sônico. Outros problemas que prejudicam bastante a 6.2.17 Cáliper ou Calibre do Poço qualidade das leituras do sônico são os saltos de ciclo (cycle skipping) e ruídos. Os primeiros se caracterizam Atua como um perfil auxiliar na avaliação, registrando pelo não acionamento de um dos detectores devido à o diâmetro do poço em relação ao diâmetro nominal ocorrência de zonas de gás, altíssimas porosidades, da broca que o perfurou. O Caliper assume importante fraturas horizontais preenchidas por fluidos, onde, papel na correção dos efeitos ambientais (poço e lama) em tais casos, as ondas percorrem forçosamente um sobre as respostas dos perfis elétricos, acústicos e meio bastante atenuante, diminuindo a amplitude e radioativos, pelo fato de mostrar quão desmoronadas tornando-se incapazes de impressionar os detectores. e/ou rugosas encontram-se as paredes do poço. No Os segundos, mais raros, são de baixa amplitude, mas caso do sônico, informa se os aumentos nos tempos podem vir a diminuir os tempos registrados se não for foram decorrência da litologia ou de problemas do realizada uma filtragem eficiente. poço. Adicionalmente, fornece razoável identificação litológica. Folhelhos, que se incorporam à lama ou Exemplo do Perfil sônico Compensado desmoronam aumentando o diâmetro do poço. Arenitos e demais rochas permeáveis, diminuem Na figura 6.2.11 é apresentado um exemplo do de diâmetro pela gradual deposição do reboco. As perfil Sônico. A tabela 6.2.3 mostra a planilha usada rochas duras ou cristalinas permanecem com o mesmo na interpretação do Indução e Sônico, com dados diâmetro com que foram perfuradas, ou então, o adicionais, referentes aos folhelhos: ∆tsh = 140 µs/pé, fator aumentam assimetricamente quando fraturadas. Por de compactação (c) = 1, ∆t = 200 µs/pé, ∆t = 55,5 µs/ conseguinte, o Cáliper pode ser considerado como f m pé, GR = 87 GAPI, GR = 30 GAPI, parâmetro a uma resposta à resistência mecânica das rochas. MÁXIMO MÍNIMO relativo à idade da rocha = 2. Para um ∆tsh = 140 µs/pé, Estudos geotectônicos indicam que o eixo maior da calcula-se uma porosidade aparente para os folhelhos assimetria dos poços está direcionado na direção das de η (SH) = 58,5%. fraturas (breakout).s Esp. Gr VsHGr sP sn dIr dt η (%) η η Intervalo(m) s scp sc (m) (GaPI) (%) (mV) (ohm.m) (ohm.m) (μs/pé) (Wyllie) (%) (%) 201-213 12 35 5,0 - 17 22 40 100 31 22 19 219-222 3 45 15,2 - 17 21 22 100 31 22 13 232-238 6 30 0,0 - 30 40 60 95 27 19 19 tabela 6.2.3 - Planilha de interpretação de perfil sônico compensado. 491 Cap_6.2_ FFI.indd 33 9/12/2008 21:54:14 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea figura 6.2.11 - A curva do ∆t (DT) é mostrada na terceira faixa em escala de 40 a 240 µs/pé. O tempo aumenta da direita para a esquerda. Como a porosidade está diretamente relacionada com o tempo, quanto maior o tempo, maior a porosi- dade. A uma primeira vista, as camadas com tempos à esquerda são mais porosas que as da direita. Observar a excelente correlação entre o Gr, o dt e a dIr. Quando o Gr diminui de valor (areias), as resistividades aumentam (água doce) e os tempos diminuem. Quando o Gr aumenta (folhelhos), as resistividades diminuem (muita água) e os tempos aumentam (muita atenuação, dado o excesso de água dos folhelhos). Princípio de medição do Cáliper usos do Cáliper O Cáliper é, operacionalmente, a medida da O perfil Cáliper pode ser usado para: (a) auxiliar a variação da voltagem de uma bobina relacionada interpretação litológica; (b) proporcionar meios para com a abertura de dois, três, quatro ou mais braços a correção ambiental dos perfis; (c) indicar intervalos articulados, pressionados contra a parede do poço. O permeáveis (presença de reboco); (d) determinar constante movimento de abrir ou fechar dos braços, de intervalos possivelmente fraturados; (e) determinar a acordo com os estrangulamentos e desmoronamentos, espessura dos aqüíferos de interesse; (f) determinar o faz variar as características elétricas da bobina. Calibra- diâmetro dos filtros; (h) calcular o volume do pré-filtro; se o Cáliper com dois ou mais anéis de diâmetros e, finalmente, (i) corrigir os cálculos de vazões, naqueles conhecidos e mede-se as respectivas voltagens na poços em que se tenha admitido um diâmetro constante. bobina, estabelecendo-se uma escala de calibração. A engenharia de perfuração usa o Cáliper para calcular o Os Calíperes de dois braços tendem a registrar o maior volume do poço para quantificação de pré-filtros, pastas diâmetro do poço e, portanto, calculam volumes maiores de cimento, tampões etc. que os reais. Os de 3 braços, registram um diâmetro médio do poço. Têm como agravante o fato de todos Exemplo do Perfil Cáliper XY os braços estarem articulados entre si, bastando que apenas um deles se feche para que os dois outros braços Na figura 6.2.12 é apresentado um exemplo também se fechem, registrando, conseqüentemente, do perfil Cáliper. Dois tipos de apresentação são volumes de poço menores que os reais. As ferramentas mostrados no exemplo. A primeira, na faixa 2, atuais da indústria são as denominadas de Cáliper XY, mostra as escalas dos Calíperes X e Y aumentando que registram a simetria ou ovalização dos poços, por da esquerda para a direita, de 6 até 26 polegadas meio da articulação independente dos quatro braços da (in). O diâmetro nominal da broca usada foi de 12 ¼ sonda, dois a dois, fornecendo cálculos volumétricos do polegadas. A outra está na terceira faixa, como tivesse poço mais detalhados. sido feito um corte no poço. 492 Cap_6.2_ FFI.indd 34 9/12/2008 21:54:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A escala tem 10 divisões verticais, cada uma delas serem necessariamente graduais, mas variarem tanto correspondendo a 5,2 polegadas, estando o zero na em ângulo quanto em direção, principalmente quando linha central da faixa. Assim, aos 170 m, partindo-se as camadas estão fraturadas ou têm altos mergulhos. da linha central para a esquerda, verifica-se que o A necessidade de se obter continuamente o desvio YCAL tem cerca de 14 polegadas. Para a direita, o XCAL, dos poços tornou-se imperativa quando a indústria do mostra igual valor. Tanto um como o outro tipo de petróleo passou a usar o perfil Dipmeter, que determina apresentação indica que entre as profundidades de o mergulho das camadas, a partir de curvas de 167 - 175 m o poço está cilíndrico. Por outro lado, no microresitividades localizadas em três ou mais patins, intervalo 180 - 185 m, o poço mostra-se ovalizado. uma vez que para se definir o mergulho das camadas, Neste perfil exemplo, anotou-se, entre as próprias eram necessárias medições da orientação e desvio do curvas do Cáliper, os volumes intervalares para facilitar poço, além da espessura verdadeira das camadas. a visualização. Princípio de medição do desvio 6.2.18 desvio ou Inclinação do Poço As primeiras medições de desvios foram realizadas com o auxílio de uma barra de peso que era solta, Regra geral, os poços desviam-se mais ou menos por dentro da coluna, antes de se trocar uma broca da vertical, causando problemas desde o uso de desgastada. O choque com a broca fazia o equipamento algumas ferramentas de perfilagem, que necessitam marcar em um pequeno disco, com círculos concêntricos estar bem centralizadas nos poços, até a instalação nele desenhados, indicando o valor do ângulo de desvio de revestimentos, filtros e equipamentos de bombeio, da seção final da coluna de perfuração. Existem três que necessitam estar em perfeito alinhamento. Outra tipos distintos de ferramentas de desvio: pêndulos, característica dos desvios de poços é o fato deles não giroscópios e magnetômetros/acelerômetros. figura 6.2.12 - Perfil Cáliper XY realizado com uma ferramenta de 4 braços, articulados 2 a 2, mostrando ovalizações localizadas. Observar desmoronamentos nos folhelhos e estrangulamentos nas areias. Dadas as constantes movimentações da coluna de perfuração, as areias aparentemente não mostram (muito embora ocorram devido à permoporosidade) a presença de reboco (reboco oculto). Os números exibidos na terceira faixa, entre as curvas, resultam da integração volumétrica do poço (em metros cúbicos) a partir dos dois caliperes obtidos. A notação é a inglesa, onde o ponto corresponde à nossa vírgula. 493 Cap_6.2_ FFI.indd 35 9/12/2008 21:54:14 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea Os mais simples usam um pêndulo mecânico Princípio do Perfil de temperatura que cria tensões elétricas ao se afastar da vertical em uma bobina de alta sensibilidade. Os dois outros A ferramenta de temperatura consiste de um tipos são sistemas de orientação desenvolvidos para termistor, isolado e protegido, dentro de um tubo a navegação espacial, onde circuitos integrados de extremidades abertas por onde passa a lama. também geram tensões, nas direções x, y e z, quando O termistor é fabricado de um material de alta cortados pelo campo magnético terrestre. Os últimos condutividade térmica e mínimo calor específico, são mais usados nas ferramentas atuais de Dipmeter de modo a proporcionar uma resposta rápida da indústria do petróleo. Na figura 6.2.13 é apresentado para qualquer variação térmica. As mudanças na um exemplo de um perfil de Inclinação ou Desvio. resistência interna do termistor são convertidas em pulsos variáveis, de modo a não sofrer a influência 6.2.19 temperatura da resistência do cabo de perfilagem. A temperatura registrada será tanto mais próxima à das camadas, É um perfil de grande aplicação prática e imediata quanto maior for o tempo decorrido entre a parada da para a hidrogeologia. Ele registra de modo contínuo a perfuração e a descida do termistor. temperatura da lama, podendo ser usado na detecção de intervalos com movimentação fluida, para localizar limitações dos Perfis de temperatura cimento atrás dos revestimentos ou, então, para o estudo da condutividade térmica das rochas ou geotermalismos. Além dos possíveis defeitos e quebras instrumentais, Muito embora seu sensor somente registre variações o perfil de temperatura é sensivelmente afetado pelo da temperatura em sua vizinhança, portanto, na que ocorre no poço. O ato de perfurar, de perfilar ou de lama, esta, por sua vez, adquire a temperatura das testar, desequilibra o ambiente térmico. O retorno ao camadas, a depender do tempo em que ela permaneça equilíbrio, após qualquer uma dessas operações, requer em contato com elas. Caso nenhuma anomalia de um tempo razoavelmente longo. Assim, esse perfil deve temperatura esteja ocorrendo dentro do poço, ou nas ser o último a ser corrido, porquanto espera-se que, na rochas adjacentes a ele, os valores medidos apenas ocasião, a temperatura da lama já deva estar próxima aumentarão gradualmente com a profundidade, como daquela representativa da condição de equilíbrio térmico resultado do gradiente geotermal. no interior do poço. figura 6.2.13 - Perfil de Desvio, sem indicação direcional. A curva analógica mostra que até os 245 metros o poço manteve- se dentro do limite máximo de 2 graus de desvio da vertical. Ao atingir o topo do folhelho (250-265m), o desvio aumentou rapidamente, atingindo cerca de 10 graus nos 150 metros seguintes. Os números à direita da última faixa indicam os valores registrados pelo sensor, em graus desviados da vertical. 494 Cap_6.2_ FFI.indd 36 9/12/2008 21:54:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações usos do Perfil de temperatura 6.2.20 Interpretação final dos Perfis Aqüíferos posicionados em profundidades Geofísicos de Poços diferentes apresentam diferentes temperaturas. Até bem pouco tempo, a técnica de perfilagem Assim, caso dois aqüíferos estejam contribuindo geofísica hidrogeológica diferenciava-se da petrolífera para um mesmo poço, o perfil de temperatura poderá em, pelo menos, um aspecto fundamental. Os identificá-los e permitir uma estimativa da contribuição sensores usados eram, predominantemente, finos relativa de cada um deles. (< 2 polegadas), desenvolvidos e projetados para Drury (1984) usou perfis de temperatura para a indústria mineira e/ou geotécnica. Os poços onde definir anomalias térmicas provenientes de fluxos os perfis eram corridos, de pequeno diâmetro, eram hidrodinâmicos em fraturas. denominados de slim-holes. A indústria do petróleo, Admitindo-se que a temperatura do fluido em torno por sua vez, sempre usou ferramentas com sensores do termistor seja a mesma das rochas defronte a ele mais grossos (4 polegadas) e robustos, denominadas pode-se, também, determinar o gradiente geotérmico de API, em virtude do diâmetro de seus poços serem (GG) do poço e/ou da área. Isto somente será verdade, bem maiores do que aqueles, além da ocorrência de se ocorrer equilíbrio térmico entre a lama do poço e as elevadas temperaturas e pressões. Atualmente, os camadas, sem movimentação vertical de fluido. O GG poços de água e de petróleo são bastante similares, nas rochas de baixa permeabilidade é bem maior do pelo menos no que diz respeito a seus diâmetros. que nas porosas. Na figura 6.2.14 é apresentado um Grandes diâmetros de poços e pequenos diâmetros exemplo de um perfil de Temperatura. dos sensores de perfilagem exageram os efeitos do figura 6.2.14 - Perfil de Temperatura mostrando uma variação de temperatura entre os 100 e os 800 metros, da ordem de 4,75 oC. dmtP é a razão da variação da temperatura com a profundidade ou temperatura diferencial. 495 Cap_6.2_ FFI.indd 37 9/12/2008 21:54:14 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea poço em si, dificultando sensivelmente a obtenção etc.), haverá sempre uma maneira particular e das características elétricas, acústicas e radioativas preferencial para a abordagem e aproximação da das rochas e, conseqüentemente, comprometendo realidade dos fatos (interpretação). O geotécnico qualquer quantificação desejada. deseja saber quais as constantes elásticas das As ferramentas API são, em média, uma vez e meia camadas atravessadas por um poço; o hidrogeólogo, mais grossas que as usadas nos slim holes. Isto pode a qualidade das águas; o sanitarista, o caminho ser traduzido, teoricamente, em cerca de uma vez e dos poluentes; o geólogo de petróleo, o volume de meia menos influência do poço/lama sobre as leituras hidrocarbonetos nas camadas porosas, e assim por realizadas, considerando-se iguais configurações e diante. mesmo princípio físico ferramental dos sensores. Esta A interpretação dos perfis na indústria do petróleo é, é a principal vantagem da utilização das ferramentas na realidade, bem mais complexa do que aquela feita API em poços de grande diâmetro, quer para pesquisa na indústria da água, em virtude das rochas conterem de petróleo, quer de água, indistintamente. fluidos bi ou trifásicos (água e petróleo e/ou gás). A Incontáveis trabalhos, livros, revistas e publicações interpretação na água (fluido monofásico) não chega de sociedades científicas específicas, dedicam-se a ser tão complexa quanto naquela, mantendo esta, exclusivamente à rendosa indústria do petróleo, fonte porém, algumas marcantes particularidades. principal de incentivo para o grande desenvolvimento Lamentavelmente, as cifras envolvidas na água tecnológico da indústria paralela das companhias não compensam a realização de custosas pesquisas multinacionais de serviços de perfi lagem. As petrofísicas, de modo que a completação dos poços não multinacionais sempre demonstraram pouco ou é tão seletiva como no petróleo, onde se testa o tipo de nenhum interesse em participar efetivamente da fluido de cada camada, individual e exaustivamente. Este pesquisa hidrogeológica, que, durante muito tempo, tipo de rotina operacional é o ideal para fins comparativos teve que se contentar com os equipamentos slim entre as características dos perfis e das rochas. Na holes, técnica e operacionalmente limitados. Todavia, indústria da água, todos os aqüíferos são postos para já existem no mercado ferramentas finas, de padrão produzir a um só tempo, dificultando a identificação da tecnológico bastante aceitável, porém sofrendo os qualidade da água em cada um deles. efeitos ambientais, quando usadas em poços de 8 ou Existe uma diferença relativamente grande entre mais polegadas de diâmetro, uma vez que não foram os procedimentos exploratórios hidrogeológicos: desenvolvidas para tal. (1) os perfis registram dados in situ e abrangem Por outro lado, poucos são os trabalhos de volumes de rocha muito maiores que os usados pesquisas hidrogeológicas demonstrando que os em laboratórios; (2) as análises hidroquímicas são perfis, quando correlacionados com criteriosos incompletas, pois estão limitadas a analisar somente dados petrofísicos de laboratório, se transformam em alguns tipos de íons, e (3) os condutivímetros medem auxiliares importantes na determinação da qualidade exatamente a realidade da solução, porquanto todos das águas e das características comportamentais dos os sais, inclusive os traços e exceto os precipitados, aqüíferos. Um dos pioneiros foi Turcan (1962), seguido participam da condução eletrolítica. Por essa razão, por Alger (1966), Taylor (1968), Keys (op.cit.) e alguns não devemos exigir valores numéricos iguais entre específicos, como Lima & Girão Nery (2000), sobre as as salinidades das águas determinadas pelos perfis resistividades dos aqüíferos areno-argilosos. e as determinadas em (2) e (3), pelo simples fato de Para que a interpretação dos perfis venha a ser norma comum a coleta da água para análise ser representar a realidade dos aqüíferos, é preciso que o proveniente de dois ou mais aqüíferos distintos, tanto intérprete tenha em mente, pelo menos, três aspectos em profundidade como em qualidade. fundamentais: (a) domínio do que seja um aqüífero, em seus mais variados aspectos (mineralógicos, Qualidade das Águas Intersticiais petrográficos e sedimentológicos); (b) domínio dos princípios petrofísicos que regem cada uma das Em perfilagem, a qualidade da água (ou seu teor ferramentas de perfilagem e (c) domínio da física de sais totais dissolvidos - STD) é avaliada por meio da quantitativa e qualitativa das medições e calibrações. determinação de um parâmetro petrofísico fundamental: Isto é, ele deverá ser, preferencialmente, um geólogo e a resistividade da água intersticial ou da formação conhecer bem o mecanismo de propagação da corrente (rw), propriedade inversamente relacionada à presença elétrica e da energia acústica nas rochas, de como elas de sais nas soluções. Quanto maior a concentração, se tornam natural ou artificialmente radioativas, de maior a condutividade ou menor a resistividade. Todos como elas se comportam mecanicamente etc. os sais, sem exceção, dissolvidos ou ionizados (menos Conforme pôde ser observado ao longo deste os precipitados), participam desta propriedade. texto, existem distintos tipos de perfis para distintas Observa-se, de um modo geral, que as águas aplicações práticas. Assim sendo, para cada ramo do das formações diminuem a sua resistividade com a conhecimento geológico (hidrogeologia, mineração, profundidade, em razão de um aumento significativo na geotecnia, geologia do petróleo, geologia do carvão concentração de sais devido, entre outros, a processos 496 Cap_6.2_ FFI.indd 38 9/12/2008 21:54:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações de filtração osmótica e/ou eletrostática, nos quais os de perfilagem, interrelacionando a resistividade com a folhelhos têm importante papel (Girão Nery, 1989). As temperatura e a salinidade, ou então, a equação de resistividades das águas dos aqüíferos rasos estão Bateman & Konen (1977), estabelecida com base no na ordem de 4 a 50 Ω.m a 25 oC, com predomínio de referido gráfico (equação 6.2.5). sais bivalentes (cálcio e magnésio) e bicarbonato. As O processo de difusão de sais, ou atividade, das águas dos aqüíferos mais profundos são cerca de águas monovalentes é diferente das águas ricas cem vezes menos resistivas (na ordem de 0,04 a 0,05 em cátions divalentes. Neste ponto é procedente Ω.m), à mesma temperatura, com predominância do abrir um parêntese para avaliar os condicionantes cloreto de sódio. da equivalência entre soluções mono e divalentes. São três os métodos usados na hidrogeofísica Duas soluções, uma contendo 100 ppm de CaCl2 e para determinação da resistividade das águas das outra 100 ppm de MgCl2, serão equivalentes à (ou formações: Teste de Formação, Potencial Espontâneo eletroliticamente iguais à) 128 e 188 ppm de NaCl, (SP) e o Método do rw(A). respectivamente. Elas serão, portanto, bem mais salgadas, mais ativas ou mais condutivas (ou menos teste de formação resistivas), do que uma solução pura com 100 ppm de NaCl. Por outro lado, uma solução com 100 ppm de É um teste que cria condições para que uma camada NaHCO será equivalente a uma solução de apenas 35 possa produzir, temporariamente, o fluido existente em 3ppm de NaCl, portanto, menos condutiva, mais doce seus poros e/ou fraturas. É, por excelência, o meio r ou mais resistiva do que uma de igual concentração mais realista para a obtenção de w. Com a amostra de NaCl (Dunlap & Hawthorne, op.cit.). da água recuperada, pode-se medir diretamente a sua resistividade e realizar a análise hidroquímica. Em método da resistividade versus Porosidade ou virtude do aparente alto custo de uma análise completa, método do r (a) determina-se, apenas, alguns íons predominantes w na amostra (Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Cl-, SO -2 etc.). Tal Este método caracteriza-se pelo uso direto da lei 4 procedimento proporciona discrepâncias numéricas de Archie e resulta em valores realistas da resistividade entre os valores determinados para r e std entre da água de um aqüífero qualquer, pelo fato de usar w o laboratório e os perfis, porque a condução da dados in situ de resistividades e porosidades. Da corrente elétrica processa-se, indistintamente, com equação (6.2.12), considerando-se o coeficiente a igual a participação de todos os íons presentes em uma a unidade, tem-se: solução, ao passo que nas análises hidroquímicas m somente se determina parte deles. Lamentavelmente, rw(A) = ηe . r0 (6.2.42) testes de formação não são realizados na indústria da água, de modo que r é calculado, com maior A letra a foi acrescida ao termo rw para lembrar que w freqüência, usando os perfis como descrito a seguir. ela foi calculada com a equação de Archie e não pelo SP ou outro método qualquer. O rw(a) requer o uso de um perfil de resistividade profunda (tipo Indução) e um Potencial Espontâneo - sP perfil de porosidade. Lembrar que Archie desenvolveu Discutiu-se, anteriormente, que a equação (6.2.25), esta equação para rochas limpas (não argilosas), onde definida com base em princípios termodinâmicos, a condução da corrente elétrica é realizada apenas resolve, perfeitamente bem, o caso das soluções pelos fluidos intersticiais e não pelos grãos. O que monovalentes com predominância do NaCl. Todavia, fazer quando as rochas forem argilosas? alguns cuidados devem ser tomados para que se possa Sabe-se que as leituras da resistividade e da calcular rw através desta equação. A leitura do sP deve porosidade são influenciadas por dois fatores: o volume ser feita defronte a camadas que tenham espessuras e a resistividade do folhelho, respectivamente, VsH e rsH. superiores a 5 metros, que estejam saturadas (Sw = 1) VsH é volume de argila em relação ao volume total da rocha com água com predominância de NaCl (condição esta e rsH é a resistividade dos folhelhos sobre e sotopostos não muito freqüente nas águas próximas à superfície), aos aqüíferos (admite-se, portanto, que os folhelhos que tenham baixa argilosidade (VSH ≅ 0) e que não adjacentes sejam os mesmos disseminados nos estejam desmoronadas (daí a necessidade de um aqüíferos). Observa-se que quanto maior a argilosidade Cáliper, para verificar essa condição). Atentando-se menor é a resistividade, devido à condutância superficial para estes itens, então, ssP ≅ sP. adicional causada pelas cargas adsorvidas (a não ser O procedimento para cálculo do rw usando-se o que o folhelho seja do tipo resistivo, calcífero, carbonoso sP, dentro das condições especificadas no parágrafo etc.), e maior é a sua porosidade, conforme lida nos anterior, foi mostrado na figura 6.2.5. Sendo o aqüífero perfis, pelo excesso de água dos folhelhos. Admitindo- portador de água com predominância em NaCl, então se, por exemplo, uma rocha composta por uma fração rw(SP) ≅ rw(real). Nestes casos, e somente neles, existem argilosa (VSH) e uma arenosa (VSS), tal que VSH + VSS = dois meios de se estimar qual seria a salinidade da 1 ou 100%, então, a sua resistividade poderá ser dada mesma: o uso de gráficos específicos das companhias pela regra das misturas: 497 Cap_6.2_ FFI.indd 39 9/12/2008 21:54:14 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea ( ) de 1.100 ppm de NaCl apresentará uma rw = 4,5 r0 = rSS 1− VSH + rSHVSH (6.2.43) Ω.m, enquanto que outra, com os mesmos 1.100 ppm, porém de NaHCO3, apresentará rw = 10 Ω.m, ambas A resistividade (r0) de uma rocha areno-argilosa, é referidas a 25 oC. Isto é, elas continuam guardando, igual à resistividade de sua fração arenosa (rSS) vezes entre si, a razão de 2,2 (Schlumberger, 1989 - Log o volume dessa areia (VSS = 1 - VSH) mais a resistividade Interpretation Charts). da fração argilosa (rSH) vezes o volume de argila (VSH). O raciocínio do parágrafo anterior demonstra que Exprimindo-se a equação (6.2.43) em termos de existe uma correlação entre as resistividades (r ) e condutividade, verifica-se que ela representará um wo teor de sais totais dissolvidos (STD) das soluções. circuito elétrico em paralelo. Na realidade, pode-se Imagine-se, então, qual será o comportamento elétrico demonstrar, que a presença de argila nas rochas de uma solução real contendo misturas desconhecidas origina dois distintos processos de condução da de NaCl + NaHCO + CaSO4 etc. corrente elétrica. Parte dela segue pelos fluidos 3Girão Nery (1996), usando as análises hidroquímicas interporosos, enquanto outra parte segue pela própria (STD e r ), publicadas por Lima & Ribeiro (1982) e Lima superfície dos grãos argilosos, saturados por cargas w& Miranda (1988), de águas coletadas em poços da elétricas adsorvidas. Já na condução acústica inexiste formação São Sebastião, áreas de Camaçari e Centro este tipo de ocorrência. O som atravessa os grãos de Industrial de Aratu, bacia do Recôncavo, e lançando-as areia, das argilas e as águas intersticiais em série, por em gráfico linear, obteve uma hipérbole com coeficiente causa do princípio de Fermat. O registro é o menor de correlação igual a R2 = 0,866, dada por: tempo que a onda leva para realizar o trajeto entre os dois receptores. Igual raciocínio pode ser aplicado em 2.190,657STD(ppm) = relação à porosidade efetiva: r 0,8456879 (6.2.46)w ηe = η (1− V Ou, generalizando-se:SS SH ) + ηSH.VSH (6.2.44) aSTD onde, ηss exprime a porosidade total da fração areno- STD = r b (6.2.47) argilosa e ηsH a do folhelho. w STD Como a porosidade efetiva dos folhelhos (η onde rw é expressa em Ohm.m à temperatura da SH) pode ser considerada nula, isto é, não participa da formação e std em ppm. porosidade efetiva do aqüífero, o segundo termo pode Igual procedimento foi realizado com outros ser eliminado: aqüíferos, variando o tipo (livre e confinado), a formação, o ambiente, a idade e até mesmo a presença ηe = ηSS (1− VSH ) (6.2.45) de poluentes (cemitérios). Os resultados obtidos mostram um mesmo tipo de comportamento de curva, A porosidade a ser levada em conta na equação com mudança apenas dos coeficientes astd e bstd, para definida acima deve ser a efetiva (ηe). Já foi qualquer que seja o tipo de solução. antecipado que a presença de até 7% de grãos Para alcançar-se esta etapa final do estudo da condutores (principalmente argilominerais) não qualidade das águas, deve-se, portanto: montar um influenciam significativamente nos valores avaliados banco de dados com a maior quantidade possível de para a resistividade (nem na porosidade) das amostras de análises hidroquímicas e estabelecer, rochas. Entretanto, o que fazer quando as rochas para cada área prospectável ou cada formação ou apresentarem argilosidade acima deste valor? Como, ambiente deposicional etc., uma equação similar a então, obter a porosidade efetiva dos aqüíferos, a (6.2.47). Posteriormente, ao perfilar-se novos poços partir do perfil sônico? nestas mesmas condições, os resultados deverão ser usados para calcular valores de std dignos de relação sólidos totais dissolvidos (std) e a confiança. resistividade da Água (rw) Duas soluções de diferentes sais, em tipo e Parâmetros Hidráulicos concentração, poderão apresentar um mesmo valor de resistividade. Por exemplo, duas soluções, uma de Na realidade, os perfis não indicam diretamente a 500 ppm de NaCl e outra de 1.100 ppm de NaHCO , permeabilidade das rochas. Qualitativamente, pode-se 3 apresentarão a mesma resistividade de 10 Ω.m a 25oC. dizer que uma camada é mais ou menos permeável Isto significa dizer que o bicarbonato de sódio é um sal que outra. Mesmo o SP, que funciona devido à difusão bem mais doce (resistivo) do que o cloreto de sódio. de cargas ou permeabilidade iônica, não expressa Para obter-se a mesma resistividade (10 Ω.m a 25 valores quantitativos para a permeabilidade. Qualquer oC), tem-se que adicionar 2,2 vezes mais bicarbonato outra forma de se usar os perfis para determinações do que cloreto. Levando-se em consideração iguais quantitativas de permeabilidades, requer um extenso concentrações de sais, verifica-se que uma solução suporte de trabalhos de correlação rocha versus perfil. 498 Cap_6.2_ FFI.indd 40 9/12/2008 21:54:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Existindo um só tipo de fluido, o fluxo deste é Destacam-se, nesta linha, os trabalhos de Niwas & uma constante, desde que ele não venha a interagir Singhal (1985), estabelecendo relações analíticas entre com a rocha. A facilidade de deslocamento de um as leis físicas de Darcy e Ohm, e os trabalhos de Niwas fluido homogêneo num meio poroso caracteriza a sua & Lima (2000). Esses últimos autores modificaram permeabilidade intrínseca (k). Na presença de dois ou semi-empiricamente a equação de Kozeny-Carman mais fluidos não miscíveis, seus fluxos interferem. Nos e conseguiram relacionar a condutividade hidráulica poços com petróleo existe uma situação, dentro de das rochas arenoargilosas, com um parâmetro camadas espessas, em que a porção mais inferior da denominado por eles de fator de litoporosidade, camada encontra-se totalmente saturada com água dependente da porosidade, do fator de resistividade e a superior, predominatemente, com óleo e/ou gás. da formação, da argilosidade, da condutividade Entre estas porções, existe uma intermediária, em elétrica da matriz e da tortuosidade (no caso, dos que a água inferior passa gradativamente para a de folhelhos que envolvem os grãos de areia como óleo, superior, formando uma zona de transição. Esta um todo). Estes parâmetros podem ser obtidos, de zona de transição terá pequena espessura, quando preferência, com os perfis de múltiplas resistividades a camada for permeável com porosidade constante, e os dois perfis radioativos de porosidade. e grande extensão, quando a camada for de baixa Qualquer que seja o tipo de abordagem que se permeabilidade. Porosidade e permeabilidade são faça acerca da permeabilidade, pode ser excelente propriedades petrofísicas ligadas à capilaridade, que, para determinada área e péssima para outra. Por isso, por sua vez, é uma função da altura da coluna de água sempre é recomendável que cada intérprete, que use e da diferença de densidades entre os fluidos presentes. ou que venha a usar exaustivamente os perfis, pesquise Já a capilaridade pode ser traduzida em termos de seus próprios parâmetros petrofísicos. granulometria. Quanto menor a granulometria, maior a tendência da rocha reter água pelicular ou adsorvida 6.2.21 Estudo de Caso de Interpreta- (retenção específica, que no petróleo denomina-se saturação de água irredutível (S ). ção Preliminarwi Correlacionando gradientes de resistividade, Existem dois modos de abordagem para acima dos contatos óleo-água, com a capilaridade, interpretação quantitativa dos perfis geofísicos permeabilidade e saturação de água irredutível, os de poços. Uma preliminar, também denominada pesquisadores da Schlumberger (1989), Coates & de interpretação quick look, em que se calcula as Dumanoir (1974), conseguiram definir equações propriedades petrofísicas em algumas profundidades empíricas do tipo genérico, k = C.ηx/(S ywi) , onde x e y dentro dos aqüíferos de interesse, e uma outra, são coeficientes relacionados com os expoentes m e bem mais detalhada, usando-se computadores no n da equação de Archie (6.2.14). campo ou nos escritórios. Para exemplificar ambas as Clemenceau (1977) mostrou, com o uso de demonstrações de interpretação, usou-se os perfis de testemunhos e perfis, a existência de uma relação um poço na formação São Sebastião, bacia de Tucano, exponencial entre o coeficiente de cimentação m e a Bahia apresentados na figura 6.2.15. permeabilidade intrínseca (k), expressando-a como: Na realidade, a figura 6.2.15 é uma composição  2  integrada de todos os perfis corridos no poço (IEL, GR,  k = 10m+1,28  (6.2.48) BCS e XY-Cal), colocados em mesma profundidade por um programa chamado merge e dentro de Na atualidade, há uma nova linha de pesquisa uma única malha API. Este tipo de apresentação é em que se correlaciona a distribuição espacial dos denominado de Perfil Composto. As curvas do sP e parâmetros petrofísicos (porosidade, textura etc.) com Gr estão na primeira faixa, as resistividades profunda os parâmetros hidráulicos das rochas, porquanto se do Indução (DIR) e Normal Curta (SN), na segunda admite que os mesmos elementos que regulam o fluxo faixa em escala logarítmica e, na terceira faixa, o da corrente elétrica (tortuosidade e porosidade), também Sônico (Dt) e o Cáliper (XYCAL). regulam a condutividade hidráulica. Nessa tendência, O Perfil Composto do exemplo mostra, bem de- existem vários trabalhos analíticos e experimentais, finidos, quatro níveis aqüíferos nas profundidades de em que foi possível relacionar a lei de Archie com a de 201-213, 219-223, 232-238 e 252 até a profundidade Kozeny-Carman (in Croft, 1971), em meios porosos e final, com intercalações métricas e/ou centimétricas não argilosos, resultando em equações do tipo: de folhelhos, conforme as curvas do rG e sP. Sobre e sotopostos aos referidos arenitos ocorrem camadas de k = α.Fr−q (6.2.49) folhelhos, nas quais foram lidos todos os parâmetros ne- cessários aos cálculos de VsH (GRMÁXIMO, GRMÍNIMO etc.). onde, k é a permeabilidade intrínseca, ou área por onde Imediatamente abaixo de cada faixa, para facilitar as o fluxo passa (m2), α e q são constantes empíricas e leituras quantitativas, são mostradas as codificações fr é o fator de resistividade da formação definido na de cada uma das curvas bem como suas respectivas equação (6.2.8). escalas de registro. 499 Cap_6.2_ FFI.indd 41 9/12/2008 21:54:14 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea figura 6.2.15 - Perfil Composto do poço usado como exemplo de interpretação (permissão de uso pelo proprietário do poço, CErb e cessão dos arquivos digitalizados pela prestadora de serviços, HYDROLOG). Foram assentados filtros em todos os quatro aqüíferos visualizados. O mais inferior deles mostra-se bastante intercalado com camadas de folhelhos de até 1 metro de espessura. A vantagem do Perfil Composto é a da visualização Como subsídio a esta interpretação, e na ausência total e imediata de todas as características petrofísicas, de testemunhos de rocha que pudessem fornecer os em profundidade, proporcionando ao intérprete uma parâmetro m e ∆tm, optou-se por m = 1,5 de uso mundial, visão qualitativa, com a qual ele se localiza dentro da para arenitos com grãos subarredondados, e ∆tm = 56 coluna estratigráfica da área, escolhe os melhores µs/pé (arenitos). Os demais parâmetros petrofísicos, aqüíferos e obtém dos corpos argilosos todos os dados necessários à resolução das equações quantitativas, e os parâmetros para uma interpretação quantitativa, foram obtidos do cabeçalho das respectivas curvas e preliminar ou de detalhe. Numa avaliação preliminar, pela experiência em trabalhos na área. São pertinentes deve-se analisar apenas algumas profundidades as seguintes observações: representativas de cada aqüífero de interesse. Por isso, a planilha de cálculos, apresentada na tabela 6.2.4, • todas as unidades, quer dos parâmetros quer mostra apenas as profundidades de 207, 220, 236 e dos dados, são aquelas adotadas pela técnica de 255 metros. Convencionou-se denominar as constantes perfilagem e definidas nos itens respectivos deste das equações de parâmetros petrofísicos. Assim, o capítulo; m da equação de Archie é um parâmetro, o Gr • resultados do Laboratório: Condutividade, σ = mÁXImo w e o GrmínImo, a rmf, a temperatura da superfície (T ), 1.271 µS/cm, correspondendo a uma resistividade Sup também são parâmetros. As variáveis lidas nos perfis rw = 7,868 Ohm.m ou std = 616 ppm, segundo são denominadas de dados. São dados, portanto, o sP a equação (6.2.5). Não confundir std (Sais Totais em mV, o Gr em GAPI e r0 em Ohm.m etc. Dissolvidos) com os Sólidos Totais fornecidos 500 Cap_6.2_ FFI.indd 42 9/12/2008 21:54:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações PLANILHA DE INTERPRETAÇÃO PRELIMINAR DO POÇO - CPRM (2003) P. INTV (m) GR FINAL MAX GRMIN AGR LBFSP rmf TSup GG CR m aSDT bSDT - - - PARÂMETROS 190/240 330 93,3 30,0 2 17 11,0 30 30 0,6 1,5 2766 0,976 - - - Pto Prof LITO. GR IGR VSH SSP FT K(SP) rmf rw(SP) r0 ∆T ηt ηe rw(SP) rw(A) rw SDT 1 207 ARN 37,4 0,118 0,062 3,1 36,9 73,86 9,324 10,285 37,6 96,4 0,251 0,236 10,28 4,300 7,292 398 2 220 ARN 71,8 0,660 0,493 1,1 37,3 73,96 9,255 9,569 23,0 100,0 0,264 0,134 9,569 1,128 5,349 538 3 236 ARN 34,6 0,072 0,038 -3,6 37,9 74,09 9,172 8,193 58,0 95,5 0,248 0,239 8,193 6,774 7,483 388 4 255 ARN 30,0 0,000 0,000 -37,4 38,5 74,24 9,075 2,846 55,3 96,6 0,252 0,252 2,846 7,016 4,931 583 tabela 6.2.4 - Planilha com os parâmetros e os dados para a interpretação preliminar do Perfil Composto da figura 6.2.15 (adaptado de Hydrolog, intérprete Girão Nery, 2002). pelo laboratório (762 mg/L), uma vez que este • K é a constante da equação termodinâmica (6.2.25) procedimento engloba, eventualmente, resíduos do sP. É uma função da temperatura dada por: 65 sólidos e não apenas os sais dissolvidos que + 0,24 x TEMP; realmente conduzem a corrente elétrica; • SSP é o valor da deflexão da curva do sP em escala • considerando-se somente os quatro pontos absoluta, em mV. É medida a partir da lbf até a analisados, a média da rw é de 6,264 Ohm.m à camada desejada; temperatura das camadas ou rw = 8,080 Ohm.m corrigida para igual temperatura do laboratório, • rw(sP) é a resolução da equação (6.2.25), valores bastante aproximados. considerando-se a predominância do NaCl na água intersticial e no filtrado da lama; • por outro lado, os valores de std computados a partir dos 4 pontos acima estimam uma salinidade • r0 é a leitura direta da curva dIr (Deep Induction média na ordem de 477 ppm, um pouco abaixo Resistivity), tracejada, que é a resistividade daquela do laboratório (616 ppm), indicando que profunda, da zona virgem, em Ohm.m. Observar os parâmetros a e b ainda merecem um pouco que o Indução está sendo usado em uma lama de std std de refinamento. água doce, resistiva, portanto, de pequeno efeito indutivo; Analisando-se, coluna a coluna da planilha de interpretação quantitativa, observam-se os seguintes • ∆t é a leitura direta da curva do Perfil Sônico, em detalhes: µs/pé; • η é a porosidade total calculada pela equação de • as duas primeiras linhas (parâmetros) mostram t os valores obtidos do cabeçalho do perfi l Raymer (6.2.38), com a constante Cr definida nos (profundidade final do poço, r , temperatura na parâmetros. É costume expressar-se as porosidades mf superfície etc.), informações geológicas (grau em percentual, entretanto, nos cálculos, deve-se geotérmico da área, tempo da matriz, constante usá-las adimensionalmente; m, a , b etc.) e parâmetros obtidos dos perfis • ηe é a porosidade efetiva calculada com a equação STD STD (GR , GR etc.); (6.2.45), considerando-se ηMAX MIN ss como sendo igual a • a rmf foi medida na superfície, registrada no porosidade total (ηt); cabeçalho (11 Ohm.m@30ºC) e corresponde, • rw(a) é a resistividade da água intersticial, calculada segundo a equação (6.2.5), a uma salinidade de com a equação de Archie (6.2.42); aproximadamente 437 ppm equivalentes a NaCl. • rw é uma média ponderada entre rComo de um modo geral r r , fica justificado o w (sP) e rw(a); w < mf o autor, pelas razões já discutidas anteriormente, comportamento negativo da curva do sP (equação acerca da validade do sP (presença de sais 6.2.25); bivalentes, ruídos etc.), geralmente, prefere dar • a temperatura deve ser determinada para cada um peso maior para o rw(a) (que é uma medida in profundidade, para que se possa corrigir a rmf com situ). Neste caso, o peso foi igual para ambas as a equação (6.2.6); resistividades, visto que o sP apresenta um bom • GR é uma das leituras obtidas diretamente do perfil, desenvolvimento em virtude da água recuperada na profundidade considerada; apresentar aproximadamente 44 % de NaCl; • IGR e VsH são cálculos feitos, respectivamente, • STD é o resultado da equação hiperbólica (6.2.47), com as equações (6.2.16) e (6.2.17); em ppm. 501 Cap_6.2_ FFI.indd 43 9/12/2008 21:54:15 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea 6.2.22 Estudo de Caso de Interpreta- A riqueza de dados digitalizados obtidos pelos perfis ção de Detalhe atuais deve ser encarada pelo intérprete como passível de apresentar algumas imperfeições, principalmente Este tipo de interpretação, ao contrário da preliminar, no que diz respeito aos contatos entre camadas, já segue, aproximadamente, o mesmo roteiro dos cálculos que as curvas em tais contatos não se fazem, devido à discutidos na planilha da tabela 6.2.4, porém, usando inércia do próprio registro, de modo abrupto, mas, sim, dados digitalizados. Na figura 6.2.16 é apresentado gradacional. Daí a porção mais central das camadas um exemplo deste tipo de interpretação. espessas mostrar uma tendência à realidade, pois os O HIDROLOGTM, foi desenvolvido pelo autor sensores lêem valores mais precisos. Para exemplificar com a finalidade de ser um perfil gerencial, onde o tal situação, basta observar, na figura 6.2.16, que os usuário, mesmo não sendo geólogo ou geofísico, aqüíferos superior e inferior diminuem de valor na porção pode entender e escolher os locais mais adequados mais central da curva do STD, as quais correspondem para o posicionamento de seus filtros, de acordo com às mais altas da DIRs e menores GRs. o projeto do poço. Na primeira faixa são mostradas a Visualmente, o HIDROLOGTM (figura 6.2.16) argilosidade e as porosidades total e efetiva. Entre elas, apresenta, na terceira faixa, todos os aqüíferos como uma área hachurada representa a retenção específica sendo portadores de uma água com menos de 500 correspondente à fração argilosa de cada aqüífero. Na ppm de STD, em média. Os resultados numéricos, segunda faixa são mostradas, usualmente, as duas calculados a cada 0,1 metros pelo programa, foram curvas de resistividade, uma rasa (no caso a RSN) e aqui suprimidos, por constarem de uma tabulação uma profunda (DIR). Finalmente, na terceira faixa, os longa demais. Eles mostraram, resumidamente, os valores calculados de STD, em ppm, a partir de uma seguintes valores: o primeiro aqüífero (201-213 m), equação hiperbólica que deve ser desenvolvida para tem em média 428 ppm de STD e ρw = 6,787 Ohm.m. cada área, formação, ambiente deposicional, etc. O segundo (219-223 m), 483 ppm e 6,029 Ohm.m, (Girão Nery, 1996). o terceiro (232-238m), 479 ppm e 6,257 Ohm.m, Figura 6.2.16 - Perfil HIDROLOGTM computado a partir das curvas do perfil composto da figura 6.2.15 (permissão de uso pelo proprietário do poço – CERB e cessão dos arquivos digitalizados pela prestadora de serviços - HYDROLOG). 502 Cap_6.2_ FFI.indd 44 18/12/2008 09:39:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações enquanto o último deles (252-259 m), 561 ppm e 5,144 aos resultados obtidos com os condutivímetros, ou Ohm.m. Resumidamente, a tabela 6.2.5 mostra que resistivímetros, pela simples razão de que todos os sais, para o poço o valor médio de std é de 490 ppm e da com exceção dos precipitados, participam na condução rw de 6,035 Ohm.m à temperatura dos aqüíferos ou da corrente elétrica. Os demais dados referentes ao 7,785 Ohm.m@25oC. perfil analisado, foram: vazão 44 m3/h, de uma água A melhor comparação possível entre os resultados composta de cálcio (3,13), magnésio (1,27), sódio obtidos é pelo uso da resistividade: r do Laboratório (280), potássio (1,9), bicarbonato (356,49), carbonato w = 7,868 Ohm.m@25oC e r do Perfil = 6,035 (107,58), cloreto (91,74), sulfato (1,56), sílica (8,2) e flúor w Ohm.m@38,7oC, que corresponde a uma rw = 7,785 (1,82) em mg/l. A soma dos íons totaliza 853,69 mg/l Ohm.m@25oC, valores estes, absolutamente, dentro da contra os 762 mg/l de Sólidos Totais determinados. mesma ordem de grandeza. Esta razoável correlação entre as resistividades só foi possível devido ao poço 6.2.23 usos, limitações e Vantagens ter somente filtros nos quatro intervalos mostrados os quais são, qualitativamente, similares em termos dos Perfis Geofísicos de Poços de VSH, DT e DIR, conforme pode ser observado no Por tudo que foi visto neste capítulo, pode-se próprio perfil (Figura 6.2.16). concluir que os perfis geofísicos têm uma larga gama Apesar da grande compatibilidade verificada de aplicações que abrange estudos hidrogeológicos, entre os resultados laboratoriais e dos perfis, convém de um modo geral, até estudos de engenharia de lembrar que os laboratórios medem a condutividade perfuração ou de lavra e remediação. A seguir são de uma amostra oriunda de uma mistura de águas apresentadas as aplicações mais usuais. (portanto, obedecendo a lei das misturas – equações 6.2.1 e 6.2.50). Por outro lado, os perfis determinam aplicações em Hidrogeologia: características petrofísicas in situ, isto é, cada água • determinação de topo e base dos aqüíferos; corresponde a cada aqüífero, independentemente dos • determinação da litologia; demais. Pelo fato de este poço ter posicionado seus • correlação estrutural e estratigráfica entre poços filtros exatamente, e somente, nos quatro aqüíferos vizinhos; mais promissores, fez com que os valores dos perfis se correlacionassem perfeitamente bem com os de • indicação de zonas permeáveis e/ou fraturadas; laboratórios, ressalva a ser feita apenas para a equação • seleção de intervalos mais adequados para a hiperbólica usada, ainda necessitando de revisão. colocação de filtros;\ Lembrar que a água produzida por um poço • variações texturais das camadas sedimentares; qualquer resulta de uma mistura ponderada entre • cálculo numérico das porosidades totais e efetivas; vazões e salinidades do tipo: • cá lcu lo numér ico do teor de a rg i la ou STD .Q +...+STD .Q argilosidade; STD final= 1 1 n n+...+ (6.2.50) • cálculo numérico da retenção específ ica Q1 Qn correspondente à fração argilosa; Pelo que se observa, quanto maior a vazão (Q) de • quantificação dos Sólidos Totais Dissolvidos (STD) i um determinado aqüífero, maior a sua contribuição das águas intersticiais; ao std final. Repetir nunca é demais: em virtude de • identificação da procedência das águas drenadas não se ter, jamais, uma análise hidroquímica completa, (plumas); com a quantificação da totalidade dos íons presentes • formação de banco de dados de propriedades em uma solução, deve-se dar, sempre, a preferência petrofísicas dos aqüíferos. ESTATÍSTICA DO POÇO - CPRM (2003) ESTATÍSTICA LITO. GR IGR VSH SSP FT K(SP) rmf rw(SP) DIR DT ηt ηe rw(SP) rw(A) rw SDT MÁXIMO ARN 93,3 1,00 1,00 16,5 38,6 74,3 9,415 15,77 59,4 152,9 0,380 0,266 13,38 7,099 7,492 671 MÍNIMO ARN 30,0 0,00 0,00 -37,4 36,3 73,7 9,055 2,846 2,1 82,6 0,193 0,000 2,846 0,598 4,269 387 MÉDIA ARN 62,5 0,51 0,41 1,8 37,5 74,0 9,231 10,38 20,5 109,3 0,287 0,162 8,083 3,987 6,035 490 DESVIO ARN 20,9 0,33 0,31 11,8 0,7 0,2 0,106 3,394 16,9 15,5 0,039 0,078 2,256 1,807 0,939 77 tabela 6.2.5 - Estatística dos resultados do HIdroloGtm computado a partir das curvas do Perfil Composto da figura 6.2.16. rw = 6,035 Ohm.m@ 38,7 oC é igual a rw = 7,785 Ohm.m@25 oC (equação 6.2.6). 503 Cap_6.2_ FFI.indd 45 9/12/2008 21:54:15 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea aplicações em Engenharia de Perfuração: dos sensores continuam bastante influenciadas pelo • localização para posicionamento das sapatas de meio ambiente que circunda a ferramenta (diâmetro revestimentos, para prevenção de desmoronamentos e volume de lama). Além do mais, tais equipamentos das paredes dos poços; para se tornarem competitivos, têm tecnologia mais simples e não suportam operações demoradas sob • medidas do diâmetro do poço, para cálculo do condições de altas temperaturas e/ou pressões e volume de pré-filtro ou cimento; choques mecânicos. • determinação de zonas com perda de lama; Por outro lado, já existem empresas brasileiras, • cálculo das constantes elásticas dinâmicas das pequenas, equipadas com ferramentas escolhidas rochas; entre aquelas do petróleo que melhor se adaptam • formação de banco de dados de propriedades às condições dos poços da indústria da água, mecânicas, para melhorar a performance da operando sob os padrões de qualidade API e ISO perfuração de futuros poços no local. 9000, que podem realizar, com igual qualidade e por um custo muito menor, os mesmos serviços das aplicações em Estudos dinâmicos de Explotação: multinacionais. • pe r f i l agem rad ioa t i va (Ra ios Gama) e eletromagnética (Indução), quando realizadas Vantagens dos Perfis dos Poços em poços revestidos com PVC, podem indicar, seguramente, a composição da coluna e possíveis As principais vantagens dos perfis de poço, em migrações fluidas entre intervalos filtrantes; comparação com os demais métodos de avaliação, são: cobrem todo (ou quase todo) o poço; apresentam • perfilagens rotineiras, durante a vida útil dos poços, um erro máximo de profundidade da ordem de 0,1%; poderão mostrar variações das características registram várias propriedades das rochas em um petrofísicas e hidrodinâmicas, causadas pelo só perfil; realizam amostragens em grande detalhe constante bombeamento; (a depender do tipo de perfil, uma amostra a cada • perfilagens rotineiras durante a vida útil dos poços, seis polegadas ou uma amostra a cada polegada de poderão indicar metodologias para controle de poço); têm velocidade de perfilagem variando entre 30 plumas. a 75 m/min e têm custo reduzido quando comparado com o custo total do poço ou com uma operação de limitações dos Perfis Geofísicos testemunhagem contínua. Espera-se, com a divulgação desse texto e com o As grandes companhias de serviços de perfilagem, aumento do número de cursos sobre este tema, que o todas multinacionais, são direcionadas exclusivamente ainda tímido uso dos perfis geofísicos na hidrogeologia para a indústria do petróleo, razão pela qual elas gastam torne-se costumeiro para os hidrogeólogos, os fortunas em constantes pesquisas tecnológicas. O engenheiros hidráulicos e os sanitaristas. Que eles motivo é bem simples: os poços são muito mais aprendam a tirar o máximo proveito das vantagens profundos, apresentam maiores temperaturas e dos perfis na pesquisa hidrogeológica. pressões que os para captação de água, obedecem Neste sentido, deve-se ressaltar que existe a critérios técnicos padronizados de engenharia de atualmente um grande número de perfis disponíveis perfuração e têm diâmetros entre 81/2 a 171/2 ou mais para o mais exigente dos usuários, além de vários polegadas. Estes diâmetros são compatíveis com os métodos interpretativos para uso em computadores. equipamentos padronizados usados pelas companhias de serviços de perfilagens mundiais, da ordem de 4 polegadas. Tendo clientela cativa, é claro que as 6.2.24 Considerações finais multinacionais, quando solicitadas para a realização Um programa de perfilagem completo, para uma de serviços em poços para água, cobram preços perfeita avaliação quantitativa de um poço tubular, igualmente como se fora para um poço de petróleo. deverá constar, no mínimo, das seguintes curvas Tal fato torna a relação custo/benefício bastante API: SP; RG; resistividade profunda e um perfil de desestimulante e inviável. porosidade. Para a hidrogeofísica aconselha-se, Esta foi a principal razão pela qual a indústria da respectivamente, os perfis de Gama, Indução 6FF40 e água não fazia uso sistemático da perfilagem dos poços. o Sônico. Os dois outros perfis de porosidade, usados Quando os usava, eles eram, na maioria das vezes, corriqueiramente na indústria petrolífera (Densidade realizados com equipamentos portáteis, construídos e Neutrônico), descem ao poço portando fontes especificamente para poços de mineração e geotecnia radioativas, de longas meias-vidas, as quais podem, (ferramentas com diâmetro de 2 polegadas). Os mais quando ocorrerem problemas operacionais (prisão modernos já usam microcomputadores, porém, por ou quebra ferramental dentro do poço), contaminar continuarem com suas ferramentas ainda relativamente as águas subterrâneas, que serão consumidas por finas, em relação ao diâmetro dos poços, as leituras nossos descendentes por muito tempo. O Cáliper é 504 Cap_6.2_ FFI.indd 46 9/12/2008 21:54:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações um perfil opcional, muito embora ele seja o melhor Symposium. Society of Professional Well Log Ana- indicador de desmoronamentos e estrangulamentos lysts, 1977. (Paper R). dos poços, dados essenciais para fins de controle COATES, G. R.; DUMANOIR, J. L. A new approach da qualidade das curvas de resistividades e de to improved derived permeability. the log analyst, porosidades. Se o cáliper é do tipo XY, tem-se, ainda, Houston, v. 15, n. 1, jan./feb. 1974. a possibilidade de se obter os volumes exatos do poço, para fins de completação e quantificação de COSTA, R. C. Fluidos de perfuração, conceitos pré-filtro e pastas. da perfuração petrolífera aplicados à perfuração de Para a determinação de r poços para água. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE w, bem como o std dela derivado, deve-se dar a preferência, ou um ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 7., 1992, Belo Horizonte. peso maior, ao método do r (a) do que o r (sP). No anais... Belo Horizonte: ABAS, 1992.w w primeiro, pelo fato de tanto as resistividades como as CROFT, M. G. A method of calculating permeability porosidades serem leituras in situ e que podem ser from electric logs. In: GEOLOGICAL Survey Research corrigidas pelos efeitos da argilosidade. No segundo, 1971. [Reston, VA]: U.S. Geological Survey, 1971. a não ser que se use uma metodologia de cálculo p. B265-B269. (U.S. Geological Survey Professional conforme definida no item 6.2.12 e suas respectivas Paper 750-B). equações (6.2.28) e (6.2.29). Entretanto, para que se possa trabalhar com os DOLL, H. G. Introduction to Induction logging. Journal perfis é necessário um especialista ou intérprete, of Petroleum technology, Dallas, v. 2, n. 7, jun. 1949. preferentemente, em constante reciclagem. Ele deve DRURY, M. J. Borehole temperature logging for the ter bons conhecimentos das rochas e da geologia da detection of water flow. Geoexploration, Amsterdam, n. área, dos princípios físicos fundamentais que regem 22, p. 231-243, 1984. cada perfil, além de aliar a tudo isto uma alta dose de bom senso, lógica e pragmatismo. DUNLAP, O. F.; HAWTHORNE, R. R. The calculation of Para finalizar, um conselho de quem usa perfis há water resistivities from chemical analysis. transactions muito tempo: não existe verdade absoluta quando of the american Institute of mining, metallurgical and se trata de interpretação. Ferramentas adequadas ao Petroleum Engineers, New York, n. 142, p. 373-375, tipo de trabalho a realizar, adicionadas a uma maior 1951. quantidade possível de informações, nos aproximam ELIAS, V. L. et al. Organização e Análise das Pro- da verdade almejada. priedades Elétricas de Reservatórios Brasileiros. In: CONGRESSO INTERNACIONAL de GEOFÍSICA, 6., referências 1999, Rio de Janeiro, RJ. resumos Expandidos. Rio de Janeiro: SBGf, 1999. CD. ALGER, R. P. Interpretation of eletric logs in fresh- water wells in unconsolidated formations. In: GIRÃO NERY, G. Equações hiperbólicas relacionando TRANSACTIONS of the Society of Professional Well Rw com STD: determinação da qualidade da água Log Analysts: 7th Annual Logging Symposium. através dos perfis geofísicos. In: CONGRESSO BRASI- Houston: Society of Professional Well Log Analysts, LEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 9., 1996, Salva- 1966. (Paper CC). dor. anais... Salvador: ABAS, 1996. ARCHIE, G. E. The electrical resistivity log as an ______. Estudo da eficiência na filtração osmótica aid in determining some reservoir characteristics. da bentonita e folhelhos triturados da formação transactions of the american Institute of mining, Candeias, bacia do recôncavo, bahia, brasil. metallurgical and Petroleum Engineers, New York, 1989. Tese (Mestrado)-Universidade Federal da n. 146, p. 54-62, 1942. Bahia, [Salvador], 1989. BATEMAN, R. M.; KONEN, C. E. The log analyst and GIRÃO NERY, G.; WANDERLEY, P. R. M.; CAVALCAN- the programmable pocket calculator. the log analyst, TE, A. T. Uso dos perfis geofísicos em um poço da Houston, v. 18, n. 5, p. 3-11, sept/oct. 1977. bateria da Praça Gonçalves Ledo (Maceió), revestido com PVC. r. Águas subt., n.16, p.21-38. 2002. CLAVIER, C.; COATES,G. R.; DUMANOIR, J. Theoretical and experimental bases for the Dual GONDOUIN, M.; TIXIER, M. P.; SIMARD, G. L.. An Water Model for the interpretation of shaly sands. experimental study on the influence of the chemical society of Petroleum Engineers Journal, Dallas, composition of electrolytes on the SP curve. Journal of v. 4, p. 153-168, 1984. Petroleum technology, Dallas, n. 210, p. 58-72, 1957. CLEMENCEAU, J. R. The cementation exponent in GUYOD, H. Electric Log Interpretation. the oil the formation factor-porosity relation: the effect of Weekly magazine, Dec. 3, 10, 17, 24, 1944. permeability. In: TRANSACTIONS of the Society of ________. the Guyod’s Electric Well logging. Professional Well Log Analysts: 18th Annual Logging Texas: Welex. Inc., 1945. 505 Cap_6.2_ FFI.indd 47 9/12/2008 21:54:15 Capitulo 6.2 - Perfilagem Geofísica Aplicada a Água Subterrânea HAGIWARA, T. response of 2 mHz resistivity PIRSON, S. J. Handbook of well log analysis for oil devices in thin laminated formation (anisotropic and gas formation evaluation. New York: Prentice resistivity and Em log interpretations). [Richardson, Hall; Inc. Engelwood Cliffs, N. J., 1963. 337p. TX]: Society of Petroleum Engineers, 1994. (SPE paper RAYMER, L. L.; HUNT, E. R.; GARDNER, J. S. An 28426). improved sonic transit time to porosity transform. In: HALLENBURG, J. K. Geophysical logging for mineral TRANSACTIONS of the Society of Professional Well and engineering applications. [S.l.] Pennwell Books, Log Analysts: 21st Annual Logging Symposium. 1983. 254p. Houston: Society of Professional Well Log Analysts, 1980. (Paper 546 P). JACKSON, P. D.; SMITH, D. T.; STANFORD, P. N. Resistivity - porosity - particle shape relationship SCHLUMBERGER. Educational Services. log inter- for marine sands. Geophysics, Tulsa, v. 43, n. 6, p. pretation charts. [Sugar Land, TX], 1989. 152 p. 1250-1268, oct. 1978. ______. resistivity measurement tools. [Sugar KELLER, G. V., Rocks and minerals properties. Land, TX], 1984. 39p. In: NABIGHIAN, Misac N. (Ed.). Electromagnetic SUNDENBERG, K. Effect of impregnating waters on methods in applied geophysics. Tulsa: Society of electrical conductivity of soils and rocks. transactions Exploration Geophysics, 1988. v. 1. of the american Institute of mining, metallurgical KEYS, W.Scott. borehole geophysics applied to and Petroleum Engineers, n. 97, p. 367-371, 1932. ground-water investigations. Dublin, OH: National TAYLOR, J. O. Ground-water resources of the north- Water Well Association, 1989. 313 p. ern Powder River Valley, Southeastern Montana. LIMA, O. A. L.; RIBEIRO, A. C. Caracterização hidroge- montana bureau of mines and Geology bulletin, ológica do aqüífero São Sebastião, na área do CIA/BA, Butte, MT, n. 66, p. 12-20, 1968. usando perfis elétricos de poços. revista brasileira de TOWLE, G. An analysis of the formation resistivity Geofísica, São Paulo, v. 1, n. 1, p. 11-22, 1982. factor - porosity relationship of some assumed pore LIMA, O. A. L.; MIRANDA, T. A. D. Condições hidro- geometries. In: TRANSACTIONS of the Society of geológicas dos aqüíferos artesianos na região do Professional Well Log Analysts: 3rd Annual Sym- Complexo Petroquímico de Camaçari, Bahia. revista posium. Houston: Society of Professional Well Log brasileira de Geociências, São Paulo, v. 18, n. 1, p. Analysts, 1962. (Paper 26 C). 43-49, 1988. TURCAN Jr, A. N. Estimating water quality from LIMA, O. A. L.; GIRÃO NERY, G. Determinação da electrical logs. [Reston,VA]: USGS, 1962. p. (U.S. resistividade elétrica das águas intersticiais usando Geological Survey Professional Paper. 450-C). perfilagens de potencial espontâneo. In: CONGRES- WAXMAN, M. H.; SMITS, L. J. M. Electrical condutivi- SO INTERNACIONAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA ties in oil-bearing shaly sands. society of Petroleum DE GEOFÍSICA, 6., 1999, Rio de Janeiro. anais... Rio Engineers Journal, Dallas, v. 243, p. 107-122, 1968. de Janeiro: SBGf, 1999. WINSAUER, W. O.; McCARDELL, W. M. Ionic double ______; GIRÃO NERY, G. Interpretation of resistivity layer conductivity in reservoir rocks, transactions of log in fresh-water aquifers. CONGRESSO INTERNA- the american Institute of mining and metallurgical CIONAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE GEOFÍSI- Engineers, New York, v. 198, p. 129-134, 1953. CA, 7., 2001, Salvador. anais... Rio de Janeiro: SBGf, 2001. WYLLIE, M. R. J. the fundamentals of well log inter- pretation. New York: Academic Press, 1956. 238 p. LIMA, O. A. L.; NIWAS, Sri. Estimation of hydraulic parameters of shaly sandstone aquifers from geo- electrical measurements, Journal of Hydrology, Amsterdam, v. 235, n. 1-2, p. 12-26, aug. 2000. LIMA, O. A. L.; SHARMA, M. M. A grain conductivity approach to shaly sandstone. Geophysics, Tulsa, v. 55, n. 10, p. 1347-1356, 1990. MORAN, J.H.; KUNZ, K.S. Basic theory of induction logging. , Geophysics, Tulsa, v. 27, n. 6, p. 829-858, Dec. 1962. NIWAS, Sri; SINGHAL, D. C. Acquifer transmissiv- ity of porous media from resistivity data. Journal of Hydrology, v. 82, n. 1-2, p. 143-153, nov. 1985. 506 Cap_6.2_ FFI.indd 48 9/12/2008 21:54:16 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.3 TESTES DE BOMBEAMENTO EM POÇOS TUBULARES Fernando A. C. Feitosa J. Geilson A. Demetrio 6.3.1 Introdução que ocorrem no poço (BQ + CQn, ver capítulo 6.6 e 6.7). A sua execução consiste na realização de Os testes de bombeamento representam, um bombeamento e no registro da evolução dos sem nenhuma dúvida, a forma de mais fácil rebaixamentos no próprio poço bombeado (figura aplicação (e de maior garantia em seus 6.3.1b). Podem ser realizados em múltipas etapas ou resultados) usada tradicionalmente para determinação numa etapa única de bombeamento. dos parâmetros hidrodinâmicos dos aqüíferos e para Os mais indicados são os testes de produção verificação da qualidade da construção das obras em múltiplas etapas, onde, em cada etapa, a vazão de captação de água subterrânea, além de serem deve aumentar, de modo que Q1 < Q2 < Q3 < Qk ferramentas indispensáveis para a determinação de (sendo Qi a vazão da etapa i de bombeamento, e i = vazões de explotação de poços. Neste texto, são 1, 2, 3 ...k). Entretanto, durante o período de tempo abordados os tipos de testes de bombeamento, os correspondente a cada etapa, a vazão deve ser equipamentos empregados e as metodologias de mantida constante. O ideal é que a vazão aumente planejamento e execução mais usuais. As questões em progressão geométrica, devendo-se escalonar a relativas à interpretação de testes são apresentadas vazão entre um mínimo e um máximo, em função do nos capítulos 6.4, 6.5 e 6.6. rendimento da bomba. É recomendável que a maior vazão (Qk) seja da mesma ordem de grandeza (ou 6.3.2 Classificação de Testes de superior) daquela cogitada como vazão de explotação. Bombeamento Esta recomendação é calcada no fato de ser a curva obtida (BQ + CQn) rigorosamente válida para o De uma forma ampla, os testes de bombeamento intervalo compreendido entre as vazões extremas (Q1 e podem ser classificados em: testes de aqüífero e testes Qk), sendo as extrapolações pouco confiáveis. Podem de produção. Além destes, são também utilizados para ser realizados através de duas metodologias distintas: o estudo de aqüíferos os testes de injeção (slug tests), etapas sucessivas e escalonado. os quais não são objeto deste capítulo. Teste de Aqüífero Pode-se definir teste de aqüífero como sendo um bombeamento que tem por finalidade a determinação dos parâmetros hidrodinâmicos do meio poroso: transmissividade (T), coeficiente de armazenamento (S) e condutividade hidráulica (K). A sua execução consiste no bombeamento de um poço, com vazão constante Q, e no acompanhamento da evolução dos rebaixamentos produzidos em um (ou mais de um) poço de observação situado a uma distância r qualquer do poço bombeado, conforme ilustrado esquematicamente na figura 6.3.1a. Teste de Produção Pode-se definir teste de produção como um bombeamento que tem por finalidade a determinação Figura 6.3.1 - Esquema ilustrativo da metodologia de da vazão de explotação e as perdas de carga totais execução de testes de aqüífero e testes de produção. 507 Cap_6.3_FFI.indd 1 9/12/2008 21:56:13 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares Nos testes de produção em etapas sucessivas, ao Duração Vazão término de cada etapa, o equipamento de bombeamento Etapa Data Início Término (h) (m3/h) é desligado e aguarda-se a recuperação do nível Etapas Sucessivas estático, normalmente por um tempo igual ao da etapa 1 19/05/2008 8:00 11:00 3:00 2,0 de bombeamento, antes do início da etapa subseqüente. 2 20/05/2008 8:00 11:00 3:00 3,5 Não há a obrigatoriedade da recuperação total do nível estático inicial, conforme é mostrado nas figuras 6.3.2a e 3 21/05/2008 8:00 11:00 3:00 5,0 6.3.2b. Ao contrário dos testes em etapas sucessivas, 4 22/05/2008 8:00 11:00 3:00 7,0 os testes escalonados são realizados através de um 5 23/05/2008 8:00 11:00 3:00 10,0 bombeamento contínuo, passando-se de uma etapa Escalonado para outra através de um aumento brusco da vazão. 1 19/05/2008 8:00 11:00 3:00 2,0 Podem ser realizados com ou sem estabilização final 2 19/05/2008 11:00 14:00 3:00 3,5 do nível dinâmico em cada intervalo, como ilustrado nas figuras 6.3.2c e 6.3.2d, respectivamente. 3 19/05/2008 14:00 17:00 3:00 5,0 A seguir, são apresentados, na tabela 6.3.1, os 4 19/05/2008 17:00 20:00 3:00 7,0 dados de um planejamento hipotético para a execução 5 19/05/2008 20:00 23:00 3:00 10,0 de um teste de produção em etapas sucessivas Tabela 6.3.1 - Planejamento hipotético para a realização e um teste de produção escalonado, a título de de um teste de produção em etapas sucessivas e exemplificação. escalonado. Teoricamente, não existe diferença entre teste de produção em etapas sucessivas ou escalonado. Em duas primeiras etapas sejam de curta duração (uma geral, os testes escalonados são mais utilizados, a três horas, por ex.) e a última etapa se estender, porque apresentam a vantagem de serem realizados para atender o planejamento adotado para o teste de com maior rapidez, minimizando os custos de aqüífero (12, 24, 48 horas, por exemplo). operação (custo diário de equipamentos, diárias A uti l ização dos testes de produção para etc.). Entretanto, quando se realiza teste de aqüífero determinação das perdas de carga totais num poço e teste de produção num mesmo poço, o mais em bombeamento e na avaliação de vazões de adequado é utilizar o teste de produção em etapas explotação é apresentada, respectivamente, nos sucessivas. Neste caso, pode-se planejar para que as capítulos 6.6 e 6.7. Figura 6.3.2 - Curvas rebaixamento versus tempo referentes a testes de produção em etapas sucessivas e escalonado (modificado de Custodio & Llamas, 1983). 508 Cap_6.3_FFI.indd 2 9/12/2008 21:56:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Tanto nos testes em etapas sucessivas quanto As bombas submersas são as mais adequadas, nos escalonados, não é necessário que as etapas pois apresentam uma ampla abrangência em sua de bombeamento tenham obrigatoriamente o mesmo aplicação (vazão e profundidades do nível da água), intervalo de tempo. Neste caso, porém, os valores de além de ter uma fácil operacionalidade na regulagem rebaixamento devem ser relacionados para intervalos da descarga bombeada. de tempo correspondentes (τ), como é mostrado na Teste em poço jorrante é um caso especial em que figura 6.3.3. se admite a vazão variável. Neste caso, o rebaixamento é mantido constante é e a variação de vazão é registrada através de um manômetro, instalado na boca do poço. No capítulo 6.8 serão apresentados os princípios básicos sobre os sistemas de bombeamento utilizados em poços tubulares. 6.3.4 Medição de Nível d’Água Os equipamentos utilizados para medição do nível estático (NE) e acompanhamento da evolução dos níveis dinâmicos (ND) podem ser divididos em medidores manuais e medidores automáticos. Medidores Manuais de Nível d’Água Os principais medidores manuais de nível d’água são os elétricos e os ultra-sônicos. Entre eles, os medidores elétricos são os mais difundidos e utilizados. São constituídos, basicamente, por um cabo elétrico Figura 6.3.3 - Teste de produção em várias etapas com ligado a uma fonte, tendo na outra extremidade um diferentes tempos de bombeamento (modificado de Custodio eletrodo que, ao tocar na superfície da água, fecha o & Llamas, 1983). circuito e aciona um dispositivo de alarme, normalmente baseado na emissão de um sinal sonoro e/ou luminoso. Em alguns casos, são colocados miliamperímetros 6.3.3 Sistemas de Bombeamento para indicar a intensidade de corrente que passa pelo A teoria clássica desenvolvida para análise de circuito. A figura 6.3.4 ilustra um medidor de nível testes de aqüífero foi estabelecida a partir de uma elétrico e sua forma de operação. série de hipóteses (vide capítulo 6.4), uma das quais A tecnologia ultra-sônica de medição de nível se é a vazão ser mantida constante durante a execução baseia na medição do tempo requerido por pulsos do teste. Alguns sistemas de bombeamento ultra-sônicos para percorrer a distância de ida e volta facilitam a observância desse pré-requisito, sendo, do sensor até a superfície do líquido. Um sensor ultra- portanto, mais indicados. sônico instalado acima do nível da água emite um feixe Sistemas de bombeamento baseados em ar de pulsos ultra-sônicos e recebe os ecos refletidos. Um comprimido (air-lift) não permitem a constância processador capta o sinal refletido, mede o tempo entre da vazão nem a sua regulagem, logo, não são a emissão e o retorno deste sinal e calcula a distância adequados para a real ização de testes de do sensor até a superfície do líquido. A medição de aqüífero e/ou produção. Entretanto, no caso de níveis com ultra-som é especialmente prática quando, testes de produção em poços captando apenas por qualquer razão, não se pode estabelecer contato rochas cristalinas, é admissível a utilização de físico com a superfície a ser detectada. compressores de ar, na medida em que a hidráulica deste tipo de reservatório já impõe uma taxa variável Medidores Automáticos de Nível d’Água da descarga. As bombas centrífugas, embora permitam a Os primeiros medidores automáticos eram baseados regulagem da vazão, têm a limitação de profundidade no aproveitamento da energia produzida pelo movimento do nível da água. Na teoria, as bombas centrífugas vertical de ascensão e rebaixamento do nível da água funcionariam normalmente para níveis dinâmicos de dentro de um poço, para mover um conjunto formado até 10,0 metros de profundidade, porém, na prática, por um flutuador e um contrapeso, ligados por um cabo, o rendimento destas bombas começa a diminuir que oscilavam juntamente com a água, transmitindo este para níveis a partir de 7,0 metros. movimento vertical, através de um sistema de engrenagens 509 Cap_6.3_FFI.indd 3 9/12/2008 21:56:14 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares Figura 6.3.5 - Medidor de nível automático - Linígrafo (adaptado de Martinez. & Lopez, 1984). Figura 6.3.4 - Medidor de nível elétrico (modificado de Feitosa & Costa Filho, 1998). e polias, para um registrador onde se lia diretamente a profundidade do nível da água. Estes dispositivos são conhecidos como linímetros. Os med ido res l i n imé t r i cos podem se r complementados por um sistema de registro contínuo, constituído por um tambor giratório movido a partir de um pequeno sistema de relojoaria ou um motor elétrico à base de pilhas, no qual é colocada uma Figura 6.3.6 - Registrador de nível automático – Levelogger bobina de papel específico onde são registradas (Foto: Demetrio. J.G.A). ininterruptamente, por meio de uma pena e tinta adequadas, as variações que ocorrem no nível da água ao longo de um período de tempo pré-determinado. O Os registradores são apresentados em vários dispositivo de medição assim constituído e ilustrado modelos, cuja diferença é a variação de coluna de na figura 6.3.5 é denominado de linígrafo. água que suportam. Comercialmente, se encontram Com o avanço da tecnologia, os antigos linígrafos registradores para 5, 10, 20, 30 e 100 metros de estão sendo substituídos por medidores mais variação de coluna de água. Para valores superiores modernos, os quais possibilitam uma coleta e análise a 100 metros, os registradores podem ser obtidos mais rápida dos dados. sob encomenda. É importante ficar atento para a Os medidores atuais, chamados de registradores capacidade e limitações dos registradores, pois o uso automáticos de nível de água ou levelogger (figura inadequado danifica o equipamento. Os leveloggers 6.3.6), baseiam-se na variação de pressão da coluna são totalmente automáticos, fáceis de programar e de água exercida sobre um sensor. Esses medidores, permitem selecionar medições com intervalos de tempo na realidade, não medem o nível da água no poço, mas desde 0,5 segundos até 99 horas. A sua utilização é é possível obter os valores de ND e, conseqüentemente, muito simples, necessitando-se, geralmente, de um os rebaixamentos, pela variação de pressão captada notebook e de um software específico para calibração, pelo sensor. Para isso, faz-se uma medida do NE no regulagem e captação dos dados acumulados. momento da instalação do equipamento, a qual serve A pressão sobre o sensor é, na realidade, a soma como referência de calibração, podendo-se, então, da pressão atmosférica e da pressão da coluna de transformar as medidas de pressão em medidas de água. Em geral, para rebaixamentos significativos, ND, o que é muito útil para testes de aqüífero ou de as variações da pressão atmosférica podem ser produção. consideradas desprezíveis e os registros feitos pelo 510 Cap_6.3_FFI.indd 4 9/12/2008 21:56:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações levelogger representam, na prática, a variação da de descarga horizontal, com o mínimo possível de pressão causada pela oscilação da coluna de água. rugosidade interna, que é conectado ao tubo de saída No entanto, quando se tem pequenas oscilações da da bomba através de uma conexão. O tubo dispõe coluna de água, a variação da pressão atmosférica ao de um registro (o ideal é do tipo globo), uma placa longo do dia torna-se significativa (vide item 6.3.6) e, de aço ou PVC circular perfurada estrangulando a nesses casos, é essencial detectar essa variação para saída e uma tomada piezométrica, tal como mostrado filtrá-la e se obter o registro correspondente apenas das na figura 6.3.8. A placa circular deve ser lisa e sem variações da coluna de água sobre o sensor. A variação irregularidades, assim como as paredes do perímetro da pressão atmosférica pode ser registrada através de do orifício. Suas arestas, entretanto, devem ser registradores de pressão denominados barologgers, agudas. É muito importante que a placa funcione instalados acima do nível da água, conforme ilustrado em posição perfeitamente vertical e seu orifício seja na figura 6.3.7. perfeitamente circular e rigorosamente centrado. A tomada piezométrica deve ser obtida mediante um furo de 1/8” de diâmetro, na interseção da parede do tubo de descarga com o plano horizontal que contém o eixo longitudinal. Em seguida, deve ser conectado ao tubo, um niple ou bocal metálico ou de PVC e acoplada uma mangueira transparente e flexível destinada à medição da pressão. Esta medição deve ser feita através de uma escala métrica com precisão milimétrica que deve ser fixada a um suporte qualquer, de forma que o zero da escala coincida com o plano horizontal que corta o eixo do tubo. Em relação à parte construtiva e operacional deste dispositivo, é importante fazer, ainda, as seguintes considerações: • o diâmetro do orifício deve ser menor que 0,8 vezes o diâmetro interno do tubo de descarga. A figura 6.3.9 mostra que o valor de Ke varia rapidamente para valores da relação diâmetro do orifício/diâme- tro do tubo que excedem 0,7; Figura 6.3.7 - Instalação de Levelogger e Barologger. • o niple ou bocal usado para conexão da mangueira que serve de tubo piezométrico não deve conter nenhuma saliência para o interior do tubo de 6.3.5 Medição de Vazões descarga; • o tubo de descarga deve manter a horizontalidade Conforme já dito no item 6.3.3, uma condição durante todo o período de bombeamento; essencial para a interpretação consistente de testes • a tomada piezométrica (mangueira) não deve conter de bombeamento é a vazão ser mantida constante. obstruções ou bolhas de ar quando se procede a Os equipamentos e métodos mais utilizados para leitura da carga hidráulica; monitoramento e controle de vazões, em testes de • pode ser dimensionado praticamente para qualquer bombeamento de poços, estão relacionados a seguir. ordem de grandeza de vazões de poços, indo desde descargas muito pequenas (<1,0 m3/h) até Escoadouro de Orifício Circular valores muito altos (>700,0 m3/h); • antes de sua utilização, é recomendável o seu Dos dispositivos e métodos existentes, o escoadouro aferimento através da comparação de medidas de orifício circular apresenta grandes vantagens em feitas por um outro método de comprovada relação aos demais. Entre elas, as mais importantes eficiência, para ajuste da constante K . são: a excelente precisão (acima de 98%, Driscoll, e 1986) e a possibilidade de assegurar a constância A vazão é determinada através da seguinte da vazão, requisito básico para a interpretação dos expressão: resultados. Não é indicado para a medição de vazões Q = 4,43 K A h pulsantes de bombas a pistão, podendo ser utilizado e (6.3.1) com excelentes resultados para todos os outros tipos sendo Q a vazão expressa em m3/s, Ke a constante de bomba. Esse dispositivo é uma variante do medidor do dispositivo, fornecida pelo gráfico da figura 6.3.9, Venturi de descargas (a seção estrangulada, no caso A a seção do orifício de descarga em m2 e h a altura presente, abre para o exterior). Consiste de um tubo piezométrica em metros. 511 Cap_6.3_FFI.indd 5 9/12/2008 21:56:15 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares Figura 6.3.8 - Escoadouro de orifício circular mostrando detalhes construtivos (modificado de DRISCOLL, 1986). Figura 6.3.9 - Gráfico para avaliação da constante Ke em função da razão diâmetro do orifício diâmetro do tubo (adaptado de DRISCOLL, 1986). 512 Cap_6.3_FFI.indd 6 9/12/2008 21:56:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Exemplo 6.3.1 - Para exemplificar, vamos determinar a vazão ultra-som são instalados no tubo de descarga do em um tubo de 10” de diâmetro com uma placa de 7” para uma poço onde se está realizando o bombeamento. Os altura na mangueira piezométrica de 0,53 cm. A razão entre os transmissores/receptores são acoplados a uma diâmetros é 0,7 e pelo gráfico da figura 6.3.9, K = 0,709. A seção unidade de processamento, que nada mais é do que do orifício (A) é dada por pr2, logo, A = 0,025 m2. Substituindo um microcomputador, que coordena toda a operação as variáveis da equação (6.3.1), teremos: de envio e leitura dos feixes de ultra-som. A partir da Q = 4,43 ⋅ 0,709 ⋅ 0,025 0,53 ⇒ diferença entre o tempo de trânsito do feixe de ultra- 3 3 som no sentido do fluxo e no sentido contra o fluxo de Q = 0,0572m / s = 205,92m / h água, é calculada a velocidade do fluido dentro do tubo e, conseqüentemente, a vazão. O ábaco apresentado no anexo 6.3.1 permite o Esse método é tão preciso quanto o escoadouro cálculo de descargas em litros/segundo para uma de orifício circular, porém, apresenta uma montagem e série de dispositivos, em função da razão diâmetro operação bem mais fácil, uma vez que dispensa qualquer do orifício/diâmetro do tubo. É possível também, tipo de serviço na tubulação como seccionamento ou através deste gráfico, projetar a construção de furação. É possível utilizá-lo em poços que estejam um equipamento desta natureza para atender às instalados em uma rede de adução sem ser necessário necessidades específicas dos usuários que trabalham desmontá-la (figura 6.3.12a). Não é necessário que o com bombeamento de poços. Na figura 6.3.10 são tubo esteja perfeitamente na horizontal, sendo possível apresentados exemplos da aplicação do escoadouro realizar medidas até em tubos na vertical (figura de orifício circular em testes de bombeamento. 6.3.12b). O equipamento dispõe de memória para registro de vazões, sendo que alguns modelos podem armazenar até 50.000 medidas, tornando-os excelentes registradores de vazão, podendo ser utilizados em trabalhos de monitoramento. Esses medidores podem ser utilizados em diversos tipos de fluidos e de tubos de adução. Figura 6.3.11 - Esquema do princípio de funcionamento da medição de vazão por ultra-som. Figura 6.3.10 - Exemplos de testes de bombeamento utilizando escoadouro de orifício circular (Fotos: Geilson Demetrio). Ultra-som Um dos métodos mais modernos para medição e controle de vazões em testes de bombeamento Figura 6.3.12 - (a) Medidor de vazão à base de ultra-som é o que utiliza o ultra-som. Existem várias técnicas instalado em tubulação de adução no teste de aqüífero da de medição de vazão com ultra-som, porém, uma fazenda COBA, Região de Urucuia – BA; (b) Medidor de das mais usadas é a chamada de tempo de trânsito vazão à base de ultra-som instalado em tubo vertical de (transit-time), cujo esquema de medição é mostrado adução – Teste de aqüífero na localidade São Pedro, Barbalha na figura 6.3.11. Dois transmissores/receptores de – CE (Fotos: (a) J. Cláudio Viegas; (b) Robério Boto). 513 Cap_6.3_FFI.indd 7 9/12/2008 21:56:19 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares Medidor Tipo Turbina Vertedouros Neste tipo, o fluido que se desloca no interior da O termo vertedouro, como entendido no conceito tubulação aciona um rotor montado axialmente dentro geral, representa a abertura por onde passa a água em do medidor. A velocidade deste rotor é proporcional uma parede colocada perpendicularmente à direção do à velocidade de deslocamento do fluido no processo. fluxo. Estes dispositivos proporcionam, também, uma Um sensor (pick-up magnético) acoplado ao corpo forma simples e segura de medição e controle da vazão do medidor, tem seu campo magnético alterado a durante um ensaio de bombeamento. Os mais utilizados cada passagem de uma das pás do rotor, gerando são os triangulares e os retangulares. Embora um pulso elétrico que é amplificado e processado possam ser usados em testes de bombeamento, o na forma de freqüência ou corrente. Um indicador seu uso é mais comum para a medição de vazão de digital, pré-determinador e totalizador, interpreta pequenos cursos de água e fontes. este sinal, propiciando a visualização da vazão instantânea, bem como a sua totalização no tempo. Vertedouros Triangulares Este medidor tem apresentado muitas vantagens em A figura 6.3.15 mostra as principais variáveis que relação ao escoadouro de orifício circular, pois mantém devem ser levadas em conta na construção de um praticamente o mesmo nível de precisão e apresenta vertedouro triangular. Um cuidado especial é que a uma maior praticidade de instalação e operação. A fim distância W deve ser pelo menos igual a ¾ L. Neste de eliminar os efeitos da turbulência na medição da dispositivo a vazão é dada pela fórmula de Gourley: vazão, deve haver um trecho reto anterior ao medidor (a montante) e outro em sua saída (a jusante). O valor αQ = 1,32 tg h2,47 (6.3.2) típico de trechos retos recomendados é de dez vezes 2 o diâmetro da tubulação a montante, e de cinco vezes sendo Q a vazão, expressa em m3/s, α o ângulo do o diâmetro da tubulação a jusante, conforme ilustrado vértice e h a altura de água sobre o vértice (m). na figura 6.3.13. Atualmente, existem comercialmente modelos para vazões variando desde menos de 0,2 até Vertedouros Retangulares mais de 1.000 m3/h. Na figura 6.3.14, é mostrado um medidor de turbina instalado para realização de um teste Os vertedouros retangulares podem ser de dois de produção escalonado. tipos: sem contração lateral (vertedouro de Basin) e com contração lateral, conforme ilustrado nas figuras 6.3.16(a) e 6.3.16(b), respectivamente. Na construção de vertedouros com contração lateral, um cuidado especial que deve ser tomado é que a distância W deve ser pelo menos igual a 3h. A vazão é dada pelas seguintes expressões: Q = mLh 2gh , sem contração lateral (6.3.3) Q = 1,83(L − 0,2h)h3 2 , com contração (6.3.4) Figura 6.3.13 - Características de instalação do medidor lateral tipo turbina. sendo Q a vazão, expressa em m3/s, h a altura da água sobre a base do vertedouro (m), L a largura do vertedouro, em metros, g a aceleração da gravidade, em m/s2 e m uma constante que varia entre 0,40 e 0,45. Na prática, usa-se 0,40. Figura 6.3.14 - Medidor de vazão tipo turbina instalado para teste de produção, realizado pelo DNPM-CE, em poço de Figura 6.3.15 - Vertedouro triangular (modificado de Driscoll, água mineral, Barbalha – CE (Foto: Liano Veríssimo). 1986). 514 Cap_6.3_FFI.indd 8 9/12/2008 21:56:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.3.16 - Vertedouros retangulares: (a) sem contração lateral; (b) com contração lateral (modificado de Driscoll, 1986). Figura 6.3.17 - Vertedouro triangular utilizado para medição de vazão em teste de produção preliminar durante a A precisão da medida de vazão através de um perfuração (Fotos: Geilson Demetrio). vertedouro depende de sua correta instalação e operação, chegando a percentuais da ordem de 97% a 98%. Para tanto, é necessário respeitar algumas regras Na figura 6.3.17, acima, é mostrada a utilização básicas dentre as quais as mais importantes estão de um vertedouro triangular para a medição de vazão relacionadas a seguir: durante um teste de produção preliminar realizado após a perfuração do poço. • deve ser construído um canal de seção retangular com extensão mínima de 5 metros e inclinação suficiente para proporcionar o fluxo laminar da Hidrômetros água. A base do canal, se necessário, deve ser impermeabilizada (cimento, argila, plástico etc.) São equipamentos muito ut i l izados pelas companhias de saneamento que fazem a distribuição para evitar perdas de água por infiltração; de água tratada nos grandes centros urbanos (figura • o vertedouro deve ser instalado perpendicularmente 6.3.18). Este aparelho registra os volumes de água à direção do fluxo de água mantendo a verticalidade que passam através de uma tubulação, acumulados da parede, de modo que toda água passe pela sua ao longo do tempo. Podem ser utilizados para controle abertura. A distância entre o fundo do canal e a ou monitoramento das descargas explotadas de poços soleira do vertedouro deve ser pelo menos igual a ou para a execução de ensaios de bombeamento. 3 vezes a altura da lâmina d’água que passa sobre Neste último caso, é necessária a medição do tempo a soleira (y=3h - figura 6.3.16); entre duas leituras, que, a exemplo do método • a descarga do poço deve ser feita num tanque ou volumétrico, descrito a seguir, não deve ser inferior a 20 caixa receptora com capacidade suficiente para segundos, para a avaliação de uma vazão média. Para a vazão bombeada, de modo a não existir perda a sua utilização é necessário levar em conta algumas d’água por transbordamento. Deste reservatório a considerações importantes: água deve passar por tanques de estabilização, • a vazão nominal do hidrômetro é a máxima ad- para que esteja assegurado o fluxo laminar quando missível e produz uma perda de carga em torno do percurso da água pelo canal; de 10 metros. Só é possível trabalhar com esta • a medida da carga hidráulica (h) deve ser feita num descarga por períodos curtos de tempo, em torno ponto a montante (≈ 2 metros), de forma a eliminar de 1 hora; a influência que existe na superfície da água em fun- • com uma descarga em torno de 35% da nominal, a ção de sua passagem pelo vertedouro. Para tanto, é perda de carga produzida fica próxima a 1 metro, aconselhável a fixação de uma escala nivelada com podendo-se utilizar continuamente por um período a soleira, no ponto de medida. aproximado de 10 horas; 515 Cap_6.3_FFI.indd 9 9/12/2008 21:56:23 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares Balde de 20 L para vazões até 3,6 m3/h Tonel de 200 L para vazões entre 3,6 e 36 m3/h Este método, se por um lado apresenta vantagens em função de sua simplicidade, por outro lado, apresenta a grande desvantagem de não se ter um acompanhamento contínuo dos valores da vazão, impossibilitando que se façam correções para mantê-la constante durante o bombeamento, além de não ser indicado para vazões acima de 36 m3/h. A figura 6.3.20 ilustra a sua utilização. Figura 6.3.18 - Exemplos de hidrômetros e sua aplicação em testes de bombeamento (Fotos: Geilson Demetrio). • para um funcionamento contínuo, a descarga deve ficar em torno de 25% da nominal; • o erro de medição, em geral, oscila por volta de 2%, exceto nos casos em que se trabalha com descargas inferiores a 5% da nominal, o que pode causar um aumento considerável no erro; • na sua operação, o tubo de descarga deve manter Figura 6.3.20 - Utilização do método volumétrico em teste a horizontalidade durante todo o bombeamento. de bombeamento (Foto: internet). Método Volumétrico Descarga Livre em um Tubo Horizontal Este é um dos procedimentos mais simples e difundidos e consiste na medição do tempo para encher Quando não é possível a utilização de nenhum um recipiente de volume conhecido, como ilustrado na dos medidores apresentados anteriormente, pode-se figura 6.3.19. O erro que se pode cometer na medição obter uma boa aproximação do valor da vazão através do tempo pode ser considerado aproximadamente 1 do método da descarga livre em tubo horizontal. segundo e considerando como admissível um erro A utilização desta metodologia requer a perfeita máximo na avaliação da vazão de 5%, o recipiente horizontalidade do tubo de descarga e que este que deve ser utilizado não deve ser preenchido antes permaneça completamente cheio durante a operação. de 20 segundos. Desta forma, pode-se indicar como A figura 6.3.21 indica a forma de instalação e operação. referência a seguinte classificação: A vazão é dada pela seguinte expressão: Q = pD2X (6.3.5) sendo Q a vazão expressa em m3/s, D o diâmetro interno do tubo, expresso em metros, e X a distância da boca do tubo ao ponto de queda da lâmina d’água igual a 30,5 cm (Y), expressa em metros. Figura 6.3.19 - Esquema de aplicação do método volumétrico Figura 6.3.21 - Descarga livre em tubo horizontal (modificado para determinação de vazões. de Custodio & Llamas, 1983). 516 Cap_6.3_FFI.indd 10 9/12/2008 21:56:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.3.6 Planejamento e Execução dos • facilidade na medição dos níveis, em função de Testes poços não obstruídos e com diâmetros compatíveis com os medidores utilizados. A realização de um teste de bombeamento, embora sendo uma tarefa simples, é uma operação que envolve Características dos Poços de Bombeamento custos, muitas vezes altos, como no caso dos testes de e Observação aqüífero. Logo, deve ser precedida de um planejamento detalhado, de modo a otimizar o investimento na forma Poços de Bombeamento da obtenção do maior número possível de dados. Devem ser observados os condicionantes naturais No caso da determinação dos parâmetros do envolvidos, bem como as condições de execução, aqüífero, os condicionantes básicos que devem ser para que sejam eliminadas as interferências de levados em consideração na escolha ou na perfuração fatores indesejáveis, de modo que a interpretação de um poço para realização do teste são: dos resultados obtidos tenha uma boa confiabilidade. • o poço deve captar apenas o aqüífero que se A seguir, são discutidos, de forma sucinta, os fatores deseja estudar, sendo, na medida do possível, considerados mais relevantes no planejamento de um totalmente penetrante. No caso de ser parcialmente teste de bombeamento. penetrante, deve-se conhecer as posições exatas das seções filtrantes; Seleção do Local do Teste • o poço deve estar limpo e bem desenvolvido, de tal modo que durante o bombeamento não se alterem Quando a finalidade do teste é a determinação dos as condições de permeabilidade do aqüífero em parâmetros hidrodinâmicos do aqüífero, é necessário suas vizinhanças; selecionar um local favorável à sua execução e que • deve-se conhecer o perfil litológico atravessado permita que os dados obtidos sejam representativos e o perfil construtivo do poço, com todas as regionalmente. Devem ser considerados fatores informações pertinentes; e hidrogeológicos, econômicos e operacionais. Do ponto de vista hidrogeológico, no que diz respeito ao local • o diâmetro do poço deve ser suficiente para a escolhido, é recomendável que: instalação do equipamento de bombeamento pretendido e colocação de uma tubulação auxiliar, • o aqüífero seja o mais homogêneo possível e normalmente de ¾” ou 1”, para a medição dos responda a um modelo bem definido, como, níveis. por exemplo: confinado drenante de espessura constante, livre de base horizontal etc; Dimensionamento dos Poços de Observação • não existam barreiras impermeáveis ou permeáveis No caso da utilização de poços já existentes, próximas ou que, pelo menos, estas estejam é fundamental conhecer bem suas características bem definidas e não sejam esperadas variações construtivas e o perfil litológico atravessado, para faciológicas laterais e mudanças bruscas de assegurar que os níveis medidos correspondam aos espessura; do aqüífero estudado. Quando existe necessidade de • o fluxo natural tenha gradientes muito menores perfurar poços específicos para a execução do teste, que os criados pelo bombeamento na área de deve-se dar especial atenção aos seguintes aspectos: observação; e que número de poços, geometria e distância ao poço de • a geologia de superfície e subsuperfície da região bombeamento. seja bem conhecida. Número de Poços e Geometria Do ponto de vista econômico, devem ser considerados os seguintes aspectos: Para aqüíferos homogêneos e isotrópicos, em geral, é necessário apenas um poço de observação, • a existência de estudos prévios - geológicos, localizado numa posição qualquer em relação ao poço hidrogeológicos e geofísicos; e de bombeamento. No caso de aqüíferos anisotrópicos, • a existência de poços no local que possam ser torna-se necessária uma quantidade maior de poços, utilizados tanto para o bombeamento como para a distribuídos de tal forma que sejam detectadas as observação dos rebaixamentos. variações direcionais da condutividade hidráulica. Do ponto de vista operacional, devem ser Segundo Custodio & Llamas (1983), é comum colocar- considerados os seguintes aspectos: se quatro filas de poços distribuídos ao longo dos braços de uma cruz, centrada no poço bombeado, • existência de energia elétrica no local; com 2 a 4 poços por linha, conforme ilustrado na • facilidade de acesso ao local do bombeamento e figura 6.3.22a. No caso de aqüíferos com fluxo natural entre os poços de observação; e significativo ou na presença de fronteiras hidráulicas, 517 Cap_6.3_FFI.indd 11 9/12/2008 21:56:24 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares é conveniente colocar a cruz com os braços paralelos Duração do Teste e perpendiculares a estes condicionantes. Se os recursos econômicos só permitem a instalação de uma Não existe uma regra definida para dimensionar fila de poços de observação, Castany (in Custodio & o tempo de duração de testes de bombeamento. Llamas, 1983) recomenda que esta seja colocada a Vai depender dos recursos disponíveis, do nível de jusante do poço em relação ao fluxo natural ou paralela precisão pretendido, das condições de execução, das aos limites existentes. Hantush (1964) recomenda que características do aqüífero e do poço de bombeamento, os poços de observação fiquem colocados sobre linhas além de de outras variáveis que só são detectadas, radiais a partir do poço bombeado, preferencialmente muitas vezes, durante a execução do teste. No caso de formando entre si ângulos de 60o e 120o, como testes de produção, o tempo correspondente a cada mostrado na figura 6.3.22b. etapa de bombeamento pode ser muito variável, sendo indicados como referenciais intervalos de 3 a 6 horas. Já no caso de testes de aqüífero, é comum o bombeamento ser prolongado até os níveis atingirem a estabilização (no caso de atingirem o regime permanente) ou até os rebaixamentos apresentarem uma magnitude muito pequena. Em geral, são realizados com duração de 24 a 72 horas de bombeamento, podendo, em casos especiais, ser dilatados, principalmente quando se pretende analisar efeitos de salinilização, fronteiras impermeáveis, recargas induzidas etc. Para aqüíferos homogêneos, do tipo confinado não drenante, 24 horas de bombeamento são suficientes para uma boa caracterização, enquanto que para aqüíferos confinados drenantes ou livres são necessárias de 48 a 72 horas. Figura 6.3.22 - Esquema de instalação de piezômetros para teste de aqüífero (modificado de Custodio & Llamas, Encerrado o teste, deve-se medir a recuperação até a 1983). reintegração do nível original ou por um período não inferior à metade do tempo de bombeamento. Distância ao Poço de Bombeamento 6.3.7 Controle de Interferências A distância do ponto de observação ao poço de O nível da água num poço, mesmo na ausência bombeamento é controlada pelas características do de bombeamento, sofre oscilações em função da aqüífero e disponibilidade dos instrumentos de medição atuação de fatores naturais que interagem sobre do nível d’água. É fundamental que o bombeamento o sistema aqüífero. Dentre as diferentes causas possa induzir, nos pontos de observação selecionados, naturais que provocam oscilações rápidas do nível um rebaixamento com magnitude compatível à da água, destacam-se: variações da pressão sensibilidade do equipamento de medição utilizado. atmosférica, variações de peso sobre o aqüífero e Uma regra básica é o cálculo do raio de influência (R), evapotranspiração. Além destas, atuam outros fatores apresentado no capítulo 6.4, como forma de definir uma naturais de menor expressão como, por exemplo, o distância limite. Para isto, devem-se utilizar valores de efeito das variações de recarga a partir de chuvas transmissividade (T) e coeficiente de armazenamento e a partir de rios influentes (aqüíferos livres). Alguns (S), obtidos em estudos anteriores, ou executar fatores externos também atuam de forma relevante na um teste de curta duração para realizar um cálculo oscilação dos níveis, podendo-se citar como os mais estimativo destes parâmetros. importantes o efeito do bombeamento de outros poços Em aqüíferos livres, os valores de R são pequenos e e o efeito de sobrecargas bruscas. os poços de observação devem ficar mais próximos do poço de bombeamento, enquanto que nos aqüíferos Influência da Pressão Atmosférica - confinados, os valores de R são bem maiores e podem Eficiência Barométrica ser utilizados poços de observação mais distantes. Segundo Custodio (1983), os poços de observação Em poços captando aqüíferos confinados, existe devem ser distribuídos eqüitativamente a partir de uma oscilação do nível da água em função de variações uma escala logarítmica, com as distâncias ao poço de da pressão atmosférica. Esta relação funciona de bombeamento crescendo progressivamente segundo forma inversa, ou seja, quando a pressão atmosférica potências de 2. Figueroa (in Custodio & Llamas, 1983) aumenta, ocorre uma diminuição do nível da água do recomenda que os poços sejam colocados a distâncias poço e quando esta diminui, o nível da água aumenta. múltiplas de ½ da profundidade do poço, entretanto, O incremento de carga sobre o aqüífero, causado por podem ser excessivas, no caso de aqüíferos livres. um aumento da pressão atmosférica, é dividido entre 518 Cap_6.3_FFI.indd 12 9/12/2008 21:56:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações o terreno e a água, ou seja, há um aumento da tensão do aqüífero. Entretanto, em casos especiais, como efetiva (σe) e da pressão hidrostática. Considerando que por exemplo, existência de níveis de água suspensos, ψ é a coluna de água que equilibra a pressão da água que atenua o efeito da pressão atmosférica sobre a (p) num certo ponto do aqüífero, temos que: água do aqüífero, aqüíferos com o nível freático muito p = p + γ ψ (6.3.6) profundo, aqüíferos de comportamento hidráulico 0 livre, mas, separados da superfície por camadas sendo p0 a pressão atmosférica e γ o peso específico semipermeáveis, pode ser observada uma certa da água. eficiência barométrica. Se ocorrer uma variação da pressão atmosférica ∆p0, a variação da pressão hidrostática no ponto considerado Influência das Variações de Peso - Eficiência do aqüífero será dada por f∆p0, sendo f um número das Marés entre -1 e 1 (onde os valores positivos representam um aumento e os negativos, uma diminuição de pressão), Em aqüíferos confinados, localizados abaixo de que depende de como é repartido o efeito entre a água grandes massas de água (mar, lagos etc.), existem e o terreno. O reflexo no poço é uma variação ∆ψ do variações da pressão hidrostática da água e da nível da água, de forma que: pressão intergranular, como reflexos de variações p + f ∆p = p + γ (ψ + ∆ψ) do peso, devido às oscilações de volume das águas 0 0 superficiais. Nestes aqüíferos, o nível da água dos Utilizando a equação anterior e trabalhando a poços está sujeito a oscilações, de forma a equilibrar as expressão acima, vem: variações existentes na pressão hidrostática. Quando ∆p o nível de uma massa de água superficial é elevado, ∆ψ = − 0 (1− f) γ existe um aumento de volume e, conseqüentemente, um aumento de peso que causa uma sobrecarga sobre Esta equação mostra que, efetivamente, a uma o aqüífero. Esta sobrecarga, da mesma forma como diminuição da pressão corresponde um incremento no caso da pressão atmosférica, é repartida entre o no nível da água do poço. Este efeito é bastante terreno e a água, causando um aumento da pressão razoável, já que o incremento da variação da pressão hidrostática e da tensão efetiva. Como o esforço só atmosférica atua integralmente sobre a água do poço e atua diretamente sobre o aqüífero, para equilibrar o apenas uma fração desta variação é repassada para a aumento da pressão da água em seu interior tem que pressão hidrostática da água no aqüífero. Assim, para existir uma elevação do nível da água nos poços. que exista um equilíbrio de pressões, o nível da água Se ocorrer uma variação do nível da água superficial tem que oscilar. ∆ψ’, a água do aqüífero sofre uma variação de pressão É denominada de eficiência barométrica (EB) a que pode ser representada por f∆ψ’, onde f é um razão entre a variação do nível da água no poço e a número entre -1 e 1, tal como indicado para a pressão variação da pressão atmosférica, expressa em função atmosférica. Para que ocorra um equilíbrio, a variação de coluna de água e em valores absolutos. do nível da água no poço ∆ψ deve ser igual à variação ∆ψ ∆ψγ da pressão hidrostática: EB = = = 1− f ∆p0 ∆p0 (6.3.7) γ 'γ ∆ ψ = γ ' f ∆ψ ' ⇒ ∆ψ = f ∆ ψ ' γ γ A eficiência barométrica, segundo DeWiest (1965), também pode ser expressa em função da porosidade (η), sendo γ’ o peso específico da água superficial e γ o da compressibilidade da água (β) e da compressibilidade peso específico da água do poço. do meio poroso (α), da seguinte forma: A razão γ’/γ pode ser considerada muito próxima de 1, em função dos valores dos pesos específicos da água Q = pD2X (6.3.8) do mar (γ’= 1,025) e da água doce (γ = 1), assim: Em geral, as variações da pressão atmosférica não ∆ψ = f ∆ψ ' ultrapassam 20 mm Hg e, considerando a eficiência É conhecida como eficiência das marés (EM) a barométrica máxima (EB = 1), a variação máxima razão entre a variação do nível da água no poço e a do nível da água (∆ψ) poucas vezes ultrapassa 0,26 variação do nível da água superficial, expressa em metros, como mostrado abaixo: valores absolutos como: ∆po EB 20 / 760Kg / cm 2 ⋅104cm2 / m2 ∆ψ = = = 0,26m ∆ψEM = = f γ (6.3.9)1.000kg / cm3 ∆ψ ' Para aqüíferos livres, não é de se esperar efeitos Segundo Jacob (1940), a eficiência das marés pode barométricos significativos, já que a pressão atmosférica ser relacionada com as características do aqüífero atua tanto sobre a água do poço como sobre a água através da seguinte expressão: 519 Cap_6.3_FFI.indd 13 9/12/2008 21:56:25 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares α do teste, dando ênfase aos poços que são EM = (6.3.10) operados regularmente. Nestes casos, o ideal é α + ηβ que os poços fiquem paralisados durante todo + = ( − ) + = o período de bombeamento. Caso não seja EB EM 1 f f 1 possível, é fundamental o acompanhamento de sua operação, de forma a monitorar prioritariamente a Influência da Evapotranspiração vazão e os intervalos de bombeamento de cada um. Em função da disponibilidade, também deve Os aqüíferos livres com nível freático próximo à ser acompanhada a evolução dos seus próprios superfície ou submetidos à ação da vegetação, sofrem rebaixamentos. Um detalhe muito importante é o um efeito dos processos de evapotranspiração e/ou conhecimento de suas características construtivas, evaporação direta que alcançam um máximo valor para que não sejam monitorados poços que estão durante o dia e um mínimo durante a noite, produzindo captando outros níveis aqüíferos, isolados daquele flutuações dos níveis da água em poços. Segundo onde está sendo realizado o estudo. Todd (1860), o nível mínimo ocorre no início da noite e o máximo, no início da manhã. Em geral, o efeito 6.3.8 Condições e Normas de da evaporação direta pode ser desprezível, exceto quando o nível freático se encontra a menos de 1 Execução metro de profundidade. Por outro lado, o efeito da Antes de iniciar um teste de bombeamento, é evapotranspiração em áreas cobertas por vegetação conveniente realizar alguns preparativos básicos, os chega a atingir em média de 2 a 3 metros, podendo ir até quais permitirão a otimização e um controle técnico 10 metros, no caso da existência de plantas freatófitas. A adequado do trabalho. Os mais importantes são: amplitude das oscilações produzidas está condicionada por fatores climáticos, como por exemplo, temperatura, • aferimento do medidor de nível - deve-se verificar insolação, ventos etc. Em primeira aproximação, esta o perfeito funcionamento dos medidores de nível amplitude não pode ultrapassar a razão entre o valor a serem utilizados e aferir seus cabos elétricos. da evapotranspiração diária e a porosidade total do Em geral, os cabos dos medidores sofrem uma aqüífero. Segundo Custodio & Llamas (1983), é raro dilatação considerável, em função do peso, encontrar oscilações que superem 10 cm. devendo ser aferidos a cada novo teste; • seleção do material operacional - deve-se selecionar Atividades de Controle todo o material a ser utilizado durante o teste, como por exemplo: escalas (1 m); papel milimetrado, Para que se tenha um controle sobre todas as monolog e bilog; garrafas para amostras de água; variáveis envolvidas, de forma a efetuar as correções pranchetas; lápis e borracha; régua; calculadora julgadas necessárias, é aconselhável a realização das de bolso; lanternas; fita adesiva; pilhas etc; seguintes atividades: • seleção dos dados e bibliografia disponível - é muito conveniente dispor, durante a realização do teste, • monitoramento de níveis do poço bombeado e de toda a bibliografia e informações disponíveis dos poços de observação a serem utilizados no sobre a geologia, hidrogeologia, hidrografia e teste por um período nunca inferior ao tempo de topografia da região. bombeamento projetado; • monitoramento de um poço de observação, Uma atividade considerada fundamental é o pré- localizado fora da área de atuação do teste, por um teste, que consiste num bombeamento preliminar com período correspondente a pelo menos três vezes o duração de algumas horas, realizado, pelo menos, tempo de bombeamento. O monitoramento deve ser 24 horas antes do início do teste, com as seguintes feito continuamente, de forma a cobrir eqüitativamente finalidades: os intervalos pré-bombeamento, bombeamento e • definição da vazão do teste, calibração do pós-bombeamento. Para exemplificar, para um teste equipamento de medição utilizado e previsão dos de 24 horas, deve-se iniciar o monitoramento 24 níveis dinâmicos para o tempo de bombeamento horas antes do início do bombeamento e encerrar previsto; 24 horas após o seu término; • promoção de um desenvolvimento adicional • monitoramento, quando possível, da pressão do poço, para que não existam mudanças das atmosférica, da temperatura do ar e das variações condições de permeabilidade na zona de pré-filtro de nível das massas de água superficial próximas e na formação em suas vizinhanças; (rios, lagos etc.) durante um período similar ao • definição do local de descarga da água bombeada proposto no parágrafo anterior; durante o teste, para que não ocorra o retorno • realização de um inventário para catalogar todos para o aqüífero. Deve-se ter bastante cautela os pontos d’água existentes na área de atuação quando se tratar de aqüíferos livres. Nestes casos, 520 Cap_6.3_FFI.indd 14 9/12/2008 21:56:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações muitas vezes, é necessário construir canaletes 6.3.9 Registro dos Dados impermeabilizados para o transporte da água até um local considerado seguro; e Os dados dos ensaios de bombeamento devem ser • verificação das possibilidades de transtornos registrados em fichas específicas, as quais relacionam causados pelo bombeamento, em função da o tempo de bombeamento e o rebaixamento. Na observação do destino da água escoada. tabela 6.3.2, é apresentada uma ficha classicamente utilizada no registro dos dados de testes de aqüífero e Uma boa prática em testes de bombeamento produção. A seguir serão feitas considerações sucintas é o acompanhamento gráfico da evolução dos sobre o preenchimento desta ficha. rebaixamentos, através da plotagem dos pontos em papel adequado (milimetrado, monolog ou bilog) à Dados Gerais (Condições e Identificação) medida que são registrados. Este procedimento é um importante instrumento na tomada de decisões, pois Poço Bombeado - sigla, nome ou nomenclatura permite a visualização do comportamento hidráulico do do poço bombeado. aqüífero e das manifestações das heterogeneidades Poço Observado - sigla, nome ou nomenclatura existentes, possibilitando ao técnico responsável do poço de observação dos níveis. cancelar o teste ou adequar o tempo de bombeamento Local - cidade, vila, lugarejo, fazenda onde ficam às reais condições do local. localizados os poços. A infra-estrutura necessária para a execução de um teste de bombeamento pode ser dividida em três Município/Estado - nome do município e do estado aspectos básicos: pessoal, equipamentos e materiais. onde ficam localizados os poços. A equipe técnica, além do pessoal responsável pela Profundidade - profundidade do poço de parte operacional (bomba, motor etc.) deve ser observação. composta por um hidrogeólogo e técnicos de nível Crivo da Bomba - profundidade de instalação do médio (o ideal é um técnico para cada dois poços de crivo da bomba. observação). Tempo de Bombeamento - tempo total da duração Os equipamentos que devem estar disponíveis do bombeamento, em horas. são: conjunto completo de bombeamento (bomba, Q - vazão de bombeamento, em m3/h. tubulações, motor etc.); dispositivo para medição de vazões; grupo gerador (em locais sem energia elétrica); r - distância do poço bombeado ao poço de medidores de níveis (1 para cada poço de observação); observação, em metros. cronômetros ou relógios digitais. Dependendo das NE - profundidade do nível estático, em metros. condições do local do teste, é conveniente dispor de ND - profundidade do nível dinâmico ao final do materiais básicos que possibilitem a permanência bombeamento, em metros. dos técnicos no lugar e proporcionem condições Aqüífero - nome e tipo do aqüífero captado. apropriadas de trabalho, como, por exemplo: barraca de camping; sacos de dormir; mesa de camping com Executor - companhia, órgão, entidade que bancos; fogão portátil; botas; luvas; sombrinha para conduziu e executou o teste. sol; lampião a gás; lanternas; estojo de primeiros Início - data do início do bombeamento. socorros; repelente de insetos etc. Término - data do término do bombeamento. Poço Bombeado: Profundidade (m): Q (m3/h): Poço Observado: r (m): Aqüífero: Local: Município/Estado: Executor: Tempo de Bombeamento (horas): NE (m): ND (m): Crivo da Bomba (m): Início: Término: REBAIXAMENTO RECUPERAÇÃO HORA t ND sw Q Q/sw t’ ND sw (min) (m) (m) (m3/h) (m3/h/m) (min) (m) (m) OBS: Tabela 6.3.2 - Ficha para testes de bombeamento. 521 Cap_6.3_FFI.indd 15 9/12/2008 21:56:25 Capítulo 6.3 - Testes de Bombeamento em Poços Tubulares Dados Específicos DRISCOLL, F. C. Groundwater and wells. 2. ed. St. Paul, Minn.: Johnson Division, 1986. Rebaixamento DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ, F. W. Physical and Hora - registro da hora correspondente a cada chemical hydrogeology. New York: John Wiley & medida de nível dinâmico. Sons, 1990. t - registro do tempo, em minutos, de cada medida FEITOSA, F. A. C. Estudo hidrogeológico do Aqü- do nível dinâmico, contado a partir do início do ífero Cabeças no Médio Vale do Rio Gurguéia/ bombeamento. É sugerida a seguinte seqüência PI. 1990. Dissertação (Mestrado) - Departamento em minutos para um teste de 24 horas: 1, 2, 3, 4, 5, de Geologia, Universidade Federal de Pernambuco, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, Recife, 1990. 120, 150, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540, 600, 660, 720, 840, 960, 1.080, 1.200, 1.320, 1.440. ______. Introdução à hidráulica de poços. In: CUR- SOS de Tecnologia Hidrogeológica Aplicada - 1o, 2o, ND - registro do nível dinâmico para cada tempo (t). 3o. Recife: UFPE; CPRM, 1994 -1996. Inédito. sw - registro do rebaixamento (sw = ND - NE) para cada medida de nível dinâmico. ______. Testes de Aquífero e Testes de Produção: Conceitos e Noções de Interpretação. In: CURSO Q - registro da vazão para cada tempo (t). “Aspectos Básicos da Hidrogeologia e Prospecção de Q/sw - registro da vazão específica (Q ÷ sw) para Zonas Aquíferas”. Fortaleza: UFC-SRH, 1996. Inédito. cada tempo (t). ______. Testes de bombeamento em poços tubula- Recuperação res. Fortaleza: ABAS, 1996. Apostila de Curso. Inédito. t’ - registro do tempo, em minutos, de cada medida FEITOSA, F. A. C.; COSTA FILHO, W. D. Execução da recuperação do nível dinâmico a partir do final de testes de bombeamento em poços tubulares: manual prático de orientação. [S.l.]: CPRM; Secre- do bombeamento. É sugerida a mesma seqüência taria dos Recursos Hídricos do Ministério do Meio de t. Ambiente, Recursos Hídricos e da Amazônia Legal, ND - registro do nível dinâmico para cada tempo 1998. 23 p. Programa Ações Emergenciais de Com- (t’). bate aos Efeitos das Secas. Inédito. sw - registro do rebaixamento residual (ND - NE) FEITOSA, F. A. C.; MANOEL FILHO, J. (Coord.) Hi- para cada nível dinâmico medido. drogeologia: conceitos e aplicações. 2. ed. rev. For- taleza: CPRM; LABHID-UFPE, 2000. 391 p. il. Observações FETTER, C. W. 1994. Applied hydrogeology. 3. ed. (1) Devem ser anotadas todas as informações New York: Macmillan Pub. Co., 1994. julgadas pertinentes, como: problemas no equipamento de bombeamento durante o teste; altura do referencial FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A. Groundwater. Engle- onde foram feitas as medidas (boca do poço etc.); wood Cliffs, N.J.: Prentice Hall,1979. 604 p. distância do local de descarga (aqüíferos livres); HANTUSH, M. S. Hydraulics of wells. In: CHOW, Ven irregularidades da vazão. Te. Advances in hydroscience. 1. ed. New York: Academic Press, 1981. 440 p. (2) É aconselhável a elaboração de um relatório detalhado com todas as informações disponíveis, tanto KRUSEMAN, G. P.; DERIDDER, N. A. Analysis and do ponto de vista operacional como do ponto de vista evaluation of pumping test data. 2. ed. Wagenin- hidrogeológico. gen, The Netherlands: International Institute for Land Reclamation and Improvement, 1994. [400 p.]. (Pu- Referências blication, 47). LOHMAN, S. W. Hidráulica subterrânea. Barcelona: BEAR, J. Hydraulics of groundwater. New York: Ed. Ariel, 1977. 191 p. McGraw-Hill, 1979. [567 p., il.]. MARTINEZ, M. V.; LOPEZ, A. I. Poços e acuiferos: COSTA, J. A.; MORENO, E. F. Manual de métodos tecnicas de evaluacion mediante ensayos de bombeo. cuantitativos en el estudio de águas subterrâneas. Madrid: Instituto Geologico y Minero de España, 1984. 2. ed. [S.l.]: Centro Regional de Ayuda Tecnica/ Agen- cia para el Desarrollo Internacional (A.I.D.), 1966. SÃO PAULO (Estado) - INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS. Manual de métodos para in- COSTA, W. D. Hidrodinâmica de meios porosos. terpretação de ensaios de aqüíferos. São Paulo, Recife: [s.n.],1983. Apostila Inédita. 1988. 259 p. Relatório Técnico n. 25.699. CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subterrá- TODD, D. K. Groundwater hidrology. 2. ed. New nea. 2. ed. Barcelona: Ed. Omega, 1983. York: John Wiley & Sons,1959. 336 p. 522 Cap_6.3_FFI.indd 16 9/12/2008 21:56:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Anexos Anexo 6.3.1 Ábaco para Determinação da vazão de Escoadouro de Orifício Circular Ábaco para determinação da vazão em L/s, considerando o diâmetro do tubo de descarga e o diâmetro do orifício (adaptado de Custodio & Llamas, 1983). 523 Cap_6.3_FFI.indd 17 9/12/2008 21:56:25 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.4 ANÁLISE DE FLUXO PARA POÇOS EM MEIOS HOMOGÊNEOS Fernando A. C. Feitosa Edilton Carneiro Feitosa João Manoel Filho 6.4.1 Introdução Com base nestas hipóteses, na dependência das condições de potencial e fluxo nos contornos Oc onjunto de hipóteses que formalmente do domínio de cada tipo de aqüífero (confinado não representa os modelos conceituais, em drenante, confinado drenante, livre) e na evolução problemas de fluxo radial para poços em dos rebaixamentos em relação ao tempo (regime meios homogêneos, geralmente, conduz à obtenção permanente ou regime transiente), as soluções de equações diferenciais parciais cuja solução (para das equações diferenciais de fluxo deram origem a as condições iniciais e de contorno do domínio), via de inúmeros métodos de análise, voltados à determinação regra, é analítica. No caso de aqüíferos homogêneos dos principais parâmetros hidráulicos dos sistemas de e isotrópicos, embora cada conjunto de hipóteses fluxo subterrâneo. Entre eles, são aqui apresentados seja específico das condições de contorno e do tipo os métodos básicos mais usuais (consideram apenas de aqüífero, existem algumas suposições gerais um aqüífero ou um sistema envolvendo um aqüífero que, quase sempre, se adotam em todos os tipos de e um aqüitardo), divididos em duas partes: fluxo para aqüífero, as quais são relacionadas a seguir: poços em regime estacionário e fluxo para poços em regime transiente. A tabela 6.4.1 apresenta uma • a água possui viscosidade e densidade constantes; síntese das metodologias apresentadas e discutidas • a espessura do aqüífero é constante e a base do neste texto. mesmo é horizontal; Neste capítulo, além desses métodos de análise, • não existe fluxo natural, ou seja, a superfície que tratam o poço como uma fonte pontual, totalmente potenciométrica é considerada horizontal antes do penetrante e de diâmetro desprezível, também, são bombeamento; apresentados, em detalhe, os seguintes tópicos: • no bombeamento, o fluxo é radial e horizontal; • penetração parcial; • o escoamento é laminar, ou seja, a lei de Darcy é • análise de fluxo para poços de grande diâmetro válida em qualquer momento; (método de Papadopulos & Cooper); e • o coeficiente de armazenamento é constante no • fronteiras impermeáveis. tempo e no espaço; • para aqüíferos confinados, supõe-se que, em Aqüíferos Confinados nenhum lugar, os rebaixamentos produzidos pelo Aqüíferos Regime bombeamento levem o nível da água abaixo do Não Drenante Livres topo do aqüífero; Drenante • a água retirada do armazenamento do aqüífero De Glee Dupuit & é liberada instantânea e proporcionalmente à Estacionário Thiem Forchheimer Hantush/Jacob diminuição do nível potenciométrico; • admite-se que o aqüífero tem extensão infinita e Hantush & que não existem outras captações; Theis Walton Jacob Transiente • o raio do poço é suficientemente pequeno e a Jacob Hantush Boulton & variação do volume de água armazenada no Pricket mesmo não influi na vazão de bombeamento; • o poço é totalmente penetrante, não existem perdas Tabela 6.4.1 - Métodos de análise de fluxo para poços em de carga e a vazão de bombeamento é constante. função do tipo de aqüífero e regime de bombeamento. 525 Cap_6.4_FFI.indd 1 9/12/2008 22:01:05 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos 6.4.2 Características e Parâmetros Como exemplos, é possível citar os aqüíferos Físicos de Aqüíferos e Poços Cabeças e Serra Grande, na Bacia Sedimentar do Parnaíba; Beberibe, na Bacia Costeira PE/PB/RN; Aqüíferos Confinados versus Aqüíferos Livres Botucatu (atualmente conhecido como Guarani), na Bacia do Paraná; Açu, na Bacia Potiguar, entre outros. Os aqüíferos confinados são aqueles onde, em Vale salientar a importância deste tipo de aqüífero, já qualquer ponto, a água está submetida a uma pressão que, entre os mananciais subterrâneos, destacam-se superior à pressão atmosférica. Em função disso, ao como grandes produtores de água, responsáveis por se perfurar poços, se observa uma ascensão rápida uma parcela significativa do abastecimento público de da água até a mesma se estabilizar numa determinada grandes cidades. posição, fenômeno conhecido como artesianismo. Os aqüíferos livres ou freáticos são aqueles Assim, de acordo com a posição topográfica da onde o limite superior de saturação está submetido boca do poço, considera-se poços artesianos à pressão atmosférica. Nesse tipo de aqüífero, surgentes ou jorrantes aqueles onde a água ascende o nível da água, em cada poço, representa uma até uma posição superior à superfície do terreno e, superfície real coincidente com o limite superior de simplesmente, poços artesianos, aqueles onde o nível saturação, denominada de superfície freática. Em da água não ultrapassa esta superfície. A posição geral, não se considera como zona saturada a parte de estabilização da água nos poços materializa uma correspondente à franja capilar. Como exemplo superfície virtual que representa o nível da pressão desse tipo de aqüífero pode-se citar os depósitos hidrostática do aqüífero, conhecida como superfície arenosos mais recentes, representados pelas dunas potenciométrica. costeiras e aluviões, o sistema Poti-Piauí, na Bacia O confinamento é feito através de limites geológicos do Parnaíba, o aqüífero Urucuia, na província do São bem definidos, formando a base e o topo do aqüífero, Francisco, as áreas de recarga dos grandes aqüíferos representados por camadas, em geral pelíticas, que confinados etc. condicionam, em função de suas características Na figura 6.4.1 é apresentada, esquematicamente, (impermeáveis, K ≅ 0, e semi-permeáveis, K > 0), uma seqüência sedimentar com um aqüífero confinado a classificação dos aqüíferos em confinados não sotoposto a um aqüífero livre, mostrando poços de drenantes e confinados drenantes. captação e os respectivos parâmetros pertinentes. Figura 6.4.1 - Esquema ilustrativo mostrando uma seqüência sedimentar com poços de captação em dois aqüíferos distintos (um livre, superior, e um confinado, inferior) e os parâmetros envolvidos. 526 Cap_6.4_FFI.indd 2 9/12/2008 22:01:05 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Poços em Aqüíferos Confinados não confinado drenante e ilustra os processos de drenança. Drenantes No caso ilustrado, em condições naturais, existe uma drenança vertical ascendente, onde o aqüífero B cede Uma das características da captação dos aqüíferos água para o aqüífero A, em virtude de apresentar cargas confinados é que eles permanecem, em qualquer hidráulicas mais elevadas. O bombeamento, a partir dos instante, totalmente saturados. Dessa forma, o rebaixamentos produzidos, cria uma zona de inversão mecanismo de liberação de água nesses aqüíferos é de cargas (zona sombreada na figura 6.4.3) que pode vinculado aos processos de compactação do aqüífero induzir uma drenança vertical descendente, com o e expansão da água, ocasionados pela diminuição da aqüífero A transmitindo água para o B. pressão hidrostática devido ao bombeamento. Nos aqüíferos confinados não drenantes, as Poços em Aqüíferos Livres camadas confinantes que o isolam são praticamente impermeáveis, ou seja, possuem valores de Ao contrário dos confinados, nos aqüíferos livres condutividade hidráulica muito baixos, teoricamente não existe limite geológico para delimitação do seu não permitindo a passagem de água. Portanto, quando topo ou teto, sendo este representado pelo limite de se extrai água desses aqüíferos através de poços, esta saturação. Assim, quando se bombeiam poços, o que água é proveniente apenas do seu armazenamento. Na rebaixa não é uma superfície virtual de pressões, como figura 6.4.2 está representado, esquematicamente, um nos aqüíferos confinados, e, sim, a própria superfície poço captando um aqüífero confinado não drenante, freática, provocando uma redução da espessura sendo mostrados todos os parâmetros envolvidos. saturada. Devido a esse processo, o mecanismo principal de liberação de água é a drenagem dos poros, tendo uma pequena participação da compactação do Poços em Aqüíferos Confinados Drenantes aqüífero e expansão da água. Em função da redução de espessura, existem componentes verticais de fluxo, que Os aqüíferos confinados drenantes podem ser ocasionam perdas de carga adicionais no fluxo da água considerados como um caso particular dos aqüíferos em direção ao poço, cujo reflexo é verificado por um confinados. A diferença básica, em relação ao anterior, é acréscimo de rebaixamento do nível da água do poço que as camadas confinantes apresentam características em bombeamento, em relação ao nível da água dentro semi-permeáveis, possibilitando a passagem de do aqüífero. Nessas condições é criada uma superfície água, processo denominado de drenança. Assim, na úmida nas paredes do poço, denominada de superfície dependência da configuração das cargas hidráulicas do de ressurgência ou sudação (H’). Na figura 6.4.4 é sistema, o aqüífero pode transmitir ou receber água de mostrado, esquematicamente, um poço captando um camadas sub ou sobrejacentes. A figura 6.4.3 mostra, aqüífero livre, sendo ilustradas as características citadas de forma esquemática, um poço captando um aqüífero acima e os parâmetros envolvidos no bombeamento. Figura 6.4.2 - Poço captando um aqüífero confinado não drenante, mostrando todos os parâmetros pertinentes envolvidos. 527 Cap_6.4_FFI.indd 3 9/12/2008 22:01:06 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.3 - Poço captando um aqüífero confinado drenante mostrando, esquematicamente, os processos de drenança e todos os parâmetros pertinentes envolvidos. Figura 6.4.4 - Poço captando um aqüífero livre. 528 Cap_6.4_FFI.indd 4 9/12/2008 22:01:06 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.4.3 Fluxo Radial para Poços uma contribuição de água de uma fonte externa (QE) ao armazenamento do aqüífero (recarga induzida). Conceitos de Regime de Fluxo Transiente Nessas condições, a água bombeada não será e Estacionário proveniente apenas do armazenamento, mas será uma composição onde parte sairá do aqüífero e parte Ao se iniciar um bombeamento de um poço, ocorre da fonte externa (figura 6.4.6b). Quando a parcela um rebaixamento progressivo do nível da água ou do correspondente à fonte externa se igualar à vazão nível de pressões do aqüífero, formando uma superfície bombeada, cessará a contribuição do armazenamento, cônica em torno do poço bombeado, chamada de ocorrendo uma estabilização no tempo e no espaço da cone de rebaixamentos. Este cone evolui no espaço evolução do cone de rebaixamento (figura 6.4.6c). e no tempo, ou seja, para cada tempo t corresponde Este comportamento é chamado de regime um rebaixamento sp, no poço bombeado, e para cada permanente ou estacionário. A característica ponto de distância r, corresponde um rebaixamento s, fundamental do regime permanente é que o aqüífero conforme ilustrado na figura 6.4.5. deixa de ser um fornecedor de água, passando a Inicialmente, a água extraída é proveniente funcionar apenas como um meio de transmissão. apenas do armazenamento do aqüífero (QS), o que Nos aqüíferos livres ocorre, com freqüência, o regime se traduz por um contínuo rebaixamento da superfície permanente, principalmente naqueles corpos próximos potenciométrica ou freática. Esse comportamento, a mananciais superficiais, como é o caso de aluviões onde o cone de rebaixamento evolui progressivamente de rios e riachos perenes, dunas próximas a lagoas com o tempo, é chamado de regime transiente (figuras etc. Já nos aqüíferos confinados, principalmente nos 6.4.5, 6.4.6a, 6.4.6b e 6.4.7). não drenantes, o mais freqüente é o regime transiente, Com a continuação do bombeamento, o cone sendo muito difícil ocorrer uma estabilização dos níveis, de rebaixamento pode chegar a atingir massas de como é caso da resposta à explotação de grande águas superficiais ou provocar drenança a partir parte dos aqüíferos confinados explotados no Brasil de outros aqüíferos, passando, neste caso, a existir e no mundo. Figura 6.4.5 - Evolução do cone e rebaixamentos devido ao bombeamento de um poço. 529 Cap_6.4_FFI.indd 5 9/12/2008 22:01:07 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Equações Diferenciais de Fluxo para Poços No capítulo 2.2 é apresentada e discutida a equação geral diferencial de fluxo para poços e as equações diferencias específicas para cada tipo de aqüífero, as quais são reproduzidas abaixo: Equação Geral Diferencial de Fluxo para Poços ∂ ∂h ∂ ∂h (K ) + (K ) + ∂ x xx ∂ x ∂ y yy ∂ y ∂ ∂ ∂ (6.4.1)h h (K ) + R ∂ z zz ∂ z v = Se ∂ t sendo K a condutividade hidráulica [LT-1], h a carga hidráulica [L], t o tempo [T], Rv a taxa de recarga unitária, Se o coeficiente de armazenamento específico (ρg (α+ηβ)), ρ a massa específica da água, g a aceleração da gravidade [LT-2], η a porosidade, α a compressibilidade da água e β a compressibilidade do meio poroso. Equação Diferencial para Aqüíferos Confinados não Drenantes ∂ ∂h ∂ ∂h ∂h (T ) + (T ) + R = S Figura 6.4.6 - Esquema mostrando a diferenciação entre o ∂ x xx ∂ x ∂ y yy ∂ y ∂ t (6.4.2) regime transiente e o regime permanente em função da água extraída do próprio aqüífero ou vinda de uma fonte externa sendo T a transmissividade (LT-2) e R a taxa de (modificado de Custodio & LLamas, 1983). recarga. O gráfico da figura 6.4.7 ilustra o comportamento Equação Diferencial para Aqüíferos Confinados do regime transiente e do regime estacionário, em Drenantes função do tempo. A partir do início do bombeamento ∂ ∂h ∂ ∂h ∂h até um instante t , toda a água bombeada é proveniente (Txx ) + (Tyy ) +(IV + R) = S1 ∂ x ∂ x ∂ y ∂ y ∂ t (6.4.3) do armazenamento do aqüífero. A partir de t1, inicia a contribuição de uma fonte externa, refletida no sendo Iv a Taxa de filtração vertical. gráfico por uma atenuação da curva, existindo ainda, entretanto, participação do armazenamento do Equação Diferencial para Aqüíferos Livres aqüífero. A partir do instante t2, a contribuição da fonte externa é suficiente para suprir a vazão bombeada, ∂ ∂h ∂ ∂h ∂h(H ⋅Kxx ) + (H ⋅Kyy ) + R = Sef (6.4.4) não existindo mais a parcela correspondente ao ∂ x ∂ x ∂ y ∂ y ∂ t armazenamento, fato expresso na curva pela sendo H a espessura do aqüífero [L], S estabilização do rebaixamento. ef o coeficiente de armazenamento efetivo que, na prática, é igual a porosidade efetiva ηe. No caso do regime estacionário ou permanente, em todas as equações, o termo dependente do tempo é igualado a zero: ∂ ∂h ∂ ∂h (Txx ) + (T ) + R = 0∂ x ∂ x ∂ y yy ∂ y ∂ ∂h ∂ ∂h (T ∂ x xx ) + (T ) +(I + R) = 0 ∂ x ∂ y yy ∂ y V Figura 6.4.7 - Curva rebaixamento versus tempo, mostrando ∂ ∂h ∂ ∂h o comportamento do regime transiente e do regime (H ⋅Kxx ) + (H ⋅Kyy ) + R = 0 permanente. ∂ x ∂ x ∂ y ∂ y 530 Cap_6.4_FFI.indd 6 9/12/2008 22:01:07 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.4.4 Fluxo para Poços em Regime Para um caso mais geral, onde o aqüífero tenha Estacionário extensão muito grande, as condições de contorno passam a ser: Aqüífero Confinado não Drenante - Método No poço ⇒ hp e rp de Thiem Num ponto qualquer do aqüífero ⇒ h e r Vamos supor um poço sendo bombeado num Desta forma, a equação (6.4.5) torna-se: aqüífero confinado, no centro de uma ilha circular, com o raio de influência igual ao limite da própria Q rh − hp = ln2π T r (6.4.6)ilha e coincidente com o nível da água superficial, p conforme mostrado na figura 6.4.8. Pelo princípio da continuidade, a vazão extraída no poço (Q) é igual Considerando-se, agora, um poço sendo bombeado à vazão que passa pela superfície lateral do cilindro e dois poços de observação, como ilustrado na figura indicado na figura (Q(r)), a qual está sendo reposta, 6.4.9. Pode-se verificar que: integralmente, pelo manancial superficial. Portanto, h1 = h0 −s1 e h2 = h0 − s2 ficou estabelecido o regime estacionário. Segundo a lei de Darcy, esta vazão é dada pela expressão: h2 − h1 = h0 − s2 − (h0 − s1) ⇒ h2 − h1 = s1 − s2 Q = K A i sendo K a condutividade hidráulica [LT-1], A a área lateral do cilindro (2 π r b) [L2] e i o gradiente hidráulico (dh/dr). dh dh Q 1 Q = 2π rbK = 2π r T ⇒ dh = dr dr dr 2π T r Integrando para os limites extremos, teremos: No poço ⇒ h = hp e r = rp No extremo da ilha ⇒ h = ho e r = R h0 Q R 1 = ⇒ ]h0 = ]R∫ dh ∫ dr h lnr 4π T r h rhp r p pp h − Q Rh = ln Figura 6.4.9 - Poços de observação em regime permanente, o p 2πT r (6.4.5)p mostrando a relação entre rebaixamento e carga hidráulica. Figura 6.4.8 - Poço no centro de uma ilha circular em aqüífero confinado (modificado de Custodio & Llamas, 1983). 531 Cap_6.4_FFI.indd 7 9/12/2008 22:01:07 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Como s1 - s2 = ∆s (s1 > s2), trocando-se a base Exemplo 6.4.1 - Um poço foi bombeado com uma vazão logarítmica e isolando-se o valor de T na equação constante de 90,85 m3/h por um período de 3,36 horas. Ao final (6.4.6), vem: do bombeamento, o nível dinâmico encontrava-se estabilizado e foi registrado em cinco poços de observação cujos dados são 0,366 Q r T = log 2 apresentados abaixo. ∆s r (6.4.7)1 Poço de Distância Rebaixamento Para um ciclo logarítmico, r2/r1 é sempre igual a 10, Observação (m) (m) logo log r /r = 1, e, com isto, a equação (6.4.7) fica Pz-1 3,05 4,6062 1 simplificada como: Pz-2 12,20 2,867 Pz-3 45,75 1,342 0,366 Q T = (6.4.8) Pz-4 91,50 0,519 ∆s Pz-5 122,00 0,076 sendo T a transmissividade [L2T-1], Q a vazão de Pede-se para avaliar, utilizando a metodologia de Thiem, a bombeamento, ∆s a variação de rebaixamento (s1 – transmissividade (T) do aqüífero. s2), r2 a distância do poço bombeado ao ponto de Solução rebaixamento s2 e r1 a distância do poço bombeado ao ponto de rebaixamento s . Inicialmente, foi construída a curva s versus log r, com os 1 valores apresentados, e ajustada uma reta aos pontos plotados, conforme ilustrado na figura 6.4.11. Em seguida, Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual foi calculada a variação de rebaixamento (∆s) para um ciclo logarítmico, conforme mostrado também na mesma figura. • aqüífero confinado não drenante; e A transmissividade é dada pela expressão (6.4.8), logo, 3 • regime permanente. transformando a vazão para m /s: 0,366. 0,0252361 m3 / s 2 Metodologia de Aplicação T = = 0,00344 m / s2,684 m i) Realização de um teste de aqüífero com o acompanhamento de, no mínimo, três poços de observação e seleção dos valores de rebaixamento máximo (nível estabilizado) para cada poço. Pode- se aplicar o método com apenas dois poços, entretanto, a precisão dos resultados, nesse caso, torna-se precária. ii) Construção da curva de campo sm versus log r e ajuste de uma reta aos pontos plotados, como ilustrado na figura 6.4.10. iii) Cálculo de ∆s (figura 6.4.10), tomando-se 1 ciclo logarítmico quando possível, e determinação da transmissividade (T) através das equações (6.4.7) ou (6.4.8). Figura 6.4.11 - Exemplo de aplicação da metodologia de iv) Avaliação da condutividade hidráulica (K), através Thiem para determinação da transmissividade em regime da relação K = T / b. permanente (adaptado de Fetter, 1994). Figura 6.4.10 - Método gráfico para determinação de transmissividade (T) em regime permanente, aplicando o método de Thiem. 532 Cap_6.4_FFI.indd 8 9/12/2008 22:01:07 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Aqüífero Confinado Drenante - Método de ( )  dh d 2h DeGlee dQ r = 2π T + 2πTr dr (6.4.10) dr dr2  Considerando um aqüífero confinado drenante, Igualando as expressões (6.4.9) e (6.4.10): um poço de raio rp, e, concêntricos a este poço, dois cilindros com raios extremamente próximos, (r-dr) e r, ho − h 2 respectivamente, conforme ilustrado na figura 6.4.12, (2πrK ' )dr = − π d h + π dh(2 rT 2 T )dr b dr2 dr deverá processar-se entre eles uma recarga que será 2 igual à diferença de vazão que passa pelas paredes π d h + π dh K '2 rT 2 T + 2πr (h 2 o − h) = 0 laterais dos dois cilindros. dr dr b ' A recarga que passa pelo anel (zona hachurada na Dividindo tudo por 2π rT: figura 6.4.12) é, segundo Darcy, dada pela expressão Q= K A i, logo: d2h 1 dh 1 K ' + + (ho − h) = 0 (6.4.11)h − h 2 K ' 2 π r dr 0 = r dr T b'Q(r − dr) − Q(r)⇒ dr b' (6.4.9) A solução da equação acima, proposta por De Glee h − h −dQ(r) =K ' 2 π r dr o (1930), é a seguinte: b ' Q K (r / B) A vazão que passa pela parede lateral do cilindro s om = (6.4.12) de raio r é, também, segundo Darcy: 2πT (r / B) K1 (r / B) dh sendo sm o rebaixamento máximo (regime permanente) Q(r) = 2π r T dr [L], K0 a função de Bessel de 2ª espécie e ordem zero, K1 a função de Bessel de 2ª espécie e ordem um, r a distância Derivando esta expressão em relação a r: do poço bombeado ao ponto de rebaixamento [L]e B dQ (r) d dh d dh o fator de drenança [L]. = (2π rT ) = 2πT (r )⇒ dr dr dr dr dr Caso rp (raio do poço) << B, como normalmente dQ(r)  dh d2h acontece, o termo (r/B) K1(r/B) é aproximadamente = 2π T  + r 2  igual a um e a equação (6.4.12) fica simplificada dr  dr dr  como: Figura 6.4.12 - Fluxo para um poço em aqüífero confinado drenante em regime estacionário. 533 Cap_6.4_FFI.indd 9 18/12/2008 09:07:35 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Q sm = Ko (r B)2π T (6.4.13) Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual • aqüí fero conf inado drenante em regime estacionário; • a recarga estabelece-se a partir de outros aqüíferos, situados acima ou abaixo (um ou outro, porém não simultaneamente), de tal modo que, em condições de equilíbrio, ambos os aqüíferos tenham a mesma carga hidráulica, como ilustrado na figura 6.4.12; • o aqüífero que recarrega mantém um nível praticamente constante, ou seja, o seu rebaixamento deve ser inferior a 5% da espessura da camada semipermeável, de tal modo que a drenança ocorra de forma proporcional ao rebaixamento do nível Figura 6.4.13 - Método de DeGlee para avaliação da transmissividade em aqüíferos confinados drenantes em potenciométrico; regime estacionário (adaptado de Fetter, 1994). • a recarga também deve ser proporcional à condutividade hidráulica específica do aqüitardo (K’/b’) e à diferença de nível dos aqüíferos; 1c = (6.4.14) • a recarga deve ser suficientemente pequena para K 'b ' supor que as linhas de corrente, praticamente verticais no aqüitardo, se encurvem bruscamente até B = T c (6.4.15) assumirem a horizontalidade ao entrarem no aqüífero (figura 6.4.12). Isto equivale a dizer que a recarga não sendo b’ a espessura da camada semipermeável [L] 2 -1 perturba o regime de fluxo radial e horizontal para o e T a transmissividade do aqüífero[L T ]. poço, ou seja, que K >> K’ ou que B > 3b; • não seja retirada água da camada confinante Aqüífero Confinado Drenante - Simplificação semipermeável; de Hantush/Jacob r 2p 30 r S  10 r • < 0,1  e   t > p 1− ( p )2  ; e Para x << 0,05 → K0(x) = ln (1,123 / x). Utilizando B T  B  este corolário, Hantush & Jacob (1966) propuseram • 0,7 ≥ r /B. que para valores de r/B < 0,05 ou para r < 0,05 B, a equação (6.4.13) poderia ser simplificada. Assim, Metodologia de Aplicação mudando a base logarítmica: i) Realização de teste de aqüífero com acompanhamento 2,3Q 1,123B de, pelo menos, três poços de observação. sm = log   ou2π T r (6.4.16) ii) Construção da curva teórica log K0 (r/B) versus log 2,3Q r/B utilizando os valores da tabela da função K (x), sm = (log 1,123B − log r)o 2πT apresentada no anexo 6.4.1. A expressão (6.4.16) é a equação de uma reta na iii) Construção de uma curva de campo log sm versus forma y = a(log b – log x), conforme mostrado na log r e superposição sobre a curva teórica até figura 6.4.14. A inclinação da reta é expressa pelo obtenção do melhor ajuste. Escolha de um ponto índice a, sendo a=(2,3Q)/(2πT) representada no qualquer, denominado ponto de superposição, como gráfico pela tg α. Desta forma: mostrado na figura 6.4.13. ∆s iv) Registro dos valores de K0 (r/B) e r/B na curva teórica 2,3Q a = = tg α = m e de s e r na curva de campo, correspondentes ao 2π T ∆ log rm ponto de superposição escolhido (figura 6.4.13). Tirando-se o valor de T: v) Determinação de B, a partir do valor de r/B, e da transmissividade (T), através da equação (6.4.13). 0,366Q rT = log 2 ∆s r (6.4.17) vi) Determinação da resistência hidráulica (c) e m 1 da condutividade hidráulica (K’) da camada Para um ciclo logarítmico (r2/r1)= 10 → log (r2/r1) = 1, semipermeável, através das seguintes equações: e a equação (6.4.17) fica simplificada como: 534 Cap_6.4_FFI.indd 10 9/12/2008 22:01:08 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.4.14 - Método de Hantush & Jacob para avaliação da transmissividade em aqüíferos confinados drenantes em regime estacionário. 0,366Q Exemplo 6.4.2 - Para exemplificação dos métodos de análise T = (6.4.18) de fluxo para poços em aqüíferos confinados drenantes em ∆sm regime permanente, métodos de De Glee e Hantush-Jacob, serão utilizados os dados de um teste de aqüífero realizado Na equação (6.4.16), para sm = 0 → r = ro, ou seja, na localidade de Dalem, Holanda (in Kruseman & De Rider, a distância limite de influência do cone de rebaixamento 1987). Neste teste, a vazão de bombeamento foi de 31,7 3 no regime permanente. Assim: m /h, mantida constante durante todo o bombeamento, até o estabelecimento do regime permanente. Foram realizadas 2,3 Q 1,123B observações em três poços, cujos dados são apresentados 0 = log abaixo. 2πT r0 2,3Q ≠ → 1,123B 1,123B Poços Observados 0 log = 0 → = 1 Pz-5 Pz-6 Pz-7 2πT r0 r0 r (m) 10 30 400 sm (m) 0,28 0,213 0,069 r B = 0 (6.4.19) Pede-se para determinar a transmissividade (T), o fator de 1,123 drenança (B), a resistência e condutividade hidráulica da sendo r0 a distância para rebaixamento nulo ou o limite camada semi-permeável (c e K’). do cone de rebaixamentos [L]. Solução - (a) De Glee Inicialmente, foi construída a curva log s versus log r com Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual os dados da tabela acima, a qual foi superposta a curva teórica K0 (r/B) versus r/B, tal como ilustrado na figura • todas as especificadas para De Glee; e 6.4.15. Com as curvas superpostas foi escolhido um ponto de superposição e feito o registro dos valores de K0(r/B) e • r/B < 0,05 r/B, na curva teórica, e sm e r, na curva de campo. Os valores referentes ao ponto de superposição escolhido Metodologia de Aplicação foram: i) Real ização de um teste de aqüífero com acompanhamento de, pelo menos, três poços de observação. ii) Construção da curva sm versus log r com os dados de campo e ajuste de uma reta aos pontos plotados, como mostrado na figura 6.4.14. iii) Cálculo de ∆sm e determinação da transmissividade (T) com o auxílio das equações (6.4.17) ou (6.4.18). iv) Avaliação de r0, conforme ilustrado na figura 6.4.14, e determinação de B através da equação (6.4.19). v) Determinação de c, K’/b’ e K’ seguindo a mesma seqüência metodológica apresentada anteriormente na metodologia de aplicalção do método de De Glee. Figura 6.4.15 - Exemplo de aplicação do método de DeGlee. 535 Cap_6.4_FFI.indd 11 9/12/2008 22:01:08 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos K0(r/B) = 1; Aqüífero Livre - Método de Dupuit & r/B = 1; Forchheimer sm = 0,057 m; r =1.100 m. A análise rigorosa da hidráulica de aqüíferos livres é A transmissividade (T) é avaliada a partir da expressão (6.4.13): muito complexa. Uma primeira aproximação foi feita por Dupuit & Forchheimer em 1836 (in Custodio & Llamas, = Q ( ) = 0,0088 m 3 / s T K0 r / B ×1= 0,0246 m 2 / s 1983) e consiste em admitir que a cada momento: 2πsm 2 . 3,141592 . 0,057 m • o fluxo é perfeitamente horizontal; Como r/B = 1 ⇒ r = B, logo, B = 1.100 metros. • o gradiente que origina o movimento da água é A resistência hidráulica da camada semipermeável pode ser definido pela inclinação da superfície freática, dada avaliada a partir da expressão (6.4.15): por dH/dx, sendo x a dimensão horizontal e H a 2 B2 (1.100 m) espessura saturada; e c = = =49.186.991,87 s = 569,29 dias T 0,0246 m2 / s • a velocidade de fluxo é constante ao longo de uma Da equação (6.4.14) vem: mesma vertical, ou seja, as superfícies eqüipoten- ciais são verticais. = 1 ⇒ K ' = 1 = 1c b' = 2,03.10 −8 s−1 K ' c 49186991,87 b' Estas aproximações podem parecer grosseiras, entretanto, na realidade, são bastante aceitáveis, já Como b’ = 23 m → K’ = 23 m . 2,03.10-8 s-1 = 4,67.10-7 m/s que, em geral, as dimensões horizontais nos aqüíferos Solução - (b) Hantush/Jacob são muito maiores que as verticais. Considerando Inicialmente, foi construída a curva s versus log r e ajustada o esquema da figura 6.4.17, que mostra um poço uma reta aos pontos plotados, conforme ilustrado na figura captando um aqüífero livre no centro de uma ilha 6.4.16. Em seguida, foi calculada a inclinação da reta, dada circular e supondo que o rebaixamento produzido pela tg α, tomando-se a variação de rebaixamento para um ciclo logarítmico, também como ilustrado na figura 6.4.16. em relação à espessura saturada seja desprezível, m = tg α = ∆sm = 0,293 m - 0,155 m = 0,138 m a vazão que passa pela superfície lateral do cilindro indicado é, segundo Darcy, dada pela seguinte A transmissividade é dada pela expressão (6.4.18): expressão: 0,366 Q 0,366.0,0088 m3 s T = = / = 0,0233 m2 / s dH ∆sm 0,138 m Q = K2π rH dr O fator de drenança (B) é dado por (6.4.19): sendo K a condutividade hidráulica [LT-1], 2πrH a área r = 0 = 1.100B = 979,52 m da superfície lateral do cilindro [L 2] e dH/dr o gradiente 1,123 1,123 hidráulico a uma distância r do poço. Utilizando-se as expressão (6.4.15), (6.4.14) e sabendo-se que Isolando os termos em H: b’ = 23: 2 ( )2 Q 1B 979,52 m HdH = dr c = = = 41.178.516,33 s = 476,6dias T 2 2πK r0,0233 m / s 1 1 1 c = ⇒ K ' = = = 2,43.10−8 s−1 K ' b ' c 41.178.516,33 b' K’ = 23 m . 2,43.10-8 s-1 = 5,59.10-7 m / s Figura 6.4.17 - Poço no centro de uma ilha circular em Figura 6.4.16 - Exemplo de aplicação do método de Hantush - aqüífero livre ilustrando as condições para o regime Jacob. permanente (Adaptado de Custodio & Llamas, 1983). 536 Cap_6.4_FFI.indd 12 9/12/2008 22:01:08 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Integrando para as condições de contorno: No poço → r = rp e H = Hp No extremo da ilha → r = R e H = Ho H0 Q R 2 1  Ho − H 2  ∫ H dH = ∫ dr →  p  = Q (ln R − ln r H 2π ) K r r  p p p  2  2πK H2 − H2 = Q R0 p lnπK r (6.4.20)p Generalizando para um ponto qualquer: 2 Q rH − H2p = lnπK r (6.4.21)p Figura 6.4.18 - Nível freático real e teórico (equação de Aplicando a equação (6.4.21) para dois poços de Dupuit-Forchheimer) em aqüíferos livres. observação: H2 Q r − H2 = ln 22 1 (6.4.22) Igualando-se as duas expressões:πK r1 ln(r / r ) Como a transmissividade (T) é igual a KH , (H2 − H2 ) = (H2 2 p0 p 0 − Hp ) (6.4.24) expressando a equação (6.4.22) em função de T: ln(R / rp ) Q H r K H = 0 ln 2 ,   Para que esta expressão reproduza melhor 0 π (H2 − H22 1 ) r1 a superfície freática nas proximidades do poço bombeado, foi feita uma correção que consiste em e como  H2 = H0 − s2 e H1 = H0 − s1 supor que a carga hidráulica no poço (Hp) é acrescida do valor da superfície de ressurgência (H’). Logo, a Q H r T = 0 ln 2 equação (6.4.24) passa a ser:0 π  (H − s )2 − (H − s )2  r 0 2 0 1  1  ( )2   2 ( )2  ln(r / rp )H2 − Hp + H'  = H0 − Hp + H'Q r2     ( ) (6.4.25)ln R / rT0 = ln p s2 s2  r 2 π 1(s 11 − ) − ( s 2 2 − ) O cálculo da superfície de ressurgência é feito a partir  2 H0 2 H0  de fórmulas empíricas ou semi-empíricas, das quais as mais conhecidas estão relacionadas a seguir: Finalmente, mudando a base do logaritmo: 2 0,366 Q r (H − H ) T = log 2 H' ≈ 0,5 o p (Fórmula de Ehrenberger) (6.4.26) 0 s2 s2 r Hp (s − 11 ) − ( s − 2 1 (6.4.23)) 2 H 20 2 H0 H' ≈ H − − QH c (Fórmula de Boulton) sendo T0 a transmissividade inicial do aqüífero [L 2T-1] e H o p 2πKH (6.4.27)0 o a espessura saturada inicial (aqüífero em repouso) [L]. onde: A fórmula de Dupuit é rigorosamente certa para o cálculo da vazão e do rebaixamento no poço 3,75 para rp / H0 ≤ 0,1  bombeado. Entretanto, nas vizinhanças deste poço, c = 3,5 para r / H ≤ 0,25 onde, na prática, existem componentes verticais de  p 0  fluxo, ela não representa bem a superfície do cone de rebaixamento, conforme é ilustrado na figura 6.4.18. Fórmula de Hall Uma expressão que aproxima satisfatoriamente a  H − H P 1− (Hp / H) 2,4  (6.4.28) superfície freática, independentemente da vazão, pode H' ≈    1+ 5(r / H)  1+ 0,02ln (r / r )  ser obtida tirando-se o valor de Q nas expressões  p  p  (6.4.20) e (6.4.21): onde: (H2 2 2 2o − Hp )πK (H − Hp )πK Q =   e  Q = espessura saturada para r > 1,5 H  ln(R / rp ) ln( 0 r / rp ) H = H se r = R  0  537 Cap_6.4_FFI.indd 13 9/12/2008 22:01:08 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Observações: Raio de Influência • a fórmula (6.4.27) é válida para r > 4rp; O raio de influência é a distância para a qual o • para 1,5H0 > r > 4rp é aconselhável considerar efeito do bombeamento de um poço é nulo, ou seja, para H o valor médio calculado pelas fórmulas é a distância limite do cone de rebaixamento. (6.4.24) e (6.4.25); No regime permanente, devido à estabilização, • para r > 1,5 H é válida a equação (6.4.24). o raio de influência assume um valor constante. Ao 0 contrário, no regime transitório, o raio de influência Hipóteses Adicionais - Modelo Conceitual é função do tempo de bombeamento. Desta forma, o conceito de raio de influência, a rigor, só seria • aqüífero livre; válido para o regime permanente, sendo facilmente • regime permanente; determinado através do método gráfico. Para isto, • deve-se conhecer ou estimar a espessura do basta prolongar a reta que ajusta os pares de aqüífero. pontos plotados, rebaixamento máximo (sm) versus distância ao poço bombeado (r) (figuras 6.4.14 e Metodologia de Aplicação 6.4.16), até a mesma interceptar a ordenada zero, que corresponde ao rebaixamento nulo. O valor de r i) Realização de um teste de aqüífero com observação do ponto de interseção será o raio de influência. Para da evolução dos rebaixamentos em pelo menos o regime transitório, também é possível a utilização dois poços. desta metodologia, porém, os rebaixamentos devem ii) Seleção do rebaixamento estabilizado (s ) para corresponder a um mesmo tempo de bombeamento. m cada poço. Neste caso, é fundamental ter-se a consciência de que o raio de influência encontrado é válido apenas iii) Determinação da transmissividade inicial do para o instante de bombeamento considerado na aqüífero (T0) utilizando a expressão (6.4.23). análise. iv) Avaliação da condutividade hidráulica através da A equação de Jacob, dada pela expressão (6.4.39) seguinte expressão: apresentada mais adiante, pode ser escrita da seguinte forma: T K = 0 2 H (6.4.29)  2,25 T t   2,25 T t 0 Q   Q   s = ln  S   ⇒ s = ln  S  4π T  r  2π T  r  Exemplo 6.4.3 - Para exemplificar a aplicação do método     de Dupuit & Forchheimer, serão utilizados os dados de um teste de aqüífero realizado num poço captando sedimentos A equação acima é comparável à equação de quaternários da planície costeira de Santa Catarina, com Thiem, apresentada abaixo, considerando r = r : espessura saturada de 35,0 metros. O poço foi bombeado p durante 1.600 minutos com uma vazão constante de 24,0 m3/h Q R e foram utilizados dois poços de observação, cujos dados são ho − hp = s = lnapresentados abaixo. 2πT rp Poço Observ. 1 Poço Observ. 2 Logo, pode-se dizer que: r (m) 15,0 20,0 sm (m) 1,120 1,005 2,25T t T t Determinar valores para a transmissividade inicial e condutividade R =   ou  R = 1,5 (6.4.30)S S hidráulica do aqüífero. Solução sendo R o raio de influência [L]. A transmissividade é dada diretamente pela expressão Para o regime transitório pode-se utilizar a equação (6.4.23) com a vazão em m3/s: (6.4.30), que expressa a variação do raio de influência 0,366 . 0,00666667 m3 / s 20 m com o tempo. Este parâmetro, assim definido, depende T0 = log(1,12 m)2 (1,005 m)2 15 m do tempo e das características do aqüífero, porém, (1,12m − ) − (1,005 − ) 2 . 35 m 2 . 35 m não depende da vazão de bombeamento. Na prática, durante o planejamento de testes de aqüíferos, muitas = 0,00244 m 3 / s T log 1,33333 vezes esta expressão é utilizada para prever o tempo 0 (0,11151m) de resposta de um determinado poço de observação T = 2,73 . 10-3 m2/s a um bombeamento. Explicitando-se t, na equação 0 A condutividade hidráulica é expressa por (6.4.29): (6.4.30) tem-se: 2 T = 0 = 0,00273 m 2 / s R S K = 7,81.10−5 m / s t = (6.4.31) H0 35 m 2,25 T 538 Cap_6.4_FFI.indd 14 9/12/2008 22:01:09 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Exemplo 6.4.4 - Para exemplificar, vamos supor que no para aqüífero confinado não drenante (anexo 6.4.3), planejamento operacional de um teste de aqüífero, deseja- S o coeficiente de armazenamento, t o tempo de se determinar em que instante deve-se iniciar a observação bombeamento [T)] e r a distância do poço bombeado sistemática de um poço localizado a 750 metros, admitindo que, a um ponto de rebaixamento s [L]. com base em estudos anteriores, o aqüífero tenha as seguintes características: Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual T = 0,01 m2/s S = 0,0003. • aqüífero confinado não drenante; e Solução • regime transiente. Substituindo os valores dados na equação (6.4.31): 2 Metodologia de Aplicação(750 m) 0,0003 t = 2,25 0,01m2 / s i) Realização de um teste de aqüífero com t = 7.500 s = 2h 05 min acompanhamento de, no mínimo, um poço de observação. O valor encontrado mostra que o poço só irá começar a reagir após 2 h 05 min de bombeamento, não tendo necessidade da ii) Construção da curva padrão log W(u) versus programação de leituras iniciais. log 1/u ou log u, através dos valores de tabelas apresentadas em livros textos e reproduzidas 6.4.5 Fluxo para Poços em Regime no anexo 6.4.3 ou utilizando a série convergente de Theis, expressão (6.4.34) programada em Transiente computador. Aqüífero Confinado não Drenante - Método iii) Construção da curva de campo plotando-se os de Theis valores de rebaixamento (s) versus tempo (t), em papel bilog. Deve-se utilizar o mesmo módulo Para as condições específicas de aqüífero confinado logarítmico da curva teórica. não drenante e regime transitório, a solução da equação diferencial geral do fluxo subterrâneo é a seguinte: iv) Superposição da curva de campo sobre a curva padrão até a obtenção do melhor ajuste e escolha Q ∞ −eu de um ponto qualquer, denominado ponto de h0 − h = π ∫ du (6.4.32) 4 T u superposição, como ilustrado na figura 6.4.19. Na u medida do possível, deve-se escolher um ponto sendo: de superposição para valores inteiros de W(u) e 2 1/u para facilitar os cálculos, como, por exemplo, r S u = (6.4.33) W(u) = 1 e 1/u = 1. 4Tt v) Mantendo a superposição, efetuar o registro dos A integral da expressão (6.4.32) não tem solução valores de W(u) e 1/u, na curva padrão, e s e t, na exata. A sua resolução foi proposta inicialmente por curva de campo, correspondentes ao ponto de Theis (1935), através de uma série convergente como superposição escolhido, tal como mostrado na se segue: figura 6.4.19. − + − u 2 u3 u4 0,5772 lnu u + − ... = W(u) (6.4.34) 2.2! 3.3! 4.4! Como h0 - h = s, da equação (6.4.32) vem: Q s = W(u) 4π T (Equação de Theis) (6.4.35) Tirando-se o valor de T em (6.4.35) e de S em (6.4.33), tem-se: Q T = W(u) (6.4.36) 4πs 4Ttu S = (6.4.37) r2 sendo s o rebaixamento a uma distância r do poço Figura 6.4.19 - Método gráfico de superposição para a bombeado [L], Q a vazão de bombeamento [L3T-1], determinação da transmissividade (T) e do coeficiente de T a transmissividade [L2T-1], W(u) a função de poço armazenamento (S) utilizando a metodologia de Theis. 539 Cap_6.4_FFI.indd 15 9/12/2008 22:01:09 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos vi) Cálculo da transmissividade (T) e do coeficiente de (Equação de Jacob) armazenamento (S), através das equações (6.4.36) e (6.4.37), respectivamente. 0,183Q 2,25T t (6.4.39)s = log    T r2S vii) Conhecendo-se a espessura do aqüífero (b), calcular a condutividade hidráulica (K), através da equação: A equação (6.4.39) pode ser escrita como: 0,183Q 2,25T T = s = (log + logt)K (6.4.38) T r2b S que é a equação de uma reta na forma y = a logx + b, Aqüífero Confinado não Drenante - onde a é o coeficiente angular dado pela tg α (figura 6.4.21). Assim: Simplificação de Cooper/Jacob s2 − s1 ∆s Cooper & Jacob (1946) constataram que quando o tg α = a = =logt2 − logt1 log (t2 / t1) valor de u era muito pequeno, u < 0,01 (figura 6.4.20), os dois primeiros termos da série de Theis eram e como: suficientes para apresentar uma aproximação bastante 0,183Q ∆s confiável do valor de W(u). Assim, foi considerado a = = que, nestes casos, a equação de Theis, para cálculo T log (t2 / t1) de rebaixamentos, poderia ser aproximada por: o valor da transmissividade (T) será dado pela seguinte 2 expressão:Q s = [ r S−0,5772 − lnu],  sendo  u = 4πT 4T t 0,183Q tT = log 2 ∆s t (6.4.40)1 Trabalhando a expressão anterior e trocando a base logarítmica, chega-se a equação de Jacob: Para um ciclo logarítmico, t2/t1 é sempre igual a 10 (dez) e, conseqüentemente, o log t2/t1 é sempre Q 0,561468 Q 0,561468 s = ln = ln igual a 1 (um). Logo, para um ciclo logarítmico, o 4π T u 4π T r2S coeficiente angular da reta é sempre igual à variação 4Tt do rebaixamento, e a equação (6.4.40) passa a ser: 0,183Q T = ∆ s (6.4.41) sendo ∆s a variação do rebaixamento tomado num ciclo logarítmico [L], t1 o tempo correspondente ao rebaixamento s1 [L] e t2 o tempo correspondente ao rebaixamento s2 [L] Na equação (6.4.39), considerando o instante onde o rebaixamento é nulo (s = 0), tem-se t0, logo: 0,183Q 2,25T t 0 = log 0 T r2S Como: 0,183 Q ≠ 0, obrigatoriamente T 2,25T t 2,25T t log o = 0 ⇒ o = 1 r2S r2S e, tirando-se o valor do coeficiente de armazenamento (S) na expressão acima: 2,25T t S = o (6.4.42) r2 sendo t0 o tempo limite para rebaixamento nulo [T] e r Figura 6.4.20 - Relação gráfica entre os métodos de Theis e a distância do centro do poço bombeado para o ponto Jacob (adaptado de Custodio & Llamas, 1983). onde está sendo medido o rebaixamento [L]. 540 Cap_6.4_FFI.indd 16 9/12/2008 22:01:09 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações F igu ra 6 .4 .21 - Mé todo gráf ico para determinação da transmissividade (T) e do coeficiente de armazenamento (S) utilizando a simplificação de Cooper-Jacob. Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual Pede-se para calcular, utilizando as metodologias de Theis e Cooper-Jacob, valores para a transmissividade (T), coeficiente de • aqüífero confinado não drenante; armazenamento (S) e condutividade hidráulica (K). • regime transitório; Solução - Método de Theis • u < 0,01. Na figura 6.4.22 é mostrada a superposição da curva de campo com a curva teórica de Theis, ilustrando o ponto de superposição escolhido. Os valores referentes a este ponto são: Metodologia de Aplicação W(u) = 1; i) Real ização de um teste de aqüífero com 1/u =1; acompanhamento de pelo menos 1 (um) poço de s = 0,73 m; observação. t = 4,1 min. ii) Construção da curva de campo s versus log t e A transmissividade (T) é dada pela expressão (6.4.36): ajuste de uma reta aos pontos plotados, como = 0,01386 m 3 / s T .1= 0,00151m2 / s mostrado na figura 6.4.21. 4.π.0,73m iii) Cálculo de ∆s tomando-se, quando possível, 1 O coeficiente de armazenamento é dado por (6.4.37): (um) ciclo logarítmico, (figura 6.4.21) e avaliação da 2 transmissividade (T), através das equações (6.4.40) = 4. 0,00151 m / s . 246 s .1S = 0,0000235(251,32 m 2ou (6.4.41). ) A condutividade hidráulica (K) é dada pela expressão (6.4.38): iv) Avaliação de to, prolongando-se a reta até a mesma 2 interceptar o eixo das abscissas onde s = 0, conforme = 0,00151m / sK = 0,000103 m / s ilustrado na figura 6.4.21, e cálculo do coeficiente de 14,64 m armazenamento (S), através da equação (6.4.42). v) Cálculo da condutividade hidráulica (K), através da expressão 6.4.38. Exemplo 6.4.5 - Em um aqüífero confinado não drenante, um poço foi bombeado com uma vazão de 49,896 m3/h durante 500 minutos. O aqüífero tem uma espessura de 14,64 metros. Foi observada a evolução do rebaixamento num poço de observação localizado a 251,32 metros do poço bombeado e cujos dados são apresentados abaixo. Tempo (min) s (m) Tempo (min) s (m) Tempo (min) s (m) 3 0,09 47 1,56 160 2,53 5 0,21 50 1,62 200 2,59 8 0,40 60 1,74 260 2,81 12 0,64 70 1,86 320 2,96 20 0,98 80 1,92 380 3,11 24 1,10 90 2,04 500 3,32 30 1,25 100 2,14 Figura 6.4.22 - Exemplo de aplicação da metodologia de superposição de Theis para a determinação dos parâmetros T 38 1,43 130 2,29 e S (adaptado de Fetter, 1994). 541 Cap_6.4_FFI.indd 17 9/12/2008 22:01:09 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Solução - Método de Jacob Aqüífero Confinado Drenante - Método de A figura 6.4.23 mostra os dados do teste, rebaixamento versus Walton tempo, plotados em papel monolog. Foi ajustada uma reta aos pontos e calculada a variação de rebaixamento para um ciclo A solução da equação do fluxo subterrâneo logarítmico. O prolongamento da reta até o eixo de rebaixamento bidimensional para as condições de aqüífero confinado nulo marca o tempo t0. drenante em regime transitório é dada pela seguinte A transmissividade é dada pela expressão (6.4.41) e transformando expressão: a vazão para m3/s: Q ∞ 1 −u+r2 /4B2u = 0,183.0,01386 m 3 / s ( ) T = 0,00151m2 / s s = e du (6.4.43) 1,68 m 4πT ∫u u No gráfico da figura 6.4.23 o valor de t0 é 5,2 minutos. Walton (1962) desenvolveu uma solução para esta Transformando para segundos e aplicando na equação (6.4.42), equação, seguindo a mesma linha de raciocínio de que expressa o coeficiente de armazenamento: Theis, onde a integral da equação (6.4.43) é dada pela função W(u, r/B). = 2,25 . 0,00151m 2 / s . 312 s S 2 = 0,000017( ) Q r251,32 m s = W u,  π   (6.4.44)4 T B sendo: r2 S u = (Equação 6.4.33) 4 T t sendo s o rebaixamento a uma distância r do poço bombeado [L], Q a vazão de bombeamento [L3T-1], T a transmissividade [L2T-1], W(u, r/B) a função de poço para aqüífero confinado drenante, S o coeficiente de armazenamento (adimensional), t o tempo de bombeamento [T] e B o fator de drenança [L]. Isolando-se o valor da transmissividade na expressão (6.4.44), tem-se a expressão que a determina: Q  r  Figura 6.4.23 - Exemplo de aplicação da metodologia simplificada T = W u,  (6.4.45) de Cooper - Jacob para cálculo dos parâmetros T e S (adaptado 4πs  B de Fetter, 1994). Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual Pode-se verificar, claramente, no gráfico da figura 6.4.23, que os pontos iniciais, referentes aos primeiros instantes de • aqüífero confinado drenante; bombeamento, se afastam da tendência linear mostrada • regime transitório; pelo restante dos dados. Este fato reflete, para estes pontos, a não adequabilidade do método, em função de valores • a recarga estabelece-se a partir de outros aqüíferos, de u superiores ao admissível para a sua aplicação (0,03). situados acima ou abaixo (um ou outro, porém não Um rápido exame na expressão (6.4.33) permite verificar simultaneamente), de tal modo que, em condições que o valor de u num ponto qualquer, considerando que a de equilíbrio, ambos os aqüíferos tenham a mesma transmissividade (T) e o coeficiente de armazenamento (S) são parâmetros específicos do aqüífero e podem ser considerados carga hidráulica, como ilustrado na figura 6.4.24; constantes, varia diretamente em função do quadrado da • o aqüífero que recarrega mantém um nível distância ao poço bombeado (r2) e inversamente ao tempo de praticamente constante, ou seja, o seu rebaixamento bombeamento (t). Sendo assim, no início do bombeamento, deve ser inferior a 5% da espessura da camada normalmente, os valores de u são altos e decrescem com o tempo, principalmente para grandes distâncias. Existe, por semipermeável, de tal modo que a drenança ocorra parte dos usuários, uma tendência geral de forçar o ajuste de forma proporcional ao rebaixamento do nível da reta para englobar o maior número de pontos possíveis, piezométrico (figura 6.4.24); mesmo aqueles que ainda não obedecem à função linear • a recarga também deve ser proporcional à de Cooper-Jacob. Este procedimento provoca uma variação na inclinação da reta, conduzindo a inconsistências nos condutividade hidráulica específica do aqüitardo valores de T e S calculados. Torna-se conveniente, então, (K’/b’) e à diferença de nível dos aqüíferos; uma verificação dos valores de u, antes do ajuste da reta, • a recarga deve ser suficientemente pequena para para assegurar a confiabilidade dos valores calculados. Se houver dúvidas quanto à aplicação desta metodologia ou dos supor que as linhas de corrente, praticamente resultados obtidos através dela, é aconselhável a utilização do verticais no aqüitardo, se encurvem bruscamente, método de Theis, para garantir a determinação dos parâmetros até assumirem a horizontalidade ao entrarem no hidrodinâmicos corretamente. aqüífero. Isto equivale a dizer que a recarga não 542 Cap_6.4_FFI.indd 18 9/12/2008 22:01:09 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.4.24 - Fluxo para um poço em aqüífero c o n f i n a d o d r e n a n t e (adaptado de Custodio & Llamas, 1983). perturba o regime de fluxo radial e horizontal para o vii) Cálculo da transmissividade (T) e do coeficiente poço, ou seja, que K >> K’ ou que B > 3b (figura de armazenamento (S) com auxílio das equações 6.4.24); (6.4.45) e (6.4.33), respectivamente. Cálculo do fator • não seja retirada água da camada confinante de drenança (B) a partir do valor de r/B. semipermeável; e viii) Cálculo da resistência hidráulica (c) e da condutividade • que as seguintes relações sejam verdadeiras: hidráulica (K’) da camada semipermeável, através 2 das equações (6.4.14) e (6.4.15), conforme já rp 30 r S  10 r < 0,1   e   t > p 1− ( p )2  apresentado anteriormente.B T  B  onde rp é o raio do poço [L]. Aqüífero Confinado Drenante - Método de Hantush (Ponto de Inflexão) Metodologia de Aplicação i) Real ização de um teste de aqüífero com Hantush (1956), desenvolveu métodos de análise, acompanhamento de, pelo menos, um poço de baseados na equação (6.4.43), em função do ponto de observação. inflexão que existe na representação gráfica, em papel monolog, do rebaixamento versus tempo, conforme ii) Construção de uma família de curvas-padrão, mostrado na figura 6.4.26. Ele verificou que esta curva plotando-se log W(u,r/B) versus log 1/u para apresenta as seguintes propriedades: diferentes valores de r/B, a partir dos dados de tabelas apresentadas em livros textos e • A inclinação m, em qualquer ponto da curva, é dada reproduzidas no anexo 6.4.4. por: 2 iii) Construção das curvas de campo log s versus log  r  −u− 2  t (caso seja apenas um poço de observação) ou 2,3 Qm = e 4B u (6.4.46) log s versus log t/r2 (caso seja mais de um poço). 4π T iv) Superposição da(s) curva(s) de campo sobre a • A curva tem um ponto de inflexão, no qual a seguinte curva padrão, até a obtenção do melhor ajuste, e relação é verdadeira: escolha de um ponto qualquer, denominado ponto r2S r de superposição, como mostrado na figura 6.4.25. ui = = (6.4.47)4Tti 2B v) Registro dos valores de W(u,r/B) e 1/u, na curva teórica, e dos valores de s e t ou t/r2, na curva de • A inclinação do ponto de inflexão é dada por: campo, correspondentes ao ponto escolhido, tal − r como ilustrado na figura 6.4.25. 2,3 Qmi = e B (6.4.48)4π T vi) Registro do valor de r/B, correspondente à curva teórica que ajustou os dados de campo (figura • O rebaixamento no ponto de inflexão é igual à 6.4.25). metade do rebaixamento máximo: 543 Cap_6.4_FFI.indd 19 9/12/2008 22:01:09 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.25 - Método gráfico para a determinação da transmissividade (T) e do coeficiente de armazenamento (S) através do método de Walton. 1 Q Método de Hantush - Variação 1 si = s = K2 max 4π T 0 (r / B) (6.4.49) Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual sendo K0 a função modificada de Bessel de segunda • além das de Walton, o rebaixamento máximo (regime espécie e ordem zero. permanente) deve ser passível de extrapolação. • No ponto de inflexão, a relação entre o rebaixamento Metodologia de Aplicação e a inclinação da curva é dada por: i) Real ização de um teste de aqüífero com s r 2,3 i = e BK (r / B) = f(r / B) (6.4.50) acompanhamento de, pelo menos, um poço de m 0i observação. ii) Construção da curva s versus log t e determinação de entretanto, se: sm (rebaixamento máximo), através de extrapolação, r s conforme ilustrado na figura 6.4.26 ≤ 0,01→ (2,3 i ) > 4,77 b mi iii) Cálculo de si = 1/2 sm com determinação do ponto de inflexão, e, conseqüentemente, do tempo t a equação 6.4.50 passa a ser: icorrespondente a este ponto (figura 6.4.26).  2B s= + i iv) Determinação gráfica da inclinação m no ponto de log  0,251 (6.4.51) i r  m inflexão. Esta avaliação é feita na parte linear da i curva ou na tangente ao ponto de inflexão (figura Existem três variações para interpretações de 6.4.26), sendo: testes de aqüífero utilizando a metodologia de Hantush baseada nestas equações, acima mostradas. ∆sm = ii ∆ logt (6.4.52)Aqui, neste texto, serão apresentadas, apenas, i as duas primeiras. Os leitores mais interessados Para um ciclo logarítmico ∆log ti = 1, e a expressão podem encontrar detalhes sobre a terceira forma de (6.4.52) fica reduzida a: interpretação na bibliografia especializada, referenciada ao final deste capítulo. mi = ∆si (6.4.53) 544 Cap_6.4_FFI.indd 20 9/12/2008 22:01:09 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.4.26 - Metodologia de Hantush (variação 1). v) Determinação de f(r/B), através da equação (6.4.50) mi2 e a partir da função (ex K0(x)) apresentada no anexo B = ∆r 2,3log (6.4.55) m 6.41. i1 Para um ciclo logarítmico, o log (mi2/mi1) = 1 e a vi) Avaliação de r/B e B, caso 2,3(si / mi) > 4,77, aplica- equação (6.4.55) fica reduzida a: se a equação (6.4.51). 1 vii) Determinação da transmissividade (T) a partir da B = ∆r (6.4.56)2,3 equação (6.4.48), usando-se a tabela do anexo 6.4.1 para o cálculo do valor de er/B (função ex), Na equação (6.4.54), o ponto r = 0 corresponderá e cálculo do coeficiente de armazenamento (S), a a (mi)0 , logo: partir da equação (6.4.47).  2,3Q  0 = 2,3 B log − log (m ) viii) Determinação de c, K’/b’ e K’ através das  4π T i 0  equações (6.4.14) e (6.4.15) como explicitado anteriormente. 2,3Q2,3 B ≠ 0 → (log − log(m ) ) = 0 4πT i 0 , assim: Método de Hantush - Variação 2 2,3Q 2,3Q log = 0 ⇒ = 1 Aplicando logaritmo e tirando-se o valor de r na 4πT(mi )0 4πT(mi )0 expressão (6.4.48): Tirando o valor da transmissividade: 2,30Q r lnmi = ln − 2,3Q4π T B T = 4π(m ) (6.4.57)i 0 2,3 log mi = 2,3 Q r 2,3 log − 4π T B 2,3Q r = 2,3B  log − log m   (6.4.54) 4πT i  A expressão acima é a equação de uma reta da forma x = a(log b – log y), onde a é o coeficiente angular da reta, que é igual, na expressão, a 2,3B, dado na figura 6.4.27 pela tg α. ∆r tg α = ∆ logmi Desta forma, como a = tg α = 2,3 B, a expressão para determinação de B será dada por: Figura 6.4.27 - Metodologia de Hantush (variação 2). 545 Cap_6.4_FFI.indd 21 9/12/2008 22:01:10 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual Pz-1 Pz-2 Pz-3 Pz-4 r = 30 m r = 60 m r = 90 m r =120 m • as mesmas especificadas para Walton; e Tempo s Tempo s Tempo s Tempo s • devem existir dados de, pelo menos 2, poços de (Dias) (m) (Dias) (m) (Dias) (m) (Dias) (m) observação, podendo-se extrapolar o rebaixamento 0,0153 0,138 0,0188 0,081 0,0243 0,069 0,0250 0,057 máximo para cada um deles. 0,0181 0,141 0,0236 0,089 0,0306 0,077 0,0313 0,063 0,0229 0,150 0,0299 0,094 0,0375 0,083 0,0382 0,068 Metodologia de Aplicação 0,0292 0,156 0,0368 0,101 0,0468 0,091 0,0500 0,075 0,0361 0,163 0,0472 0,109 0,0674 0,100 0,0681 0,086 0,0458 0,171 0,0667 0,120 0,0896 0,109 0,0903 0,092 i) Real ização de um teste de aqüífero com 0,0660 0,180 0,0882 0,127 0,125 0,120 0,125 0,105 acompanhamento de, no mínimo, dois poços de 0,0868 0,190 0,125 0,137 0,167 0,129 0,167 0,113 observação. 0,125 0,201 0,167 0,148 0,208 0,136 0,208 0,122 0,167 0,210 0,208 0,155 0,250 0,141 0,250 0,125 ii) Construção das curvas s versus log t para todos os 0,208 0,217 0,250 0,158 0,292 0,142 0,292 0,127 poços de observação e cálculo da inclinação mi, para 0,250 0,220 0,292 0,160 0,333 0,143 0,333 0,129 cada curva, como mostrado na figura (6.4.26). 0,292 0,224 0,333 0,164 * 0,147 * 0,132 0,333 0,228 * 0,170 iii) Construção da curva r versus log mi e ajuste de * 0,240 uma reta aos pontos plotados, conforme mostrado na figura 6.4.27. Tabela 6.4.2 - Dados do teste de aqüífero. iv) Determinação da inclinação da reta para um ciclo 0,0088055 m3 / s 2 logarítmico (figura 6.4.27), quando possível, e T = .1 = 0,02 m / s4 . 3,14159265 . 0,035 m cálculo de B através das expressões (6.4.55) ou (6.4.56). O coeficiente de armazenamento é dado pela expressão (6.4.33). Assim, como: v) Determinação de (mi)0, prolongando-se a reta 1/u = 100 ⇒ u = 0,01 até a interseção da abcissa, onde r = 0 (figura Transformando o tempo para segundos: 6.4.27), e cálculo da transmissividade (T) através 2 da expressão (6.4.57). 4 . 0,02 m / s . 19.008 s . 0,01 15,2064S = 2 = = 0,001877( 90 m) 8100 vi) Cálculo de si para cada poço de observação, utilizando- A curva que ajustou os valores de campo foi r/B = 0,10 (figura se a expressão (6.4.49) e a tabela do anexo 6.4.1 6.4.28), logo: (função K0(r/B)), e avaliação de ti, na curva s versus log t, para cada si correspondente (figura 6.4.26). = r = 90 mB = 900 metros 0,10 0,10 vii) Determinação do coeficiente de armazenamento (S) através da expressão (6.4.47). viii) Determinação de c, K’/b’ e K’, conforme já explicitado na variação 1. Exemplo 6.4.6 - Para a exemplificação dos métodos de análise de aqüíferos confinados drenantes em regime transitório (métodos de Walton e Hantush - variações 1 e 2), serão utilizados os dados de um teste de aqüífero realizado em 18 de maio de 1961, na localidade de Dalem (Holanda), 1.500 metros ao norte do rio Waal, pelos técnicos do Institute for Land and Water Management Research Wagenigen (in Kruseman & De Rider, 1987). A vazão de bombeamento foi de 31,7 m3/h, mantida constante durante todo o bombeamento, e foram realizadas observações sistemáticas em quatro poços de observação, cujos dados são apresentados na tabela 6.4.2. Solução - Método de Walton Para a exemplificação do método de Walton, foram utilizados os dados do piezômetro 3, que apresenta uma distância de 90 metros ao poço bombeado. Foi construída a curva de campo log s versus log t, a qual foi superposta sobre a curva teórica W(u, r/B) versus 1/u, conforme ilustrado na figura 6.4.28. Com as curvas superpostas, foi escolhido um ponto de superposição e feito o registro dos valores de W(u, r/B) = 1, e 1/u = 100, na curva teórica, e s = 0,035 m e t = 0,22 dias, na curva de campo (figura 6.4.28). A transmissividade é dada pela Figura 6.4.28 - Exemplo de aplicação do método de Walton expressão (6.4.45): (adaptado de Kruseman & De Rider, 1987). 546 Cap_6.4_FFI.indd 22 9/12/2008 22:01:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Em seguida, determina-se a resistência e a condutividade − r 3 hidráulica da camada semipermeável pelas expressões (6.4.15), = 2,3 Q B = 2,3 . 0,0088 m / sT e e−0,15 = 0,0192 m2 / s (6.4.14), sabendo-se que b = 23 metros. 4πmi 4 . 3,14159265 . 0,072 m B2 ( 900 m)2 (Obs: e-0,15 = INV ln (-0,15) ⇒ e-0,15 = 0,86) c = = = 40.500.000 s = 468,45 dias T 0,02 m2 / s O coeficiente de armazenamento (S) pode ser calculado pela equação (6.4.47). Transformando o tempo t 1 ′ 1 1 i para segundos e c = ⇒ K = = = 2,4691.10−7 s−1′ utilizando o valor da transmissividade acima tem-se:K′ b c 40500000 s b′ 4T t 4 . 0,0192 m2= i = / s . 2.419,2 sS = 0,00172 K’ = 23 m . 2,469.10-8 s-1 = 5,679.10-7 m / s 2rB 2 . 90 m . 600 m Solução - Método de Hantush (Variação 1) Em seguida, determina-se a resistência e a condutividade hidráulica da camada semipermeável pelas expressões (6.4.15), Foram utilizados os mesmos dados (Pz-3) para efeito de (6.4.14) comparação. Inicialmente, foi construída a curva de campo s versus log t e extrapolado, na curva, o rebaixamento máximo sm B2 (600 m)2 = 0,147 m, ou seja, o rebaixamento para o regime permanente, c = = 2 = 18.750.000 s = 217,01diasT como ilustrado na figura 6.4.29. A partir da expressão (6.4.53), 0,0192 m / s é determinado o rebaixamento do ponto de inflexão, marcado Sabendo-se que b = 23 metros. este ponto e, conseqüentemente, determinado, na abscissa, o valor do tempo (ti) correspondente, tal como mostrado na c = 1 ⇒ K ' = 1b' = 1 = 5,3333.10−8 s−1 figura 6.4.29. K ' c 18.750.000 sb' = 1 1s s = 0,147 m = 0,0735 m K’ = 23 m . 5,3333.10-8 s-1 = 1,2267.10-6 m / si 2 max 2 Logo: Solução - Método de Hantush (Variação 2) t = 0,028 dias Foram utilizados os dados de todos os piezômetros (Pz-1, Pz-2, Pz-3 i e Pz-4). Inicialmente, foram construídas as curvas s versus log t Em seguida, foi calculada a inclinação da tangente ao ponto para todos os piezômetros, sendo avaliada, para cada um deles, de inflexão, dada pela variação de rebaixamento para um ciclo a inclinação da reta que ajusta os pontos (da mesma forma logarítmico (figura 6.4.29). como exemplificado anteriormente para Hantush - Variação 1), conforme ilustrado na figura 6.4.30a. mi = ∆si = s2 – s1 = 0,136 m - 0,064 m = 0,072 m Os valores correspondentes às determinações das inclinações Através da equação (6.4.50), determina-se um valor para f(r/B): das retas, acima mencionadas, estão resumidos abaixo: r s 0,0735 m f(r / B ) =eBK0(r / B) = 2,3 i = 2,3 = 2,35 rm 0,072 m 1 = 30 m ⇒ mi1 = 0,072 m i r2 = 60 m ⇒ mi2 = 0,069 m Pela tabela do anexo 6.4.1 (função ex K0 (x) ), para f(r/B) = 2,35 ⇒ r/B = 0,15, logo: r3 = 90 m ⇒ mi3 = 0,070 m r4 = 120 m ⇒ mi4 = 0,066 m r B = = 90 m = 600 metros 0,15 0,15 Em seguida, foi construída a curva r versus log mi com os valores acima especificados. Foi ajustada uma reta aos Determina-se a transmissividade pela equação (6.4.48): pontos plotados, tal como ilustrado na figura 6.4.30b, e calculada a inclinação (m) desta reta, dada pela tg α. α = = ∆ r = 120 mtg m = 2.400 m ∆ log mi  0,074 m log  0,065953 m   Pela equação (6.4.55): = 1 = 2.400 mB mi = 1.043,48 m2,3 2,3 No gráfico r versus log mi, o prolongamento da reta até a mesma interceptar o eixo das abcissas determina o valor de (mi)0 = 0,074 metros, tal como mostrado na figura 6.4.30b. A transmissividade (T) é dada pela expressão (6.4.57): = 2,3 Q = 2,3 . 0,0088 m 3 / s T = 0,0217 m2 / s 4π (mi )0 4 . 3,14159265 . 0,074 m Utilizando a expressão (6.4.49): Figura 6.4.29 - Exemplo de aplicação do método de Hantush - 0,0088 m3 / s Variação 1, utilizando-se os dados do piezômetro 3 (adaptado s = K ( ri 2 0 B ) = 0,03227.K0(r / B)4 . 3,14159265 . 0,0217 m / s de Kruseman & De Rider, 1987). 547 Cap_6.4_FFI.indd 23 9/12/2008 22:01:10 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.30 - Exemplo de aplicação do método de Hantush / Variação 2 (adaptado de Kruseman & De Rider, 1987). Aplicando a expressão anterior para todos os piezômetros: Aqüíferos Livres r (m) r/B K0(r/B) si ti (s) 30 0,028 3,69 0,119 - Os aqüíferos livres dão origem a problemas de 60 0,057 2,98 0,096 2808 (*) hidráulica subterrânea muito mais complexos que 90 0,086 2,81 0,091 - os aqüíferos confinados. Esta maior complexidade, 120 0,115 2,50 0,081 - agravada no regime transitório, é devida aos seguintes fatores: (*) - O valor de ti foi avaliado utilizando-se a curva do Pz-2, no gráfico da figura 6.4.30a. • o limite superior do aqüífero é constituído pela superfície Em seguida tira-se o valor do coeficiente de armazenamento (S) na freática, logo, o domínio de fluxo varia com o tempo, já equação (6.4.47): que existe uma redução de espessura saturada durante 2 o bombeamento de poços; = 4T ti = 4. 0,0217 m / s . 2808 sS = 0,00194 2Br 2 . 1044 m . 60 m • esta redução de espessura cria componentes verticais de fluxo, conforme ilustrado na figura 6.4.4, Determina-se, então, a resistência e a condutividade hidráulica o que provoca perdas de carga adicionais, as quais da camada semipermeável pelas expressões (6.4.15), (6.4.14), são refletidas pela existência de uma superfície sabendo-se que b = 23 metros. de gotejamento denominada de superfície de B2 (1043,48 m)2 ressurgência ou sudação; c = = = 50.177.442,87 s = 580,76 dias T 0,0217 m2 / s • em função, também, da redução de espessura, a transmissividade torna-se variável não só no tempo, 1 c = ⇒ K ' = 1 = 1 = 1,993.10−8b ' . s −1 K ' c 50177442,87 s mas, também, no espaço (T = KH, para K = ctc b' ⇒ T ∼ H); K’ = 23 m . 1,993.10-8 s-1 = 4,584.10-7 m / s • o esvaziamento dos poros do terreno não é Resumo instantâneo, ocorrendo, geralmente, um efeito de drenagem retardada. Parâmetro Walton Hantush Hantush Média 1 2 Analiticamente, pode-se investigar cada um destes T (m2/s) 0,02 0,0192 0,0217 0,0203 fatores isoladamente, entretanto, não existe ainda uma S 0,00188 0,00172 0,00194 0,00184 teoria satisfatória para estudar todos os fenômenos B (m) 900 600 1.043,5 847,83 em conjunto. Existem modelos em diferenças finitas e em elementos finitos que conseguem soluções c (dias) 468,45 217,01 580,76 422,07 bastante aproximadas do problema, levando em K’ (m/s) 5,7.10-7 1,23.10-6 4,58.10-7 7,52.10-7 consideração os aspectos citados. Nos aqüíferos Em geral, é considerada a média como valor representativo dos livres, a água retirada do armazenamento é liberada parâmetros do aqüífero no local do teste. mediante três fenômenos: 548 Cap_6.4_FFI.indd 24 9/12/2008 22:01:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • compactação do aqüífero; A fórmula para correção dos rebaixamentos, • expansão da água; e proposta por Dupuit-Jacob, é totalmente válida para • drenagem gravitacional dos poços. o regime permanente. Para o regime transiente ela pode ser aplicada, porém, nesse caso, o valor da Em função disto, o parâmetro que representa transmissividade afeta também a função de u, de modo o armazenamento, denominado de coeficiente de que a correção é parcial e apenas admissível para armazenamento efetivo (Sef), é dado pela composição valores de s/H0 menores que 0,25. Para valores de s/H0 entre o coeficiente de armazenamento (S), igual menores que 0,02 não é preciso nenhuma correção. ao dos aqüíferos confinados, que representa a água liberada instantaneamente em função da Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual compactação do aqüífero e expansão da água, e a porosidade efetiva (η ), que representa a água • aqüífero livre em regime transitório; ee drenada pelos poros. A parcela correspondente aos • s/H0 < 0,25. mecanismos de expansão da água e compactação do aqüífero é muito pequena, podendo, na prática, Metodologia de Aplicação ser considerada como desprezível. Sendo assim, o i) Realização de um teste de aqüífero com observação coeficiente de armazenamento efetivo dos aqüíferos da evolução dos rebaixamentos em, pelo menos, livres (Sef ) confunde-se com a própria porosidade η um poço de observação.efetiva ( e), com valores 100 a 1.000 vezes maiores que nos aqüíferos confinados. ii) Correção dos rebaixamentos medidos (s), utilizando Em princípio, um aqüífero livre pode assemelhar-se a expressão (6.4.58). a um aqüífero confinado, desde que a superfície livre iii) Determinação dos parâmetros hidrodinâmicos do da água se mantenha aproximadamente horizontal, ou aqüífero (T, S e K) a partir das metodologias de Theis seja, que o rebaixamento produzido seja pequeno em e/ou Cooper-Jacob, apresentadas anteriormente. relação à espessura saturada. Drenagem Retardada - Método de Boulton/ Correção de Dupuit /Jacob Pricket As metodologias de Theis e Cooper-Jacob, apresentadas e discutidas anteriormente, podem ser Em aqüíferos livres, a drenagem gravitacional dos aplicadas para a determinação das características poros é a responsável pela maior parte do aporte hidrodinâmicas de aqüíferos livres em regime transiente, de água para o poço durante um bombeamento. desde que o rebaixamento produzido pelo bombeamento Entretanto, ela não é instantânea, pelo contrário, seja pequeno (s < 25%) em relação à espessura ocorre de forma lenta, principalmente nos aqüíferos saturada. Entretanto, com a finalidade de anular o efeito estratificados e de granulometria fina. Uma das das perdas adicionais que ocorrem no aqüífero devido hipóteses do modelo conceitual para a dedução às componentes verticais de fluxo, é necessário aplicar da fórmula de Theis é que, sendo o coeficiente de aos rebaixamentos medidos uma correção proposta por armazenamento (S) constante, a água é liberada Dupuit-Jacob (in Custodio & Llamas, 1983), apresentada instantânea e simultaneamente à variação do nível a seguir. O termo (H 20 – H 2 p ) da expressão (6.4.20) potenciométrico. Como nos aqüíferos livres esta pode ser escrito em função do rebaixamento (s) da condição não é satisfeita, a utilização do método de Theis para a interpretação de testes de aqüíferos, pode seguinte forma: acarretar erros significativos se não forem tomadas as (H2 − H2 ) = (H − H )(H + H ) devidas precauções. Em aqüíferos livres na presença o p o p o p de drenagem retardada, as curvas de rebaixamento (H2o − H2p ) = (Ho − Hp ) (Ho + H p + Ho − Ho ) versus tempo mostram claramente três trechos bem definidos, conforme ilustrado na figura 6.4.31. (H2 2o − Hp ) = (H  o − Hp ) 2Ho − (Ho − Hp ) 1o Trecho - o aqüífero reage como se fosse (H2 − H2 ) = s (2H − s) = 2H s − s2 confinado. Os pontos ajustam-se à curva de Theis, o p o o com o valor do coeficiente de armazenamento Dividindo por 2H , tem-se a equação do rebaixamento correspondendo às variações de compressibilidade 0 corrigido (s ) proposta por Dupuit-Jacob: da água e da elasticidade do aqüífero. Este primeiro C trecho dura apenas alguns minutos, às vezes menos. H2 − H2 s2o p Teoricamente, é possível calcular a transmissividade = sc = s − (6.4.58)2H 2H e o coeficiente de armazenamento pelo método de o 0 Theis, ressalvando, entretanto, que este coeficiente sendo sc o rebaixamento corrigido [L], s o rebaixamento de armazenamento calculado não corresponde medido [L] e H0 a espessura saturada inicial [L]. à porosidade efetiva e, portanto, não pode ser 549 Cap_6.4_FFI.indd 25 9/12/2008 22:01:10 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.31 - Curva s versus t para aqüífero livre com drenagem retardada. utilizado para previsões futuras de rebaixamento. A solução da complicada equação de Boulton Na prática, a determinação destes parâmetros é (op. cit.), no caso de ηe > 100 S foi proposta por muito difícil, porque os primeiros pontos da curva Pricket, como se segue: geralmente não apresentam uma boa precisão, Para tempos curtos de bombeamento (1o trecho da devido a instabilidades na vazão de bombeamento. curva de rebaixamento): Por outro lado, nos instantes iniciais, os poços de observação ou não reagiram ao bombeamento Q  rs = W u,  (6.4.59) ou a magnitude do rebaixamento produzido não 4π T  D permite um registro preciso com os equipamentos 2 usualmente utilizados. r Ssendo u = (equação 6.4.33) 2o Trecho - o aporte retardado gravitacional 4T t começa a aparecer, causando uma diminuição Para tempos longos de bombeamento (3o trecho da taxa de rebaixamento, de maneira similar ao da curva de rebaixamento): que ocorre na presença de uma recarga. Este trecho não se ajusta à curva de Theis. O efeito Qs = W  r u',  π   (6.4.60)aparente é que existe um aumento do coeficiente 4 T D de armazenamento com o tempo. sendo: 3o Trecho - o rebaixamento torna a evoluir de acordo com a curva de Theis. Neste trecho ocorre r2ηe (6.4.61) um equilíbrio entre a drenagem gravitacional e u' = 4Tt a taxa de rebaixamento. Este segmento pode Para tempos intermediários (2o trecho da curva de ter início desde alguns minutos até alguns dias rebaixamento): após iniciado o bombeamento, em função da litologia e estratificação do aqüífero. O Q  r  parâmetro que representa o armazenamento é s = K2π T 0   (6.4.62)D o coeficiente de armazenamento efetivo, como definido anteriormente. sendo ηe a porosidade efetiva, que representa o Boulton (1951), definiu que a drenagem retardada coeficiente de armazenamento para aqüíferos livres, ocorre segundo uma fórmula exponencial, ficando a D é o fator de drenagem [L] e K0 é a função de Bessel o equação diferencial que governa o fluxo para o poço de 2 espécie e ordem zero. da seguinte forma: O fator de drenagem (D) é dado pela seguinte expressão: ∂2s + 1 ∂ s = S ∂ s αη t + e ∂ s −α t−τ∫ e ( ) ∂τ ∂ r2 r ∂ t T ∂ t T ∂ t 1 T0 D = α η (6.4.63) sendo α uma constante empírica (t-1) e τ um incremento e de tempo (τ < t). sendo 1/α o índice de retardo de Boulton (T). 550 Cap_6.4_FFI.indd 26 9/12/2008 22:01:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O índice de retardo de Boulton é uma constante Metodologia de Aplicação empírica, que, utilizada em combinação com a “curva do índice de retardo de Boulton”, apresentada na i) Real ização de um teste de aqüífero com figura 6.4.32, determina o tempo (t ) a partir do qual acompanhamento de, pelo menos, um poço de wt a drenagem retardada cessa de afetar a taxa de observação. rebaixamento. ii) Construção da família de curvas teóricas de Pricket, • Se α → 0 (índice de retardo muito elevado), a plotando-se em papel bilog W(u,r/D) versus 1/u e equação de Boulton passa a ser: W(u’, r/D) versus 1/u’, para uma seqüência prática Q ( ) de valores de r/D (figura 6.4.33).s = W u 4π T aqüífero confinado não drenante iii) Construção da curva de campo log s versus logt. • Se α → ∞ (índice de retardo muito pequeno), a iv) Superposição da curva de campo sobre o conjunto equação de Boulton passa a ser: de curvas padrão tipo A, até a obtenção do melhor Q s = W (u') aqüífero livre sem drenagem ajuste referente aos primeiros pontos da curva de 4π T retardada campo. Registro do valor de r/D da curva padrão utilizada (figura 6.4.34). Hipóteses Adicionais ao Modelo Conceitual v) Mantendo a superposição, escolha de um ponto de • aqüífero livre com efeito de drenagem retardada; superposição qualquer (A), e registro dos valores • regime transitório; e de W(u,r/D) e 1/u, na curva padrão, e s e t, na curva • η > 100 S. de campo, referentes ao ponto A escolhido (figura e 6.4.34). vi) Cálculo da transmissividade (T) e do coeficiente de armazenamento (S), através das equações (6.4.59) e (6.4.33 ou 6.4.37), respectivamente. vii) Deslocamento da curva de campo sobre a curva padrão, de modo que os pontos correspondentes aos últimos instantes de bombeamento se ajustem sobre uma das curvas tipo B, mantendo o mesmo valor de r/D anterior (figura 6.4.34). viii) Seleção de outro ponto de superposição arbitrário (B) e registro dos valores de W(u’,r/D) e 1/u’, na curva padrão, e s e t, na curva de campo, referentes a este ponto (figura 6.4.34). ix) Cálculo de um segundo valor de transmissividade T’ e da porosidade efetiva ηe, através das equações (6.4.60) e (6.4.61), respectivamente. Figura 6.4.32 - Curva do índice de retardo de Boulton x) Comparação dos dois valores de transmissividade (adaptado de Kruseman & De Rider, 1987). calculados T e T’: Figura 6.4.33 - Família de curvas-padrão de Boulton-Pricket (adaptado de Fetter, 1994). 551 Cap_6.4_FFI.indd 27 9/12/2008 22:01:11 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos T ≈ T’ ⇒ OK! T = Q W u, r  = 0,01010 m 3 / s   1= 1,15 ⋅10 −2 m2 / s T ≠ T’ ⇒ o método não foi corretamente aplicado ou 4πs  D  4 ⋅3,141592 ⋅0,07 m o modelo teórico não se aplica ao problema real 2 xi) Determinação do fator de drenagem (D), a partir = 4Ttu = 4 ⋅0,0115 m / s ⋅960 s ⋅0,1S 2 2 = 5,45.10 −4 do valor de r/D da curva utilizada para ajustar os r (90 m) dados de campo. A transmissividade (T’) e a porosidade efetiva (ηe), no terceiro trecho da curva, são calculados a partir das equações (6.4.60) e xii) Determinação do índice de retardo de Boulton (1/α), (6.4.61), respectivamente: utilizando a equação (6.4.63). = Q  r  = 0,01010 m 3 / s T ' W u', .1= 7,65 ⋅10−3 m2 / s xiii) Verificação do valor de αtwt, utilizando a curva 4πs   D  4 ⋅3,141592 ⋅0,105 m do índice de retardo de Boulton (figura 6.4.32), e 2 determinação de t . η = 4T ' tu' = 4 ⋅0,00765 m / s ⋅15000s ⋅1 −2wt e 2 = 5,66.10r ( 290 m) Exemplo 6.4.7 - Para exemplificação da metodologia de O fator de drenagem é calculado a partir do valor da curva teórica Boulton-Pricket na determinação dos parâmetros hidrodinâmicos que ajustou os dados (figura 6.4.34): de um aqüífero livre na presença de drenagem retardada, serão utilizados os dados de um teste realizado num poço captando r = 0,6 ⇒ r 90 mD = = = 150 m as aluviões do rio Vennebulten, na localidade homônima, D 0,6 0,6 USA. O teste teve uma duração de 1.620 minutos, a vazão O índice de retardo de Boulton (1/α) pode ser avaliado a partir de bombeamento foi de 36,36 m3/h e o poço observado fica da expressão (6.4.63): a 90 m. 2 1 D2η Solução = e (150 m) ⋅0,0566= = 166470,58 s α T ' 0,00765 m2 / s Inicialmente, foi construída a curva de campo log s versus log t, a qual foi superposta sobre a família de curvas padrão de Pricket 1 = 1,93 dias (figura 6.4.33) seguindo a metodologia apresentada, conforme α ilustrado na figura 6.4.34. Os dados conseguidos com este procedimento são apresentados a seguir: α = 1 = 0,52 dias−1 1,93 dias Curva teórica utilizada – r/D =0,6; Ponto de Superposição A: Na curva do índice de retardo de Boulton (figura 6.4.32): W(u, r/D) = 1; 1/u = 10; sA = 0,07 m; tA = 16 min; r/D = 0,6 ⇒ αtwt = 3,6 Ponto de Superposição B: W(u’, r/D) = 1; 1/u’ = 1; s Logo, o tempo em que a drenagem retardada deixa de afetar a B = 0,105 m; tB = 250 min taxa de rebaixamento é: A transmissividade (T) e o coeficiente de armazenamento (S), no trecho inicial da curva de rebaixamento, são calculados a partir = 3,6t = 6,9 dias das equações (6.4.59) e (6.4.37), respectivamente: wt 0,52 dias−1 Figura 6.4.34 - Exemplo de aplicação da metodologia de Boulton-Pricket (adaptado de Kruseman & De Rider, 1987). 552 Cap_6.4_FFI.indd 28 9/12/2008 22:01:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.4.6 Análise de Fluxo para Poços de Q r2p S Grande Diâmetro sp = F(u ,α)4π T p sendo up = 4T t Método de Papadopulos & Cooper A partir das equações acima, pode-se determinar os valores de transmissividade (T) e coeficiente de Quando o poço bombeado é de grande diâmetro armazenamento (S), para aqüíferos confinados não e construído em um material muito pouco permeável, drenantes: se os rebaixamentos são pequenos para uma vazão relativamente alta, a maior parte da água bombeada Q r 2 T = F(up,α) (6.4.66) e S = a α (6.4.67) provém do armazenamento no próprio poço, que, 4πs r2p p neste caso, funciona como uma cisterna. Desta forma, não é possível utilizar os modelos anteriormente sendo ra o raio do poço na zona de variação do nível apresentados. da água e rp o raio do poço na zona aqüífera. Para um poço de raio rp o volume liberado do armazenamento no próprio poço, para um Metodologia de Aplicação rebaixamento sp, produzido após um intervalo de i) Realização de um teste de bombeamento, com tempo ∆t, é igual a: vazão constante, em um poço de grande diâmetro, Q ∆t = π r2 s (6.4.64) situado em um aqüífero confinado não drenante.p p ii) Construção do conjunto de curvas padrão F(u , α) A evolução do rebaixamento com o tempo, pversus 1/up ou up, em papel bilog (figura 6.4.35), para vazão constante, é expressa em coordenadas através dos valores de tabelas de livros textos ou cartesianas lineares, pela reta: utilizando a função programada em computador. Q sp = t (6.4.65) iii) Construção da curva de campo plotando-se os π r2p valores de rebaixamento no poço (sp) versus tempo que têm uma declividade em papel bilog, dada por (t), em papel bilog. Deve-se utilizar o mesmo módulo Q/π.r 2 logarítmico da curva teórica.p , de 45º. Papadopulos & Cooper (1967), definiram para iv) Superposição da curva de campo sobre a curva solução do problema no próprio poço, a função padrão até a obtenção do melhor ajuste e escolha F(u ,α) cuja representação gráfica é uma família de de um ponto qualquer, denominado ponto de p curvas que se iniciam com retas inclinadas de 45º e superposição, como ilustrado na figura 6.4.36. que, pouco a pouco, vão se encurvando até coincidir v) Mantendo a superposição, efetuar o registro dos com a curva padrão de Theis (figura 6.4.35). Quando o valores de F(up, α) e 1/up, na curva padrão, e s e aqüífero é muito permeável e a vazão bombeada é alta, pt, na curva de campo, correspondentes ao ponto de o efeito do armazenamento no próprio poço é menos superposição escolhido (figura 6.4.36). significativo. Esse efeito é diretamente proporcional ao quadrado do raio do poço e inversamente proporcional vi) Cálculo da transmissividade (T) e do coeficiente de à transmissividade do aqüífero. A equação do armazenamento (S) através das equações (6.4.66) rebaixamento é dada por: e (6.4.67), respectivamente. Figura 6.4.35 - Família de curvas-padrão de Papadopulos & Cooper (adaptado de Papadopulus & Cooper, 1967). 553 Cap_6.4_FFI.indd 29 9/12/2008 22:01:11 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Notar que o método é bom para determinar a 6.4.7 Penetração Parcial em Poços transmissividade, mas deixa a desejar no que se refere à determinação do coeficiente de armazenamento, Quanto à penetração dos poços nos aqüíferos e porque não permite um ajuste claro do valor de α e em função da extensão da zona de captação (filtros), limita a análise ao poço bombeado. os poços podem ser classificados como: totalmente penetrante, parcialmente penetrante e incompleto. Exemplo 6.4.8 - Em fevereiro de 1968, foi realizado um teste de bombeamento em um poço de grande diâmetro, escavado nas Totalmente Penetrante - os filtros estendem-se por aluviões do rio Banabuiú, município de Morada Nova, no Estado toda a extensão do aqüífero (poço A da figura 6.4.37). do Ceará (Manoel Filho & Rijo, 1968). A análise dos resultados Parcialmente Penetrante - o poço não penetra obtidos é ilustrada na figura 6.4.36. totalmente no aqüífero (poço B da figura 6.4.37). Os valores referentes ao ponto de superposição dos dois gráficos foram: Incompleto - o poço penetra totalmente no 1/up =10; F(up, α) = 10; aqüífero, entretanto não são colocados filtros em toda t = 250 s; s = 1,4 m a sua extensão. Na prática, consideram-se os poços P Para a vazão uniforme de 16 L/s, bombeada durante o teste, os incompletos como parcialmente penetrantes (poços C parâmetros calculados pelo método de Papadopulos & Cooper, e D da figura 6.4.37). são: Nas vizinhanças dos poços parcialmente Q 16.10−3 m3 / s T = F(u , α) = .10 penetrantes, devido ao encurvamento das linhas de 4πs pp 4.π.1,4 m corrente, existem componentes verticais de fluxo. As linhas eqüipotenciais deixam de ser retas paralelas para T = 9,09.10−3 m2 / s se tornarem curvas em torno da zona filtrante, conforme mostrado na figura 6.4.38. As componentes verticais de 4T t u −3 2 = p = 4.9,09.10 m / s . 250 sS = 0.54 velocidade geram incrementos nas perdas de carga e r2p (1,3 m) 2 as fórmulas analíticas para o cálculo de rebaixamento, A difusividade hidráulica do aqüífero é dada pela razão T/S apresentadas até agora, não são mais válidas. (capítulo 2.2, equação 2.2.42): Para aqüíferos considerados como isotrópicos, T 9,09.10−3 m2 / s o efeito da penetração parcial pode deixar de ser D = = = 1,69.10−2 m2 / s S 0,54 considerado para distâncias de 1,5 a 2,0 vezes a sua O raio de influência após 1 dia de bombeamento será dado por espessura. Nos outros casos, é necessário introduzir (equação 6.4.30): correções nas fórmulas de rebaixamento. R = 1,5 1,69.10−2 m2 / s .86.400 s ⇒ R ≅ 57 m Figura 6.4.37 - Classificação dos poços quanto à penetração nos aqüíferos (modificado de Custodio & Llamas, 1983). Figura 6.4.36 - Método de análise de um teste de bombeamento efetuado em um poço de grande diâmetro em Morada Nova - CE, usando o modelo de Papadopulos & Cooper (adaptado de Figura 6.4.38 - Efeito da penetração parcial nas linhas de Manoel Filho & Rijo, 1968). fluxo e eqüipotenciais (modificado de Driscol, 1986). 554 Cap_6.4_FFI.indd 30 9/12/2008 22:01:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Correção da Penetração Parcial em Regime Q 1− p  (1− p)hs  Estacionário - Método de Huisman ∆s0 = lnπ   (6.4.69)2 T p  rp  Segundo Huisman (1975), para aqüíferos confinados Para poços com excentricidade igual a zero, ou livres, em regime estacionário ou permanente, o como é o caso da figura 6.4.39c, a equação (6.4.68) rebaixamento adicional causado pela penetração parcial, passa a ser: estando a porção filtrante numa posição qualquer, é dado pela seguinte expressão: Q 1− p (1− p)h ∆s0 = ln s π (6.4.70)Q  1− p αhs 4 T p 2rp ∆s0 = π  ln  (6.4.68)2 T  p rp  A seguir, são apresentados alguns exemplos de aplicação da correção da penetração parcial sendo ∆s0 o incremento de rebaixamento devido à proposta por Huisman (1975), a partir das fórmulas de penetração parcial [L], Q a vazão de bombeamento rebaixamento estudadas anteriormente: [L3T-1], T a transmissividade do aqüífero [L2T-1], hs a Theis extensão da zona filtrante [L], p a razão de penetração parcial = hs/b, e a razão de excentricidade da zona Q  2(1− p) αh s filtrante = δ/b, α é função de p e de e (tabela 6.4.3), s + ∆s0 = W (u) + ln 4π (6.4.71)t p r δ a distância entre o meio da seção filtrante e o meio do  p  aqüífero (δ = b/2 - (a1+a2)/2) [L], a1 a distância da parte Jacob superior do filtro ao teto do aqüífero [L], a2 a distância da parte inferior do filtro ao teto do aqüífero [L], b a Q  2,25T t 2(1− p) αh s + ∆s0 = 2,3log + ln s  (6.4.72) espessura do aqüífero [L] e rp o raio do poço [L]. 4π T  r 2S p rp  Na figura 6.4.39 são apresentados três casos de posicionamento de seções filtrantes, ilustrando os DeGlee conceitos acima definidos. Para poços na posição   da figura 6.4.39b e com p > 0,2, ou seja, com uma Q  1− p ln(1− p)hs + ∆s0 = K r s o ( b) +    (6.4.73) penetração parcial superior a 20%, a fórmula (6.4.68) é 2π T   p  rp  simplificada passando a ser: 6.4.8 Fronteiras Hidráulicas - Teoria p 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 e das Imagens 0,1 0,54 0,54 0,55 0,55 0,56 0,57 0,59 0,61 0,67 1,09 0,2 0,44 0,44 0,45 0,46 0,47 0,49 0,52 0,59 0,89 Quando um poço é bombeado próximo a um limite hidráulico, permeável ou impermeável, e 0,3 0,37 0,37 0,38 0,39 0,41 0,43 0,50 0,74 seu cone de rebaixamento atinge este limite, o 0,4 0,31 0,31 0,32 0,34 0,36 0,42 0,62 fluxo da água subterrânea é afetado e as fórmulas 0,5 0,25 0,25 0,27 0,29 0,34 0,51 analíticas para cálculo de rebaixamentos, vistas 0,6 0,21 0,21 0,23 0,27 0,41 neste capítulo, não são mais válidas. Se este limite 0,7 0,16 0,17 0,20 0,32 é brusco e retilíneo, pode-se substituí-lo, nos 0,8 0,11 0,13 0,22 cálculos, por um poço fictício (poço imagem) que 0,9 0,06 0,12 simula o efeito da descontinuidade, reduzindo o problema ao estudo da superposição de efeitos. Tabela 6.4.3 - Valor de α em função de p e de e (adaptado Esta metodologia é conhecida como Teoria das de Kruseman & De Rider, 1986). Imagens. Aqui, será abordado apenas o caso das fronteiras impermeáveis, que causam acréscimos de rebaixamento (perdas) nos poços situados próximos a elas. Fronteiras Impermeáveis - Aqüíferos Limitados A figura 6.4.40a mostra um poço sendo bombeado próximo a um limite impermeável. O efeito deste limite faz com que, em qualquer ponto, o rebaixamento seja maior do que no caso de aqüíferos de grande extensão. Com Figura 6.4.39 - Parâmetros para correção de penetração base na Teoria das Imagens, o limite impermeável pode parcial (modificado de Huisman, 1975). ser substituído por um poço imagem fictício, simétrico 555 Cap_6.4_FFI.indd 31 9/12/2008 22:01:11 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.40 - (a) aqüífero limitado com a presença de uma fronteira hidráulica impermeável; (b) poço fictício simulando o efeito da fronteira impermeável (modificado de Todd, 1960). e com a mesma vazão do poço real bombeado, como Com base na Teoria das Imagens, o rebaixamento no pode ser visto na figura figura 6.4.40b. poço de observação (Pz) será a soma dos rebaixamentos Imagine-se um poço sendo bombeado com vazão provocados pelos bombeamentos do poço real (sr) e do Q, num aqüífero confinado não drenante próximo a poço imagem (sI). Assim, como o aqüífero é confinado, um limite impermeável, e um poço de observação (Pz), aplicando a fórmula de Theis: situado a uma distância r do poço bombeado (PB) 2 e rI do poço imagem (PI), como ilustrado na figura Q r S sr = W(u), sendo u = figura 6.4.41. 4πT 4Tt Q (r )2 S sI = W(u ), sendo u = I 4π T I I 4T t Generalizando para um ponto qualquer no aqüífero e chamando o rebaixamento total de sw: Q sw = [W(u) + W(uI )] (6.4.74)4π T Se é válida a aproximação logarítmica de Jacob: 0,183 Q  2,25Tt 2,25Tt sw =  log + logT  r2 2   S (rI ) S  Figura 6.4.41 - Poço bombeado, poço imagem e poço de 0,366Q 2,25Tt  observação (piezômetro) próximos a uma fronteira hidráulica sw = log  (6.4.75)T rr S  impermeável.  I  556 Cap_6.4_FFI.indd 32 9/12/2008 22:01:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A figura 6.4.42a mostra o comportamento da curva As inclinações dos segmentos retilíneos BC e D’E’ são s versus log t em presença de fronteiras hidráulicas. dadas, respectivamente, por m = tg α e mI = tg αI , como Analisando o caso 2, fronteira impermeável (negativa), mostrado na figura 6.4.43. No segmento BC não existe verifica-se que a curva está dividida em quatro influência do limite impermeável e os rebaixamentos trechos, limitados pelas letras A, B, C, D’ e E’. No são dados pela própria equação de Jacob. Logo, trecho AC, o aqüífero comporta-se como se fosse de aplicando esta expressão para o cálculo de m: grande extensão, sem mostrar a influência do limite impermeável. O trecho AB, não retilíneo, representa o 0,183Qm = (6.4.76) intervalo de não validade da aproximação de Cooper- T Jacob com u > 0,03, enquanto que no trecho BC, No segmento D’E’ existe influência do limite retilíneo, a curva obedece à aproximação de Jacob com impermeável e os rebaixamentos devem ser calculados u < 0,03. Os trechos CD’ e D’E’ mostram a influência utilizando-se a expressão (6.4.75). Aplicando esta do limite impermeável, representando os intervalos em equação para o cálculo de mI: que u’ > 0,03 e u’ < 0,03, respectivamente. A figura 6.4.42b mostra o comportamento da 0,366QmI = (6.4.77) curva log s versus log t, em presença de fronteiras T hidráulicas, permeáveis e impermeáveis. No caso de Comparando as equações (6.4.76) e (6.4.77), limites impermeáveis (curva vermelha), observa-se que verifica-se que a inclinação do segmento D’E’ (mI) é inicialmente existe uma coincidência com a curva teórica o dobro da inclinação do segmento BC (m), ou seja, de Theis, até um instante t’, onde a curva sofre um desvio mI = 2m. Como a transmissividade é inversamente para cima, em função do efeito do limite impermeável proporcional à inclinação, teremos que quando a que provoca um aumento no rebaixamento. inclinação dobra, a transmissividade é reduzida à O efeito de um limite, permeável ou impermeável, metade. Assim, a transmissividade calculada no causa uma d iminu ição ou um acrésc imo, trecho da curva correspondente ao limite impermeável respectivamente, de rebaixamento (sI) em relação ao (TI) é a metade da transmissividade calculada no comportamento de aqüífero de extensão infinita, como trecho inicial (T), podendo-se estabelecer a seguinte ilustrado nos dois casos da figura 6.4.42. relação: T = 2 T (6.4.78)I Para fronteiras semipermeáveis, a relação T/TI oscila entre 1 e 2, na dependência da relação existente entre as condutividades hidráulicas do aqüífero e da descontinuidade. Todas as considerações feitas até agora são válidas, também, para aqüíferos livres com pequenos rebaixamentos em relação à espessura saturada. Nos casos de aqüíferos confinados drenantes, o problema torna-se muito mais complexo em função da superposição de efeitos: fronteiras hidráulicas e drenança. Figura 6.4.42 - Curva s versus log t em presença de fronteiras Figura 6.4.43 - Cálculo das inclinações dos segmentos hidráulicas (modificado de Custodio & Llamas, 1983). retilíneos BC (m) e D’E’ (mI). 557 Cap_6.4_FFI.indd 33 9/12/2008 22:01:12 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Nos casos em que o poço observado situa-se próximo ao poço bombeado, os rebaixamentos iniciais não sofrem influência da fronteira hidráulica, podendo- se calcular a transmissividade (T) e o coeficiente de armazenamento (S) pelos métodos usuais. Ao contrário, para poços de observação distantes do poço bombeado e, principalmente, aqueles próximos ao limite impermeável, o efeito deste limite aparece logo nos primeiros pontos da curva, não se podendo determinar os parâmetros hidrodinâmicos do aqüífero. Mesmo assim, nestes casos, ainda é possível avaliar um valor aproximado para a transmissividade (T) utilizando-se a expressão (6.4.78). Com a determinação de T e S, é possível calcular- se teoricamente o valor do rebaixamento para o poço Figura 6.4.44 - Determinação da distância do poço imagem ao poço de observação (rI) utilizando a curva log s versus de observação. A comparação deste valor com o log t (Theis). rebaixamento efetivamente medido neste poço, indica o valor do rebaixamento causado pelo bombeamento do poço imagem (sI), ou seja, o efeito do limite iii) Determinação de uI e cálculo de rI, através da impermeável. Conhecido sI, determina-se W(u) através equação (6.4.79). I da seguinte expressão: Método 2 - Curva s versus log t (Jacob) Q 2 sI = W ( ) r u onde u = I S 4π T I I 4T t i) Extrapolação do trecho retilíneo, sem a influência do limite impermeável, na curva s versus log t, como Conhecido W(uI), determina-se uI com o auxílio da mostrado na figura 6.4.45. tabela da função W(u) apresentada no anexo 6.4.3 e, finalmente, calcula-se r através da expressão: ii) Determinação de sI, tomando-se a distância entre I o trecho retilíneo extrapolado e a curva de campo 4T t u r = I I (6.4.79) para um determinado tempo t (figura 6.4.45).I S III) Cálculo de rI através da equação (6.4.80). sendo rI a distância do poço observado ao poço Uma forma mais rápida de operar, seria quando imagem, T e S a transmissividade e coeficiente de o rebaixamento causado pelo poço bombeado fosse armazenamento do aqüífero, respectivamente, tI o igual ao rebaixamento causado pelo poço imagem. tempo correspondente ao rebaixamento sI e uI o valor calculado como descrito acima. Qs = sI ⇒ W ( Q u) = W (uI ) ⇒ u = uI Se é válida a aproximação logarítmica de Jacob, e 4π T 4π T utilizando o mesmo raciocínio tem-se: r2S r2 2 = I S r t ⇒ r2 = I 2,25Tt r 4T t 4T t I I t I = 4π Ts ( i ) (6.4.80) Se Q E, finalmente, o valor de rI é dado por: Na prática, é possível determinar-se sI nas curvas de rebaixamento e calcular rI através das expressões (6.4.79) ou (6.4.80), conforme apresentado a seguir. Método 1 - Curva log s versus log t (Theis) i) Superposição da curva de campo log s versus log t sobre a curva teórica de Theis, ajustando-se o melhor possível os primeiros pontos da curva, como mostrado na figura 6.4.44. ii) Avaliação de sI, tomando-se a distância entre a curva de Theis e a curva de campo (reflexão) para um determinado tempo t. Ainda com as curvas superpostas, efetuar a transposição do valor de sI Figura 6.4.45 - Determinação da distância do poço imagem para o primeiro trecho da curva e determinar o valor ao poço de observação (rI) utilizando a curva s versus log de 1/u na curva teórica (figura 6.4.44). t (Jacob).I 558 Cap_6.4_FFI.indd 34 9/12/2008 22:01:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações t Para localizar um ponto no plano é necessário r II = r (6.4.81) conhecer-se a distância dele a três outros pontos. Assim, t para a determinação do poço imagem é necessário sendo rI a distância entre o poço observado e o poço o acompanhamento de pelo menos três poços de imagem [L], r a distância entre o poço observado e observação. O local geométrico do poço imagem o poço bombeado [L], tI o tempo correspondente ao em relação a cada ponto de observação será dado rebaixamento sI [T] e t o tempo correspondente ao pela circunferência centrada neste ponto, cujo raio é a rebaixamento s [T]. distância calculada. Desta forma, se tivermos apenas um ponto de observação, a posição do poço imagem ficará Método 3 - s igual a sI indeterminada, pois poderá ser em qualquer ponto da circunferência. Com dois poços de observação, as duas i) Nas curvas de rebaixamento versus tempo, escolhe- circunferências interceptam-se em dois pontos distintos, se um valor de rebaixamento no primeiro trecho da ficando a posição do poço imagem também indeterminada. curva, antes da inflexão, o qual corresponderá à Entretanto, nos casos em que subsídios geológicos influência, apenas, do poço bombeado, e registra-se permitam descartar um dos pontos, o poço imagem pode o valor do tempo (t) correspondente. Em seguida, ser determinado. Com a existência de três pontos de procura-se o tempo tI, correspondente a este mesmo observação as três circunferências cruzam-se em um único valor de rebaixamento causado pelo poço imagem, ponto, sendo este a posição do poço imagem. Estando como ilustrado nas figuras 6.4.46a (curva log s determinado o poço imagem, a fronteira hidráulica versus log t) e 6.4.46b (curva s versus log t). impermeável localiza-se na mediatriz da linha que une ii) Com os valores de t e tI, determina-se rI através da este ponto ao poço bombeado (figura 6.4.47). equação (6.4.81). iii) Este procedimento é válido tanto para as curvas s versus log t como para as log s versus log t. Nas curvas s versus log t, onde existem trechos retos, tomando-se t para s = 0, tI corresponderá ao ponto de interseção destes trechos, facilitando o procedimento (6.4.46b). Figura 6.4.47 - Localização do poço imagem e da fronteira impermeável (adaptado de Custodio & Llamas, 1983). Estudo de Caso - Vale do Gurguéia/PI No âmbito da programação hidrogeológica do Projeto de Irrigação do Gurguéia (DNOCS/Atepe -Labhid-UFPE/CPRM), na área compreendida entre os municípios de Eliseu Martins e Cristino Castro, numa extensão de cerca de 100 km, foram realizados 20 testes de aqüífero em poços que captam a Formação Cabeças, da bacia do Parnaíba, distribuídos em três baterias: Colônia do Incra, Projeto Piloto e Unifor (figura 6.4.48). Estes testes propiciaram um substancial avanço no conhecimento do comportamento hidrodinâmico do Figura 6.4.46 - Determinação da distância do poço imagem ao aqüífero Cabeças, nesta região, particularmente no que poço de observação (r) para s igual a s : (a) curva log s versus diz respeito à detecção de descontinuidades (fronteiras I I log t; (b) curva s versus log t. hidráulicas) até então insuspeitas. 559 Cap_6.4_FFI.indd 35 9/12/2008 22:01:12 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.48 - Localização da área estudada e das baterias de poços (modificado de Feitosa,1990). Os testes tiveram durações variando entre 24 e 72 teóricos calculados, enquanto que os poços ao norte horas de bombeamento e o número de piezômetros deste riacho mostraram níveis teóricos compatíveis observados variou de, no mínimo, um e, no máximo, com os medidos no campo. Esta constatação reforça sete. Todas as curvas rebaixamento versus tempo a existência de uma barreira separando os poços da dos testes realizados nos poços das baterias do bateria antiga do DNOCS dos novos poços perfurados Projeto Piloto e da Colônia do Incra, mostraram nítidas ao sul do riacho Anda Só. reflexões negativas, que foram associadas a fronteiras O teste do APp-6 permitiu marcar, com boa margem hidráulicas, cujas posições puderam ser determinadas de segurança, uma descontinuidade com direção NE- através da localização do poço imagem, feita com a SW, coincidente com visíveis lineações observadas em metodologia descrita anteriormente. Por outro lado, as fotografias aéreas (figura 6.4.51). curvas dos seis testes realizados na bateria da Unifor O teste do Tranqueira, com apenas dois não registraram quaisquer anomalias. piezômetros considerados (T-1 e T-2), já que o Na determinação da localização das prováveis terceiro apresentou resultados anômalos, gerou, fronteiras hidráulicas, foram selecionados os testes dos inicialmente, uma indeterminação com duas posições poços APp-6, na bateria do Incra, e BPp-2, na bateria do possíveis para a localização do poço imagem (figura Projeto Piloto, em função da quantidade de piezômetros 6.4.51). Entretanto, dados de um levantamento observados (7 e 4, respectivamente). Adicionalmente, geofísico (eletroresistividade) realizado na região foi, também, selecionado o poçoTranqueira em permitiram a elaboração do mapa de condutâncias função da existência de um levantamento geofísico longitudinais, apresentado na figura 6.4.52, que no local, realizado pelo Nutec (apud Feitosa et al., mostra, nitidamente, a existência de uma zona 1990). As curvas rebaixamento versus tempo dos com fortes gradientes, alongada na direção NW- poços utilizados na análise são mostradas na figura SE, coincidindo, aproximadamente, com uma das 6.4.49 (testes de aqüífero dos poços APp-6, BPp-2 e posições possíveis para a descontinuidade. Tranqueira, respectivamente). Para determinação da distância de cada piezômetro ao poço imagem, foi utilizada o Método 1(Theis), Piez. T (m2/s) S tI (min) sI (m) uI rI (m) conforme descrito anteriormente, sendo os valores Teste do BPp-2 encontrados apresentados na tabela 6.4.4. De posse das distâncias dos piezômetros ao poço BPz-1 0,01520 0,000321 1200 0,312 0,496058 2.685 imagem, foram traçados círculos centrados em cada BPz-2 0,01310 0,000453 1200 2,453 0,015517 179 piezômetro, tendo como raios as respectivas distâncias BPz-3 0,01500 0,000321 1210 0,242 0,657596 2.987 (rI) ao poço imagem. Dois círculos (piezômetros) BPz-4 0,01360 0,000304 1230 0,124 1,092190 3.798 geram duas intersecções que representam duas possibilidades de posição para o poço imagem. Um Teste do APp-6 terceiro círculo elimina a indefinição. No caso presente, APz-1 0,01360 0,000239 3120 0,987 0,121485 2.275 os resultados obtidos com este procedimento, ou seja, APz-3 0,01270 0,000393 3130 0,294 0,595923 3.801 a posição dos poços imagens e, respectivamente, das fronteiras hidráulicas, são apresentados nas figuras APz-5 0,01200 0,000246 3130 0,708 0,291208 3.033 6.4.50 e 6.4.51. APz-7 0,01130 0,000267 3120 0,342 1,578472 4.281 O teste de aqüífero do poço BPp-2 permitiu o Teste do Tranqueira mapeamento de uma descontinuidade com direção T-1 0,00944 0,000150 2645 1,095 0,253891 3.185 WNW-ESE aproximadamente coincidente com o vale do riacho Anda Só (figura 6.4.50). O monitoramento T-2 0,00731 0,000177 2650 0,671 0,583132 3.845 de níveis, com a bateria original do Projeto Piloto em Tabela 6.4.4 - Determinação de r para os testes dos poços operação, mostrou que os poços situados ao sul do IBPp-2, APp-6 e Tranqueira (adaptado de Feitosa et. al., riacho Anda Só apresentavam níveis bem inferiores aos 1990b; Feitosa, 1990). 560 Cap_6.4_FFI.indd 36 9/12/2008 22:01:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 6.4.49 - Curvas rebaixamento versus tempo utilizadas na análise: (a) teste de aqüífero do poço APP-6; (b); teste de aqüífero do poço BPp-2; e (c) teste de aqüífero do poço Tranqueira (adaptado de Feitosa et al., 1990b; Feitosa, 1990). 561 Cap_6.4_FFI.indd 37 9/12/2008 22:01:13 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Figura 6.4.50 - Localização do poço imagem e fronteira Figura 6.4.51 - Localização do poço imagem e fronteira hidráulica na bateria do Projeto Piloto, através do teste de hidráulica na região do INCRA, através dos testes de aqüífero aqüífero do poço BPp-2 (adaptado de Feitosa et al., 1990b; dos poços APp-6 e Tranqueira (adaptado de Feitosa et al., Feitosa, 1990). 1990b; Feitosa, 1990). Pela Teoria das Imagens sabe-se que, em presença desse mineral, revelou o caráter tardio da cimentação de uma fronteira impermeável, a transmissividade metálica, onde soluções mineralizantes teriam calculada no primeiro ramo da curva de rebaixamentos ascendido por uma zona fraturada pré-existente. (T), vale duas vezes aquela calculada no segundo Embora não tenham sido encontrados afloramentos ao ramo, afetado pela fronteira (TI). Em presença de longo do vale do riacho Anda Só (coincidente com a descontinuidades menos severas, tais como variações descontinuidade mapeada na região do Projeto Piloto), laterais de fácieis ou fraturamentos prenchidos com é muito provável que, a exemplo do INCRA, a fronteira material permeável ou mal preenchidos, a razão T/TI é mapeada neste local também esteja associada com um sensivelmente menor que dois. fraturamento preenchido. Neste caso, o preenchimento No caso estudado, verifica-se que no Projeto teria sido de menor intensidade, conferindo um caráter Piloto, as razões T/TI oscilam entre 1,3 e 1,7, enquanto semipermeável à fronteira enquanto que na área do que na área do INCRA, por outro lado, predominam INCRA, a fratura teria sofrido um preenchimento mais nitidamente valores em torno de dois, caracterizando, intenso determinando condições impermeáveis. assim, condições semipermeáveis e impermeáveis, Ainda na região do INCRA, a fronteira mapeada respectivamente, para as fronteiras mapeadas. de direção NW-SE (figura 6.4.51), também com Na tentativa de se obter subsídios para uma características impermeáveis, provavelmente está melhor definição da natureza destas fronteiras, foram associada com um falhamento de gravidade, que feitas fotointerpretação e observações geológicas de parece constituir o prolongamento para sudeste da superfície nas cercanias do Projeto Piloto e da Colônia grande falha de Rio das Balsas, colocando em contato do INCRA. Aproximadamente 4,0 Km ao sul desta lateral os arenitos Cabeças com os folhelhos Longá. última localidade, numa escarpa na margem direita do Com efeito, as amostras de calha do poços APp-11 rio Gurguéia, as lineações visíveis nas aerofotos são e APz-8, localizados ao norte desta descontinuidade, caracterizadas no campo pela ocorrência abundante bem como as perlilagens geofísicas destes poços, de um mineral metálico cimentando secundariamente indicaram um aumento brusco da Formação Poti- os arenitos da Formação Poti. A análise petrográfica Piauí, da ordem de 100 metros. 562 Cap_6.4_FFI.indd 38 9/12/2008 22:01:13 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações POÇO: APz-3 PROF.: 320,0 R (m): 20,0 NE (m): 4,563 ND (m): 14,694 Q (m3/h): 496,0 t (min) ND (m) HORA t (min) ND (m) 1 6,138 120 11,828 2 7,623 150 12,092 3 8,040 180 12,273 4 8,338 240 12,565 5 8,582 300 12,796 6 8,757 360 12,970 8 9,042 420 13,097 10 9,273 540 13,361 12 9,444 600 13,473 15 9,650 660 13,590 20 9,938 720 13,698 25 10,185 780 13,793 30 10,340 840 13,893 40 10,631 960 14,053 50 10,880 1080 14,151 60 11,065 1200 14,261 70 11,236 1320 14,374 80 11,390 1440 14,472 Figura 6.4.52 - Mapa de condutância longitudinal da 100 11,648 1620 14,694 Formação Longá (adaptado de Feitosa et al., 1990a). POÇO: APz-1 PROF.: 300,0 R (m): 1.930 Exercícios Propostos NE (m): 3,006 ND (m): 4,009 Q (m3/h): 496,0 t (min) ND (m) t (min) ND (m) Aqüífero Confinado não Drenante - Regime Transitório 50 3,024 540 3,262 60 3,031 600 3,315 1) Dentro da programação de estudos hidrogeológicos do 70 3,038 660 3,371 Projeto de Irrigação do Vale do Rio Gurguéia, foi realizado 80 3,042 720 3,426 um teste de aqüífero no poço APp-3, com observação 100 3,048 780 3,498 sistemática de dois piezômetros, APz-3 e APz-1. Na 120 3,054 840 3,551 figura abaixo, é apresentado um esboço esquemático do contexto geológico da região e da configuração física dos 150 3,069 960 3,623 poços envolvidos no teste. 180 3,08 1080 3,67 240 3,106 1200 3,723 300 3,134 1320 3,782 360 3,156 1440 3,867 420 3,183 1620 4,009 480 3,216 d) comparar os resultados numéricos, obtidos através dos dois métodos (Theis e Jacob), e escolher valores de T e S que julgue representativos do aqüífero; e Nas tabelas seguintes são apresentados os dados e) atribuir um valor de condutividade hidráulica para o referentes ao acompanhamento da evolução do nível aqüífero. dinâmico em cada um dos poços de observação Aqüífero Confinado não Drenante - Regime Permanente utilizados, APz-3 e APz-1, respectivamente. Pede-se: a) construir a curva log s versus log t com os dados do 2) Ainda no contexto do Projeto de Irrigação do Vale do poço APz-3 e calcular valores de transmissividade Rio Gurguéia, foi realizado um teste de aqüífero no poço (T) e coeficiente de armazenamento (S) do aqüífero, APp-7, com observação sistemática de sete piezômetros, utilizando a metodologia de Theis; dos quais são apresentados, na tabela abaixo, os dados b) construir as curvas s versus log t com os dados considerados mais confiáveis. dos poços APz-3 e APz-1 e calcular valores de transmissividade (T) e coeficiente de ND (m) armazenamento (S) para os dois poços, utilizando Poço r (m) NE (m) 24 h 48 h 72 h a metodologia simplificada de Jacob; APp-1 1.660 4,37 5,41 5,97 6,35 c) comparar os valores numéricos obtidos através da APp-2 1.140 8,24 9,66 10,22 10,60 simplificação de Jacob e realizar uma análise crítica dos APp-5 2.220 22,26 23,13 23,66 24,05 resultados e do comportamento das curvas, verificando em cada caso a aplicabilidade do método; APz-7 20 32,26 39,05 39,55 39,91 563 Cap_6.4_FFI.indd 39 9/12/2008 22:01:13 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos Na figura do exercício anterior é apresentada a geologia da região e na figura a seguir é mostrada a distribuição t (min) s (m) t (min) s (m) geográfica dos poços envolvidos. O teste teve uma 5 0,23 75 1,34 duração de 72 horas de bombeamento e a vazão foi de 8 0,39 100 1,44 330,70 m3/h. 10 0,48 150 1,55 12 0,56 2440 1,67 15 0,65 330 1,73 20 0,78 493 1,82 28 0,91 669 1,86 41 1,11 958 1,91 60 1,24 Aqüífero Confinado Drenante - Regime Permanente 4) Na região de Natal/RN, foi realizado um teste de aqüífero no poço C1Pp-6, com registro da evolução dos rebaixamentos em cinco piezômetros (C1Pz-1, C1Pz-2, C1Pz-3, C1Pz-4 e C1Pz-5), cujos níveis alcançaram a estabilização ao final de 72 horas de bombeamento e são apresentados na tabela abaixo. Poço C Pz-1 C Pz-2 C Pz-3 C Pz-4 C Pz-5 Pede-se: 1 1 1 1 1 r (m) 4 10 20 40 100 a) plotar as curvas s versus log r, para os alcances 24 s (m) 7,09 6,05 4,99 4,10 3,03 horas, 48 horas e 72 horas; m b) calcular, através da metodologia de Thiem, valores de Na figura a seguir é apresentada a configuração física transmissividade (T) para cada curva construída (24 dos poços envolvidos no teste e um esboço esquemático h, 48 h e 72 h); e da geologia do local. A vazão foi de 108,0 m 3/h, mantida c) comparar os resultados entre si e com os valores de constante durante todo o bombeamento. transmissividade obtidos com o teste do poço APp-3 através dos métodos de Theis e Jacob. Fazer uma análise crítica da comparação dos valores. Aqüífero Confinado Drenante - Regime Transitório 3) A CAERN - Companhia de Água e Esgoto do Rio Grande do Norte, realizou um teste de aqüífero no poço C4Pp-1 com observação sistemática de um piezômetro (C4Pz-1). O poço foi bombeado durante 958 minutos com uma vazão constante de 50,0 m3/h e os dados de rebaixamento são apresentados na tabela a seguir. Na figura esquemática abaixo, é apresentada a configuração física dos poços envolvidos no teste e um esboço da geologia do local. Pede-se para determinar valores da transmissividade (T) e coeficiente de armazenamento (S) do aqüífero, do fator de drenança (B) e da condutividade hidráulica da camada semipermeável (K’), utilizando a Pede-se: metodologia de Walton. a) construir a curva log sm versus log r com os dados apresentados na tabela acima e determinar valores para a transmissividade (T) , fator de drenança (B) e condutividade hidráulica da camada semi-permeável (K’), utilizando a metodologia de DeGlee; b) atribuir um valor de condutividade hidráulica para o aqüífero; e c) analisando o contexto geológico apresentado na figura acima, fazer considerações sobre um possível modelo de configuração hidráulica do sistema, de forma a explicar o regime permanente refletido na estabilização dos níveis dos poços observados. Aqüífero Livre - Regime Permanente 5) Dentro da programação de abastecimento de pequenas localidades, desenvolvida pela CAGECE - Companhia de Água e Esgoto do Ceará, foi realizado um 564 Cap_6.4_FFI.indd 40 9/12/2008 22:01:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações teste de aqüífero no poço MB-P1 na localidade costeira Referências de Morro Branco. Os dados referentes ao teste e um esboço da geologia do local são apresentados na figura BEAR, J. Dynamics of Fluids in Porous Media. New abaixo. Pede-se para determinar, utilizando o método de Dupuit-Thiem, um valor para a transmissividade inicial York: American Elsevier, 1972. (T0) do aqüífero e avaliar um valor para a condutividade ______. Hydraulics of Groundwater. New York: hidráulica (K). McGraw Hill Book Company, 1979. 569 p. BOULTON, N. S. The flow pattern near a gravity well in a uniform water-bearing medium. Journal Institu- tion of Civil Engineers, London, n.36, p.534-550, dec. 1951. COOPER, H. H.; JACOB, C. E. A generalized graphi- cal method for evaluating formation constants and summarizing well-field history. Transactions Ameri- can Geophysical Union , v. 27, p. 526-634, 1946. COSTA, J. A. da, MORENO, E. F. Manual de Méto- dos Cuantitativos en el Estudio de Aguas Subte- Aqüífero Livre - Regime Transitório rráneas - Organización y Realizaçión de Pruebas de Acuíferos, Métodos e Ejemplos. 2. ed. Mexico: 6) Na tabela a seguir, são apresentados os dados de Centro Regional de Ayuda Tecnica/ Agencia para el rebaixamento de um teste de aqüífero realizado pela Desarrollo Internacional (A.I.D.), 1996. Fundação Nacional de Saúde, em Iguatu/CE, no poço IG-3, que capta as aluviões do Rio Jaguaribe. O poço COSTA, W. D. Hidrodinâmica de meios porosos. foi bombeado durante 10 horas com uma vazão de 60,0 Recife, 1983. Apostila. m3/h e a distância ao poço de observação utilizado (IG-1) foi de 10,0 metros. Na figura abaixo, é apresentado um CRUZ, P. T. Contribuição ao estudo do fluxo de esboço da geologia do local e a configuração física dos água em meios contínuos e descontínuos. São poços envolvidos. Paulo: IPT, 1979. Relatório Técnico. Tempo (min) s (m) Tempo (min) s (m) CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología Subterrá- 6 0,011 80 1,061 nea. 2. ed., Barcelona: Ed. Omega,1983. 9 0,030 100 1,184 12 0,071 150 1,422 DARCY, H. Les fontaines publiques de la ville de 15 0,142 200 1,603 Dijon. Paris, 1856. 20 0,260 260 1,731 30 0,500 320 1,858 DEGLEE, G. J. On groundwater currents through 40 0,658 400 1,980 draining by means of wells. 1930. Thesis. (Technis- 50 0,797 500 2,120 che Hogeschool te Delft), Delft. 60 0,904 600 2,209 DEWIEST, R. J. M. Geohydrology. New York: John Willey & Sons, 1965. DRISCOLL, F. C. Groundwater and wells. 2. ed., Minnesota: Johnson Division, 1986. DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ F. W. Physical and Chemical Hydrogeology. New York: John Willey & Sons, 1990. DUPUIT, J. Études théoriques et pratiques sur le mouvement des eaux dans les canaux découverts et Pede-se: à travers les terrains perméables. Paris: Dunod, 1863. a) corrigir os rebaixamentos, utilizando a proposição FEITOSA, E. C. et al. (a) O Aqüífero Cabeças no apresentada por Dupuit (expressão 6.4.58); Vale do Gurguéia - atualização dos conhecimentos. b) construir as curvas s X log t e sc X log t e avaliar Recife: LABHID-UFPE/DNOCS, 1990. v. 1, 204 p. valores para a transmissividade (T), coeficiente Relatório Inédito. de armazenamento efetivo (Sef) e condutividade hidráulica (K) para cada uma das curvas, utilizando FEITOSA, E. C. et al. (b) Fronteiras Detectadas em Tes- a metodologia de Jacob; e tes de Aqüíferos na Formação Cabeças - PI. Revista c) comparar os resultados obtidos e fazer uma análise da Associação Brasileira de Águas Subterrâneas, crítica da aplicação da correção de Dupuit. São Paulo, v. 13, n.1, p. 63-74, ago. 1990. 565 Cap_6.4_FFI.indd 41 9/12/2008 22:01:14 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos FEITOSA, F. A. C. Estudo hidrogeológico do Aqüífero LOHMAN, S. W. Hidraulica subterranea. Barcelona: Cabeças no Médio Vale do Rio Gurguéia/PI. Recife. Ed. Ariel, 1977. 1990. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Geociên- cias, UFPE, Recife, 1990. MANOEL FILHO, J. Elementos de hidrogeologia prática. 2. ed. Recife: SUDENE, 1967. (Série Hidro- ______. Introdução à Hidráulica de Poços. In: CUR- geologia, 13). SOS DE TECNOLOGIA HIDROGEOLÓGICA APLI- CADA, 1o, 2o, 3o. Recife: UFPE; CPRM. 1994-1996. MANOEL FILHO, J. & RIJO, L. Estudo hidrogeológi- Inédito. co da planície aluvial de Morada Nova - CE. Reci- fe: SUDENE, 1968 (Série Hidrogeologia, 13), 1968. ______. Testes de bombeamento em poços tubula- res. Belo Horizonte: ABAS- Núcleo MG, 2008. Aposti- MARTINEZ, M. V.; LOPEZ, A. I. Poços e Acuiferos: la de Curso. Inédito. tecnicas de evaluacion mediante ensayos de bom- beo. Madrid: Instituto Geologico y Minero de España, FEITOSA, F. A. C.; MANOEL FILHO, J. (Coord.) Hi- drogeologia: conceitos e aplicações. 2. ed. rev. For- 1984. taleza: CPRM; LABHID-UFPE, 2000. 391 p. il. PAPADOPULOS, I. S.; COOPER H. H. Jr. Drawdown FEITOSA, F. A. C.; DEMETRIO, J. G. A. Hidráulica de in a well of large diameter. Water Resources Res. v. Poços. In: GONÇALES, V. G. ; GIAMPÁ, C. E. Q. (Ed.) 3, n. 1, p. 241-244, 1967. Águas subterrâneas e poços tubulares profundos. POLUBARINOVA-KOCHINA, P. Y. Theory of ground- São Paulo, 2006. Cap. 11 p. 305 - 351. water movement. Princeton, N.J.: Univ. Press, 1962. FETTER, C. W. Applied Hydrogeology. 3. ed. New 613 p. York: Macmillan Publishing Company, 1994. SÃO PAULO (Estado) - INSTITUTO DE PESQUISAS FORCHHEIMER, P. Hydraulik. Berlin: B.G. Teubner TECNOLÓGICAS. Manual de métodos para in- Verlagsgesellschaft, 1930. terpretação de ensaios de aqüíferos. São Paulo, 1988. 259 p. Relatório Técnico n. 25.699. FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A. Groundwater. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1979. THEIS, C. V. The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration HANTUSH, M. S. Hydraulics of Wells. In: ADVANCES of discharge of a well using ground-water storage, in Hydroscience. New York: Ed. V. T. Chow, 1964. v.1. Transactions American Geophysical Union, 16th ______. Analysis of data from pumping tests in leaky Ann. Meeting, part 2. 1935. aquifers. Transactions American Geophysical Union, v.37, n.6, p.702-714 [s. d.] THIEM, A. Die ergiebigkeit artesischer bohrlocher, schachtbrunnen, und filtergallerien. J. Gasbeleuchtung HANTUSH, M. S.; JACOB, C. E. Non-steady radial Wasserversorgung, v. 14. 1870. flow in an infinite leaky aquifer. Transactions Ameri- can Geophysical Union, v. 36, n. 1, p. 95-100, 1966. THIEM, G. Hydrologische methody. Leipzig, 1906. 56 p. HUISMAN, L. Groundwater Recovery. New York: The Macmillan Press, 1975. TODD, D. K. Groundwater hidrology. 2. ed. Califor- nia: John Willey, 1960. JACOB, C. E. On the flow of water in an elastic arte- sian aquifer. Transactions American Geophysical TOLMAN, C. F. Ground water. New York: McGraw Union, pt. 2, p. 574-586. 1940. Hill, 1937. 593 p. ______. Correlation of groundwater levels and pre- WALTON, W. C. Groundwater resource evaluation. cipitation on Long Island, N.Y, New York Dept. Con- McGraw-Hill, Kogakusha, LTD, 1970. serv. Water Power and Control Commission Bull. GW-14. 1945. ______. Selected analytical methods for well and aquifer evalution. Illinois : Statewater Survey. Ur- ______. Radial flow in a leaky artesian aquifer. Trans- bana, 1962. p. 81. actions American Geophysical Union, v.27, n. 2, p.198-208. 1946. ______. Drawdown test to determine effective radius of artesian well. Transactions American Geophysi- cal Union, v.112, n.2321, p.1047-1064, 1947. KRUSEMAN, G. P.; DE RIDDER, N. A. Analysis and evaluation of pumping test data. 2. ed. The Neth- erlands: International Institute for Land Reclamation and Improvement, 1994. 566 Cap_6.4_FFI.indd 42 9/12/2008 22:01:14 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Anexos - Funções Tabeladas Anexo 6.4.1 Funções ex, K0(x) e e x K0(x) x ex K0 (x) e x K0 (x) x e x K0 (x) e x K0 (x) x e x K (x) ex0 K0 (x) 0,010 1,0101 4,7212 4,7687 0,072 1,0747 2,7519 2,9573 0,440 1,5527 1,0321 1,6025 0,011 1,0111 4,6260 4,6771 0,073 1,0757 2,7382 2,9455 0,450 1,5683 1,0129 1,5886 0,012 1,0121 4,5290 4,5938 0,074 1,0768 2,7247 2,9340 0,460 1,5841 0,9943 1,5750 0,013 1,0131 4,4590 4,5173 0,075 1,0779 2,7114 2,9226 0,470 1,6000 0,9761 1,5671 0,014 1,0141 4,3849 4,4467 0,076 1,0790 2,6983 2,9113 0,480 1,6161 0,9584 1,5489 0,015 1,0151 4,3159 4,3812 0,077 1,0800 2,6853 2,9002 0,490 1,6323 0,9412 1,5363 0,016 1,0161 4,2514 4,3200 0,078 1,0811 2,6726 2,8894 0,500 1,6487 0,9244 1,5241 0,017 1,0171 4,1908 4,2627 0,079 1,0822 2,6599 2,8786 0,510 1,6653 0,9081 1,5122 0,018 1,0182 4,1337 4,2088 0,080 1,0833 2,6475 2,8680 0,520 1,6820 0,8921 1,5006 0,019 1,0192 4,0797 4,1580 0,081 1,0844 2,6352 2,8575 0,530 1,6989 0,9766 1,4892 0,020 1,0202 4,0285 4,1098 0,082 1,0855 2,6231 2,8472 0,540 1,7160 0,8614 1,4781 0,021 1,0212 3,9797 4,0642 0,083 1,0865 2,6111 2,8370 0,550 1,7333 0,9466 1,4673 0,022 1,0222 3,9332 4,0207 0,084 1,0876 2,5992 2,8270 0,560 1,7507 0,8321 1,4567 0,023 1,0233 3,8888 3,9793 0,085 1,0887 2,5875 2,8171 0,570 1,7683 0,8180 1,4664 0,024 1,0243 3,8463 3,9398 0,086 1,0898 2,5759 2,8073 0,580 1,7860 0,8042 1,4363 0,025 1,0253 3,8056 3,9019 0,087 1,0909 2,5646 2,7976 0,590 1,8040 0,7907 1,4264 0,026 1,0263 3,7664 3,8656 0,088 1,0920 2,5532 2,7881 0,600 1,8221 0,7775 1,4167 0,027 1,0274 3,7287 3,8307 0,089 1,0931 2,5421 2,7787 0,610 1,8404 0,7646 1,4073 0,028 1,0284 3,6924 3,7972 0,090 1,0942 2,5310 2,7694 0,620 1,8589 0,7520 1,3980 0,029 1,0294 3,6574 3,7650 0,091 1,0953 2,5204 2,7602 0,630 1,8776 0,7397 1,3889 0,030 1,0305 3,6235 3,7339 0,092 1,0964 2,5093 2,7511 0,640 1,8965 0,7277 1,3800 0,031 1,0315 3,5908 3,7039 0,093 1,0975 2,4986 2,7421 0,650 1,9155 0,7159 1,3713 0,032 1,0325 3,5591 3,6749 0,094 1,0986 2,4881 2,7333 0,660 1,9348 0,7043 1,3627 0,033 1,0336 3,5284 3,6468 0,095 1,0997 2,4776 2,7246 0,670 1,9542 0,6930 1,3543 0,034 1,0346 3,4986 3,6196 0,096 1,1008 2,4673 2,7159 0,680 1,9739 0,6820 1,3461 0,035 1,0356 3,4697 3,5933 0,097 1,1019 2,4571 2,7074 0,690 1,9937 0,6711 1,3380 0,036 1,0367 3,4416 3,5678 0,098 1,1030 2,4470 2,6989 0,700 2,0138 0,6605 1,3301 0,037 1,0377 3,4143 3,5430 0,099 1,1041 2,4370 2,6906 0,710 2,0340 0,6501 1,3223 0,038 1,0387 3,3877 3,5189 0,100 1,1052 2,4271 2,6823 0,720 2,0544 0,6399 1,3147 0,039 1,0398 3,3618 3,4955 0,110 1,1163 2,3333 2,6046 0,730 2,0751 0,6300 1,3072 0,040 1,0408 3,3365 3,4727 0,120 1,1275 2,2479 2,4345 0,740 2,0959 0,6202 1,2998 0,041 1,0419 3,6119 3,4505 0,130 1,1388 2,1695 2,4707 0,750 2,1170 0,6106 1,2926 0,042 1,0429 3,2879 3,4289 0,140 1,1503 2,0972 2,4123 0,760 2,1383 0,6012 1,2855 0,043 1,0439 3,2645 3,4079 0,150* 1,1618 2,0300 2,3585* 0,770 2,1598 0,5920 1,2785 0,044 1,0450 3,2415 3,3874 0,160 1,1735 1,9674 2,3088 0,780 2,1815 0,5829 1,2716 0,045 1,0460 3,2192 3,3673 0,170 1,1853 1,9088 2,2625 0,790 2,2034 0,5740 1,2649 0,046 1,0471 3,1973 3,3478 0,180 1,1972 1,8537 2,2193 0,800 2,2255 0,5653 1,2582 0,047 1,0481 3,1758 3,3287 0,190 1,2093 1,8018 2,1788 0,810 2,2479 0,5568 1,2517 0,048 1,0492 3,1549 3,3100 0,200 1,2214 1,7527 2,1408 0,820 2,2705 0,5484 1,2452 0,049 1,0502 3,1343 3,2918 0,210 1,2337 1,7062 2,1049 0,830 2,2933 0,5402 1,2389 0,050 1,0513 3,1142 3,2739 0,220 1,2461 1,6620 2,0710 0,840 2,3164 0,5321 1,2326 0,051 1,0523 3,0945 3,2564 0,230 1,2586 1,6199 2,0389 0,850 2,3397 0,5242 1,2265 0,052 1,0534 3,0752 3,2393 0,240 1,2713 1,5798 2,0084 0,860 2,3632 0,5165 1,2205 0,053 1,0544 3,0562 3,2226 0,250 1,2840 1,5415 1,9793 0,870 2,3869 0,5088 1,2145 0,054 1,0555 3,0376 3,2062 0,260 1,2969 1,5048 1,9517 0,880 2,4109 0,5013 1,2086 0,055 1,0565 3,0194 3,1901 0,270 1,3100 1,4697 1,9253 0,890 2,4351 0,4940 1,2029 0,056 1,0576 2,0018 3,1744 0,280 1,3231 1,4360 1,9000 0,900 2,4596 0,4867 1,1972 0,057 1,0587 2,9839 3,1589 0,290 1,3364 1,4036 1,8758 0,910 2,4843 0,4796 1,1916 0,058 1,0597 2,9666 3,1437 0,300 1,3499 1,3725 1,8526 0,920 2,5093 0,4727 1,1860 0,059 1,0608 2,9496 3,1288 0,310 1,3634 1,3425 1,8304 0,930 2,5345 0,4658 1,1806 0,060 1,0618 2,9329 3,1142 0,320 1,3771 1,3136 1,8089 0,940 2,5600 0,4591 1,1752 0,061 1,0629 2,9165 3,0999 0,330 1,3910 1,2857 1,7883 0,950 2,5857 0,4524 1,1699 0,062 1,0640 2,9003 3,0858 0,340 1,4050 1,2587 1,7685 0,960 2,6117 0,4459 1,1647 0,063 1,0650 2,8844 3,0719 0,350 1,4191 1,2327 1,7493 0,970 2,6379 0,4396 1,1595 0,064 1,0661 2,8677 3,0584 0,360 1,4333 1,2075 1,7308 0,980 2,6645 0,4333 1,1544 0,065 1,0672 2,8534 3,0450 0,370 1,4477 1,1832 1,7129 0,990 2,6912 0,4271 1,1494 0,066 1,0682 2,8382 3,0319 0,380 1,4623 1,1596 1,6956 1,000 2,7183 0,4210 1,1445 0,067 1,0693 2,8233 3,0189 0,390 1,4770 1,1367 1,6789 1,100 3,0042 0,3656 1,0983 0,068 1,0704 2,8086 3,0062 0,400 1,4918 1,1145 1,6627 1,200 3,3201 0,3185 1,0575 0,069 1,0714 2,7941 2,9937 0,410 1,5068 1,0930 1,6470 1,300 3,6693 0,2782 1,0210 0,070 1,0725 2,7798 2,9814 0,420 1,5220 1,0721 1,6317 1,400 4,0552 0,2437 0,9881 0,071 1,0736 2,7657 2,9693 0,430 1,5373 1,0518 1,6169 1,500 4,4817 0,2138 0,9582 (*) - Exemplo 6.4.6 567 Cap_6.4_FFI.indd 43 9/12/2008 22:01:14 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos x ex K0 (x) e x K x x x0 (x) x e K0 (x) e K0 (x) x e K0 (x) e x K0 (x) 1,600 4,9530 0,1880 0,9309 2,800 16,4446 0,0438 0,7206 4,000 54,5982 0,0112 0,6093 1,700 5,4739 0,1655 0,9059 2,900 18,1742 0,0390 0,7089 4,100 60,3403 0,0100 0,6022 1,800 6,0496 0,1459 0,8828 3,000 20,0855 0,0347 0,6978 4,200 66,6863 0,0089 0,5953 1,900 6,6859 0,1288 0,8614 3,100 22,1980 0,0310 0,6871 4,300 73,6998 0,0080 0,5887 2,000 7,3891 0,1139 0,8416 3,200 24,5325 0,0276 0,6770 4,400 81,4509 0,0071 0,5823 2,100 8,1662 0,1008 0,8230 3,300 27,1126 0,0246 0,6673 4,500 90,0171 0,0064 0,5761 2,200 9,0250 0,0893 0,8057 3,400 29,9641 0,0220 0,6580 4,600 99,4843 0,0057 0,5701 2,300 9,9742 0,0791 0,7894 3,500 33,1155 0,0196 0,5490 4,700 109,9472 0,0051 0,5643 2,400 11,0232 0,0702 0,7740 3,600 36,5982 0,0175 0,6405 4,800 121,5104 0,0046 0,5586 2,500 12,1825 0,0623 0,7596 3,700 40,4473 0,0156 0,6322 4,900 134,2898 0,0041 0,5531 2,600 13,4637 0,0554 0,7459 3,800 44,7012 0,0140 0,6243 5,000 148,4132 0,0037 0,5478 2,700 14,8797 0,0493 0,7329 3,900 49,4025 0,0125 0,6166 Anexo 6.4.2 Função K1(x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) 0,00 0,63 1,21859 1,26 0,39599 1,89 0,16180 2,52 0,07208 3,15 0,03358 3,78 0,01607 0,01 99,97389 0,64 1,19227 1,27 0,38997 1,90 0,15966 2,53 0,07119 3,16 0,03318 3,79 0,01589 0,02 49,95472 0,65 1,16676 1,28 0,38405 1,91 0,15755 2,54 0,07031 3,17 0,03279 3,80 0,01571 0,03 33,27149 0,66 1,14204 1,29 0,37825 1,92 0,15547 2,55 0,06945 3,18 0,03240 3,81 0,01553 0,04 24,92329 0,67 1,11806 1,30 0,37255 1,93 0,15341 2,56 0,06859 3,19 0,03202 3,82 0,01535 0,05 19,90967 0,68 1,09479 1,31 0,36695 1,94 0,15139 2,57 0,06775 3,20 0,03164 3,83 0,01517 0,06 16,56373 0,69 1,07221 1,32 0,36145 1,95 0,14940 2,58 0,06692 3,21 0,03127 3,84 0,01500 0,07 14,17100 0,70 1,05028 1,33 0,35605 1,96 0,14744 2,59 0,06609 3,22 0,03090 3,85 0,01483 0,08 12,37421 0,71 1,02898 1,34 0,35075 1,97 0,14550 2,60 0,06528 3,23 0,03054 3,86 0,01466 0,09 10,97486 0,72 1,00829 1,35 0,34554 1,98 0,14360 2,61 0,06448 3,24 0,03018 3,87 0,01449 0,10 9,85384 0,73 0,98817 1,36 0,34043 1,99 0,14172 2,62 0,06369 3,25 0,02983 3,88 0,01432 0,11 8,93534 0,74 0,96861 1,37 0,33540 2,00 0,13987 2,63 0,06292 3,26 0,02948 3,89 0,01416 0,12 8,16878 0,75 0,94958 1,38 0,33046 2,01 0,13804 2,64 0,06215 3,27 0,02913 3,90 0,01400 0,13 7,51919 0,76 0,93107 1,39 0,32561 2,02 0,13624 2,65 0,06139 3,28 0,02879 3,91 0,01384 0,14 6,96154 0,77 0,91305 1,40 0,32084 2,03 0,13447 2,66 0,06064 3,29 0,02845 3,92 0,01368 0,15 6,47750 0,78 0,89551 1,41 0,31615 2,04 0,13272 2,67 0,05990 3,30 0,02812 3,93 0,01353 0,16 6,05330 0,79 0,87842 1,42 0,31154 2,05 0,13100 2,68 0,05917 3,31 0,02779 3,94 0,01337 0,17 5,67842 0,80 0,86178 1,43 0,30701 2,06 0,12930 2,69 0,05845 3,32 0,02746 3,95 0,01322 0,18 5,34467 0,81 0,84557 1,44 0,30256 2,07 0,12763 2,70 0,05774 3,33 0,02714 3,96 0,01307 0,19 5,04558 0,82 0,82976 1,45 0,29819 2,08 0,12598 2,71 0,05704 3,34 0,02682 3,97 0,01292 0,20 4,77597 0,83 0,81435 1,46 0,29389 2,09 0,12435 2,72 0,05634 3,35 0,02651 3,98 0,01277 0,21 4,53167 0,84 0,79933 1,47 0,28966 2,10 0,12275 2,73 0,05566 3,36 0,02620 3,99 0,01263 0,22 4,30923 0,85 0,78468 1,48 0,28550 2,11 0,12117 2,74 0,05498 3,37 0,02589 4,00 0,01248 0,23 4,10582 0,86 0,77038 1,49 0,28141 2,12 0,11961 2,75 0,05432 3,38 0,02559 4,01 0,01234 0,24 3,91908 0,87 0,75643 1,50 0,27739 2,13 0,11807 2,76 0,05366 3,39 0,02529 4,02 0,01220 0,25 3,74703 0,88 0,74281 1,51 0,27343 2,14 0,11655 2,77 0,05301 3,40 0,02500 4,03 0,01206 0,26 3,58797 0,89 0,72952 1,52 0,26954 2,15 0,11506 2,78 0,05237 3,41 0,02471 4,04 0,01193 0,27 3,44049 0,90 0,71653 1,53 0,26572 2,16 0,11359 2,79 0,05174 3,42 0,02442 4,05 0,01179 0,28 3,30335 0,91 0,70385 1,54 0,26196 2,17 0,11213 2,80 0,05111 3,43 0,02414 4,06 0,01166 0,29 3,17549 0,92 0,69147 1,55 0,25826 2,18 0,11010 2,81 0,05050 3,44 0,02385 4,07 0,01152 0,30 3,05599 0,93 0,67937 1,56 0,25462 2,19 0,10929 2,82 0,04989 3,45 0,02358 4,08 0,01139 0,31 2,94406 0,94 0,66754 1,57 0,25104 2,20 0,10790 2,83 0,04929 3,46 0,02330 4,09 0,01126 0,32 2,83898 0,95 0,65598 1,58 0,24751 2,21 0,10652 2,84 0,04869 3,47 0,02303 4,10 0,01114 0,33 2,74016 0,96 0,64468 1,59 0,24404 2,22 0,10517 2,85 0,04811 3,48 0,02276 4,11 0,01104 0,34 2,64703 0,97 0,63363 1,60 0,24063 2,23 0,10383 2,86 0,04753 3,49 0,02250 4,12 0,01089 0,35 2,55912 0,98 0,62282 1,61 0,23728 2,24 0,10252 2,87 0,04696 3,50 0,02224 4,13 0,01076 0,36 2,47601 0,99 0,61225 1,62 0,23397 2,25 0,10122 2,88 0,04639 3,51 0,02198 4,14 0,01064 0,37 2,39730 1,00 0,60191 1,63 0,23072 2,26 0,09993 2,89 0,04584 3,52 0,02173 4,15 0,01052 0,38 2,32265 1,01 0,59179 1,64 0,22753 2,27 0,09867 2,90 0,04529 3,53 0,02147 4,16 0,01040 0,39 2,25167 1,02 0,58189 1,65 0,22438 2,28 0,09742 2,91 0,04474 3,54 0,02123 4,17 0,01028 0,40 2,18435 1,03 0,57219 1,66 0,22128 2,29 0,09620 2,92 0,04421 3,55 0,02098 4,18 0,01017 0,41 2,12018 1,04 0,56270 1,67 0,21823 2,30 0,09498 2,93 0,04368 3,56 0,02074 4,19 0,01005 0,42 2,05900 1,05 0,55341 1,68 0,21523 2,31 0,09379 2,94 0,04316 3,57 0,02050 4,20 0,00991 0,43 2,00062 1,06 0,54432 1,69 0,21227 2,32 0,09261 2,95 0,04264 3,58 0,02026 4,21 0,00983 0,44 1,94485 1,07 0,53541 1,70 0,20936 2,33 0,09144 2,96 0,04213 3,59 0,02003 4,22 0,00971 0,45 1,89152 1,08 0,52668 1,71 0,20650 2,34 0,09029 2,97 0,04163 3,60 0,01979 4,23 0,00961 0,46 1,84048 1,09 0,51814 172 0,20368 2,35 0,08916 2,98 0,04113 3,61 0,01957 4,24 0,00950 0,47 1,79157 1,10 0,50976 1,73 0,20090 2,36 0,08804 2,99 0,04064 3,62 0,01934 4,25 0,00939 0,48 1,74467 1,11 050155, 1,74 0,19187 2,37 0,08694 3,00 0,04016 3,63 0,01912 4,26 0,00928 568 Cap_6.4_FFI.indd 44 9/12/2008 22:01:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) x K1 (x) 0,49 1,69967 1,12 0,49351 1,75 0,19548 2,38 0,08586 3,01 0,03968 3,64 0,01890 4,27 0,00918 0,50 1,65644 1,13 0,48563 1,76 0,19283 2,39 0,08478 3,02 0,03921 3,65 0,01868 4,28 0,00908 0,51 1,61489 1,14 0,47790 1,77 0,19022 2,40 0,08372 3,03 0,03874 3,66 0,01846 4,29 0,00897 0,52 1,57492 1,15 0,47033 1,78 0,18765 2,41 0,08268 3,04 0,03828 3,67 0,01825 4,30 0,00887 0,53 1,53645 1,16 0,46290 1,79 0,18512 2,42 0,08165 3,05 0,03782 3,68 0,01804 4,31 0,00877 0,54 1,49938 1,17 0,45561 1,80 0,18262 2,43 0,08063 3,06 0,03738 3,69 0,01783 4,32 0,00867 0,55 1,46366 1,18 0,44847 1,81 0,18017 2,44 0,07963 3,07 0,03693 3,70 0,01763 4,33 0,00858 0,56 1,42921 1,19 0,44146 1,82 0,17775 2,45 0,07864 3,08 0,03649 3,71 0,01743 4,34 0,00848 0,57 1,39596 1,20 0,43459 1,83 0,17537 2,46 0,07767 3,09 0,03606 3,72 0,01722 4,35 0,00838 0,58 1,36385 1,21 0,42785 1,84 0,17302 2,47 0,07670 3,10 0,03563 3,73 0,01703 4,36 0,00829 0,59 1,33282 1,22 0,42124 1,85 0,17071 2,48 0,07575 3,11 0,03521 3,74 0,01683 4,37 0,00820 0,60 1,30283 1,23 0,41474 1,86 0,13843 2,49 0,07482 3,12 0,03480 3,75 0,01664 4,38 0,00810 0,61 1,27383 1,24 0,40838 1,87 0,16619 2,50 0,07389 3,13 0,03438 3,76 0,01645 4,39 0,00801 0,62 1,24576 1,25 0,40212 1,88 0,16398 2,51 0,07298 3,14 0,03398 3,77 0,01626 4,40 0,00792 Anexo 6.4.3 Função W(u) u x 10-15 x 10-14 x 10-13 x 10-12 x 10-11 x 10-10 x 10-9 x 10-8 x 10-7 x 10-6 x 10-5 x 10-4 x 10-3 1,0 33,9616 31,6590 29,3564 27,0538 24,7512 22,4486 20,1460 17,8435 15,5409 13,2383 10,9357 8,6332 6,3315 1,1 33,8662 31,5637 29,2611 26,9585 24,6559 22,5533 20,0507 17,7482 15,4456 13,1430 10,8404 8,5379 6,2363 1,2 33,7792 31,4767 29,1741 26,8715 24,5689 22,2663 19,9637 17,6611 15,3586 13,0560 10,7534 8,4509 6,1494 1,3 33,6992 31,3960 29,0940 26,7914 24,4889 22,1863 19,8837 17,5811 15,2785 12,9759 10,6734 8,3709 6,0695 1,4 33,6251 31,3225 29,0199 26,7173 24,4247 22,1122 19,8096 17,5070 15,2044 12,9018 10,5993 8,2968 5,9955 1,5 33,5561 31,2535 28,9509 26,6483 24,3458 22,0432 19,7406 17,4380 15,1354 12,8328 10,5303 8,2278 5,9266 1,6 33,4916 31,1890 28,8864 26,5838 24,2812 21,9786 19,6760 17,3735 15,0709 12,7683 10,4657 8,1634 5,8621 1,7 33,4309 31,1283 28,8258 26,5232 24,2206 21,9180 19,6154 17,3128 15,0103 12,7077 10,4051 8,1027 5,8016 1,8 33,3738 31,0712 28,7686 26,4660 24,1634 21,8608 19,5583 17,2557 14,9531 12,6505 10,3479 8,0455 5,7446 1,9 33,3197 31,0171 28,7145 26,4119 24,1094 21,8068 19,8042 17,2016 14,8990 12,5964 10,2939 7,9915 5,6906 2,0 33,2684 30,9658 28,6632 26,3607 24,0581 21,7555 19,4529 17,1503 14,8477 12,5451 10,2426 7,9402 5,6394 2,1 33,2196 30,9170 28,6145 26,3119 24,0093 21,7067 19,4041 17,1015 14,7989 12,4964 10,1938 7,8914 5,5907 2,2 33,1731 30,8705 28,5679 26,2653 23,9628 21,6602 19,3576 17,0550 14,7524 12,4498 10,1473 7,8449 5,5443 2,3 33,1286 30,8261 28,5235 26,2209 23,9183 21,6157 19,3131 17,0106 14,7080 12,4054 10,1028 7,8004 5,4999 2,4 33,0861 30,7835 28,4809 26,1783 23,8758 21,5732 19,2706 16,9680 14,6654 12,3628 10,0603 7,7579 5,4575 2,5 33,0453 30,7427 28,4401 26,1342 23,8349 21,5323 19,2298 16,9272 14,6246 12,3220 10,0194 7,7172 5,4167 2,6 33,0060 30,7035 28,4009 26,0983 23,7957 21,4931 19,1905 16,8880 14,5854 12,2828 9,9802 7,6779 5,3776 2,7 32,9683 30,6657 28,3631 26,0606 23,7580 21,4554 19,1528 16,8502 14,5476 12,2450 9,9425 7,6401 5,3400 2,8 32,9319 30,6294 28,3268 26,0242 23,7216 21,4190 19,1164 16,8138 14,5113 12,2087 9,9061 7,6038 5,3037 2,9 32,8968 30,5943 28,2917 25,9891 23,6865 21,3839 19,0813 16,7788 14,4762 12,1736 9,8710 7,5687 5,2687 3,0 32,8629 30,5604 28,2578 25,9552 23,6526 21,3500 19,0474 16,7449 14,4423 12,1397 9,8371 7,5348 5,2349 3,1 32,8302 30,5276 28,2250 25,9224 23,6198 21,3172 19,0146 16,7121 14,4095 12,1069 9,8043 7,5020 5,2022 3,2 32,7984 30,4958 28,1932 25,8907 23,5881 21,2855 18,9829 16,6803 14,3777 12,0751 9,7726 7,4703 5,1706 3,3 32,7676 30,4651 28,1625 25,8599 23,5573 21,2547 18,9521 16,6495 14,3470 12,0444 9,7418 7,4395 5,1399 3,4 32,7378 30,4352 28,1326 25,8300 23,5274 21,2249 18,9223 16,6197 14,3171 12,0145 9,7120 7,4097 5,1102 3,5 32,7088 30,4062 28,1036 25,8010 23,4985 21,1959 18,8933 16,5907 14,2881 11,9855 9,6830 7,3807 5,0813 3,6 32,6806 30,3780 28,0755 25,7729 23,4703 21,1677 18,8651 16,5625 14,2599 11,9574 9,6548 7,3526 5,0532 3,7 32,6532 30,3506 28,0481 25,7455 23,4429 21,1403 18,8377 16,5351 14,2325 11,9300 9,6274 7,3252 5,0259 3,8 32,6266 30,3240 28,0214 25,7188 23,4162 21,1136 18,8110 16,5085 14,2059 11,9033 9,6007 7,2985 4,9993 3,9 32,6006 30,2980 27,9954 25,6928 23,3902 21,0877 18,7851 16,4825 14,1799 11,8773 9,5748 7,2725 4,9735 4,0 32,5753 30,2727 27,9701 25,6675 23,2649 21,0623 18,7598 16,4572 14,1546 11,8520 9,5495 7,2472 4,9482 4,1 32,5506 30,2480 27,9454 25,6428 23,3402 21,0376 18,7351 16,4325 14,1299 11,8273 9,5248 7,2225 4,9236 4,2 32,5265 30,2239 27,9213 25,6187 23,3161 21,0136 18,7110 16,4084 14,1058 11,8032 9,5007 7,1985 4,8997 4,3 32,5029 30,2004 27,8978 25,5952 23,2926 20,9900 18,6874 16,3848 14,0823 11,7797 9,4771 7,1749 4,8762 4,4 32,4800 30,1774 27,8748 25,5722 23,2696 20,9690 18,6644 16,3619 14,0593 11,7567 9,4541 7,1520 4,8533 4,5 32,4575 30,1549 27,8523 25,5497 23,2471 20,9446 18,6420 16,3394 14,0368 11,7342 9,4317 7,1295 4,8310 4,6 32,4355 30,1329 27,8303 25,5277 23,2252 20,9226 18,6200 16,3174 14,0148 11,7122 9,4097 7,1075 4,8091 4,7 32,4140 30,1114 27,8088 25,5062 23,2037 20,9011 18,5985 16,2959 13,9933 11,6907 9,3882 7,0860 4,7877 4,8 32,3929 30,0904 27,7878 25,4852 23,1826 20,8800 18,5774 16,2748 13,9723 11,6697 9,3671 7,0650 4,7667 4,9 32,3723 30,0697 27,7672 25,4646 23,1620 20,8594 18,5568 16,2542 13,9516 11,6491 9,3465 7,0444 4,7462 5,0 32,3521 30,0495 27,7470 25,4444 23,1418 20,8392 18,5366 16,2340 13,9314 11,6289 9,3263 7,0242 4,7261 5,1 32,3323 30,0297 27,7771 25,4246 23,1220 20,8194 18,5168 16,2142 13,9116 11,6091 9,3065 7,0074 4,7064 5,2 32,3129 30,0103 27,7077 25,4051 23,1026 20,8000 18,4974 16,1948 13,8922 11,5896 9,2871 6,9850 4,6871 5,3 32,2939 29,9913 27,6887 25,3861 23,0835 20,7890 18,4783 16,1759 13,8732 11,5706 9,2681 6,9659 4,6681 5,4 32,2752 29,9726 27,6700 25,3674 23,0648 20,7622 18,4596 16,1571 13,8545 11,5519 9,2494 6,9473 4,6495 5,5 32,2568 29,9542 27,6516 25,3491 23,0465 20,7439 18,4413 16,1387 13,8361 11,5336 9,2310 6,9289 4,6313 5,6 32,2388 29,9362 27,6336 25,3310 23,0285 20,7259 18,4233 16,1207 13,8181 11,5155 9,2130 6,9109 4,6134 5,7 32,2211 29,9185 27,6159 25,3133 23,0108 20,7082 18,4056 16,1030 13,8004 11,4978 9,1953 6,8932 4,5958 569 Cap_6.4_FFI.indd 45 9/12/2008 22:01:15 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos u x 10-15 x 10-14 x 10-13 x 10-12 x 10-11 x 10-10 x 10-9 x 10-8 x 10-7 x 10-6 x 10-5 x 10-4 x 10-3 5,8 32,2037 29,9011 27,5985 25,2959 22,9934 20,6908 18,3882 16,0856 13,7830 11,4804 9,1779 6,8758 4,5785 5,9 32,1866 29,8840 27,5814 25,2789 22,9763 20,6737 18,3711 16,0685 13,7659 11,4633 9,1608 6,8588 4,5615 6,0 32,1698 29,8672 27,5646 25,2620 22,9595 20,6569 18,3543 16,0517 13,7491 11,4465 9,1440 6,8420 4,5448 6,1 32,1533 29,8507 27,5481 25,2455 22,9429 20,6403 18,3378 16,0352 13,7326 11,4300 9,1275 6,8254 4,5283 6,2 32,1370 29,8344 27,5318 25,2293 22,9267 20,6241 18,3215 16,0489 13,7163 11,4138 9,1112 6,8092 4,5122 6,3 32,1210 29,8141 27,5159 25,2133 22,9107 20,6081 18,3055 16,0029 13,7003 11,3978 9,0952 6,7932 4,4963 6,4 32,1053 29,8027 27,5001 25,1975 22,8949 20,5923 18,2898 15,9872 13,6846 11,3820 9,0795 6,7775 4,4806 6,5 32,0898 29,7872 27,4846 25,1820 22,8794 20,5768 18,2742 15,9717 13,6691 11,3665 9,0640 6,7620 4,4652 6,6 32,0745 29,7719 27,4693 25,1667 22,8641 20,5616 18,2590 15,9564 13,6538 11,3512 9,0487 6,7467 4,4501 6,7 32,0595 29,7569 27,4543 25,1517 22,8491 20,5465 18,2439 15,9414 13,6388 11,3362 9,0337 6,7317 4,4351 6,8 32,0446 29,7421 27,4395 25,1369 22,8343 20,5317 18,2291 15,9265 13,6240 11,3214 9,0189 6,7169 4,4204 6,9 32,0300 29,7275 27,4249 25,1223 22,8197 20,5171 18,2145 15,9119 13,6094 11,3068 9,0043 6,7023 4,4059 7,0 32,0156 29,7131 27,4105 25,1079 22,8053 20,5027 18,2001 15,8976 13,5950 11,2924 8,9899 6,6879 4,3916 7,1 32,0015 29,6889 27,3963 25,0937 22,7911 20,4885 18,1860 15,8834 13,5808 11,2782 8,9757 6,6737 4,3775 7,2 31,9875 29,6849 27,3823 25,0797 22,7771 20,4746 18,1720 15,8694 13,5668 11,2642 8,9717 6,6598 4,3636 7,3 31,9737 29,6711 27,3685 25,0659 22,7633 20,4608 18,1582 15,8556 13,5530 11,2504 8,9479 6,6460 4,3500 7,4 31,9601 29,6575 27,3549 25,0523 22,7497 20,4472 18,1446 15,8420 13,5394 11,2368 8,9343 6,6324 4,3364 7,5 31,9467 29,6441 27,3415 25,0389 22,7363 20,4337 18,1311 15,8286 13,5260 11,2234 8,9209 6,6190 4,3231 7,6 31,9334 29,6308 27,3282 25,0257 22,7231 20,4205 18,1179 15,8153 13,5127 11,2102 8,9076 6,6057 4,3100 7,7 31,9203 29,6178 27,3152 25,0126 22,7100 20,4074 18,1048 15,8022 13,4997 11,1971 8,8946 6,5927 4,2970 7,8 31,9074 29,6048 27,3023 24,9997 22,6971 20,3945 18,0919 15,7893 13,4808 11,1842 8,8817 6,5798 4,2842 7,9 31,8947 29,5921 27,2895 24,9869 22,6844 20,3818 18,0792 15,7766 13,4740 11,1714 8,8689 6,5671 4,2716 8,0 31,8821 29,5795 27,2769 24,9744 22,6718 20,3692 18,0666 15,7640 13,4614 11,1589 8,8563 6,5545 4,2591 8,1 31,8697 29,5671 27,2645 24,9619 22,6594 20,3568 18,0542 15,7516 13,4490 11,1464 8,8439 6,5421 4,2468 8,2 31,8574 29,5548 27,2523 24,9497 22,6471 20,3445 18,0419 15,7391 13,4367 11,1342 8,8317 6,5298 4,2346 8,3 31,8453 29,5427 27,2401 24,9375 22,6350 20,3324 18,0298 15,7272 13,4246 11,1220 8,8195 6,5177 4,2226 8,4 31,8333 29,5307 27,2282 24,9256 22,6230 20,3204 18,0178 15,7152 13,4126 11,1101 8,8076 6,5057 4,2107 8,5 31,8215 29,5189 27,2163 24,9137 22,6112 20,3086 18,0060 15,7034 13,4008 11,0982 8,7957 6,4939 4,1990 8,6 31,8098 29,5072 27,2046 24,9020 22,5995 20,2969 17,9943 15,6917 13,3891 11,0865 8,7840 6,4822 4,1874 8,7 31,7982 29,4957 27,1931 24,8905 22,5879 20,2853 17,9827 15,6801 13,3776 11,0750 8,7725 6,4707 4,1759 8,8 31,7868 29,4842 27,1816 24,8790 22,5765 20,2739 17,9713 15,6687 13,3661 11,0635 8,7610 6,4592 4,1646 8,9 31,7755 29,4729 27,1703 24,8678 22,5652 20,2626 17,9600 15,6574 13,3548 11,0523 8,7497 6,4480 4,1534 9,0 31,7643 29,4618 27,1592 24,8566 22,5540 20,2514 17,9488 15,6462 13,3437 11,0411 8,7386 6,4368 4,1423 9,1 31,7533 29,4507 27,1481 24,8455 22,5429 20,2404 17,9378 15,6352 13,3326 11,0300 8,7275 6,4258 4,1313 9,2 31,7424 29,4398 27,1372 24,8346 22,5320 20,2294 17,9268 15,6243 13,3217 11,0191 8,7166 6,4148 4,1205 9,3 31,7315 29,4290 27,1264 24,8238 22,5212 20,2186 17,9160 15,6135 13,3109 11,0083 8,7058 6,4040 4,1098 9,4 31,7208 29,4183 27,1157 24,8131 22,5105 20,2079 17,9053 15,6028 13,3002 10,9976 8,6951 6,3934 4,0992 9,5 31,7103 29,4077 27,1051 24,8025 22,4999 20,1973 17,8948 15,5922 13,2896 10,9870 8,6845 6,3828 4,0887 9,6 31,6998 29,3972 27,0946 24,7920 22,4895 20,1869 17,8843 15,5817 13,2791 10,9765 8,6740 6,3723 4,0784 9,7 31,6894 29,3868 27,0843 24,7817 22,4791 20,1765 17,8739 15,5713 13,2688 10,9662 8,6637 6,3620 4,0681 9,8 31,6792 29,3766 27,0740 24,7714 22,4688 20,1663 17,8637 15,5611 13,2585 10,9559 8,6534 6,3517 4,0579 9,9 31,6690 29,3664 27,0639 24,7613 22,4587 20,1561 178535, 15,5509 13,2483 10,9458 8,6433 63416, 4,0479 u x 10-2 x 10-1 x 100 u x 10-2 x 10-1 x 100 u x 10-2 x 10-1 x 100 1,0 4, 0379 1,8229 0,2194 4,7 2,5268 0,5979 0,00163 8,4 1,9820 0,2891 0,00002415 1,1 3,9436 1,7371 0,1860 4,8 2,5068 0,5848 0,00145 8,5 1,9711 0,2840 0,00002162 1,2 3,8576 1,6595 0,1584 4,9 2,4871 0,5721 0,00129 8,6 1,9604 0,2790 0,00001936 1,3 3,7785 1,5889 0,1355 5,0 2,4679 0,5598 0,00114 8,7 1,9498 0,2742 0,00001733 1,4 3,7054 1,5241 0,1162 5,1 2,4491 0,5478 0,00102 8,8 1,9393 0,2694 0,00001552 1,5 3,6374 1,4645 0,1000 5,2 2,4306 0,5362 0,00090 8,9 1,9290 0,2647 0,00001390 1,6 3,5739 1,4092 0,08631 5,3 2,4126 0,5250 0,00080 9,0 1,9187 0,2602 0,00001245 1,7 3,5143 1,3578 0,07465 5,4 2,3948 0,5140 0,00071 9,1 1,9087 0,2557 0,00001115 1,8 3,4581 1,3098 0,06471 5,5 2,3775 0,5034 0,00064 9,2 1,8987 0,2513 0,000009988 1,9 2,4050 1,2649 0,05620 5,6 2,3604 0,4930 0,00057 9,3 1,8888 0,2470 0,000008948 2,0 2,3547 1,2227 0,04890 5,7 2,3437 0,4830 0,00050 9,4 1,8791 0,2429 0,000008018 2,1 2,3069 1,1829 0,04261 5,8 2,3273 0,4732 0,00045 9,5 1,8695 0,2387 0,000007185 2,2 2,2614 1,1454 0,03719 5,9 2,3111 0,4637 0,00040 9,6 1,8599 0,2347 0,000006439 2,3 2,2179 1,1099 0,03250 6,0 2,2953 0,4544 0,00036 9,7 1,8505 0,2308 0,000005771 2,4 2,1763 1,0762 0,02844 6,1 2,2797 0,4454 0,00032 9,8 1,8412 0,2269 0,000005173 2,5 2,1365 1,0443 0,02491 6,2 2,2645 0,4366 0,00028 9,9 1,8320 02231, 0,000004637 2,6 2,0983 1,0139 0,02185 6,3 2,2494 0,4280 0,0002555 2,7 2,0615 0,9849 0,01918 6,4 2,2346 0,4197 0,0002279 2,8 2,0261 0,9573 0,01686 6,5 2,2201 0,4115 0,0002034 2,9 2,9920 0,9309 0,01482 6,6 2,2058 0,4036 0,0001816 3,0 2,9591 0,9057 0,01305 6,7 2,1917 0,3959 0,0001621 3,1 2,9273 0,8815 0,01149 6,8 2,1779 0,3838 0,0001448 570 Cap_6.4_FFI.indd 46 9/12/2008 22:01:15 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações u x 10-2 x 10-1 x 100 u x 10-2 x 10-1 x 100 3,2 2,8965 0,8583 0,01013 6,9 2,1643 0,3810 0,0001293 3,3 2,8668 0,8361 0,00893 7,0 2,1508 0,3738 0,0001155 3,4 2,8379 0,8147 0,00789 7,1 2,1376 0,3668 0,0001032 3,5 2,8099 0,7941 0,00697 7,2 2,1246 0,3599 0,00009219 3,6 2,7827 0,7745 0,00616 7,3 2,1118 0,3532 0,00008239 3,7 2,7563 0,7554 0,00544 7,4 2,0991 0,3467 0,00007364 3,8 2,7306 0,7371 0,00482 7,5 2,0867 0,3403 0,00006583 3,9 2,7056 0,7194 0,00426 7,6 2,0744 0,3341 0,00005886 4,0 2,6813 0,7024 0,00377 7,7 2,0623 0,3280 0,00005263 4,1 2,6576 0,6859 0,00334 7,8 2,0503 0,3221 0,00004707 4,2 2,6344 0,6700 0,00296 7,9 2,0386 0,3163 0,00004210 4,3 2,6119 0,6546 0,00263 8,0 2,0269 0,3106 0,00003767 4,4 2,5899 0,6397 0,00233 8,1 2,0155 0,3050 0,00003370 4,5 2,5684 0,6253 0,00207 8,2 2,0042 0,2996 0,00003015 4,6 2,5474 0,6114 0,00184 8,3 1,9930 0,2943 0,00002699 Anexo 6.4.4 Função W(u, r/B) r/B 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,015 0,02 u 0 ∞ 14,0474 12,6611 11,8502 11,2748 10,8286 10,4640 10,1557 9,8887 9,6532 9,4425 8,6319 8,0569 0,000001 13,2383 13,0031 12,4417 11,8153 11,2711 10,8283 10,4640 10,1557 9,8887 0,000002 12,5451 12,4240 12,1013 11,6716 11,2259 10,8174 10,4619 10,1554 9,8886 9,6532 0,000003 12,1397 12,0581 11,8322 11,5098 11,1462 10,7849 10,4509 10,1523 9,8879 9,6530 9,4425 0,000004 11,8520 11,7905 11,6168 11,3597 11,0555 10,7374 10,4291 10,1436 9,8849 9,6521 9,4422 0,000005 11,6289 11,5795 11,4384 11,2248 10,9642 10,6822 10,3993 10,1290 9,8786 9,6496 9,4413 0,000006 11,4465 11,4503 11,2866 11,1040 10,8764 10,6240 10,3640 10,1094 9,8686 9,6450 9,4394 0,000007 11,2924 11,2570 11,1545 10,9951 10,7933 10,5652 10,3255 10,0862 9,8555 9,6382 9,4361 8,6319 0,000008 11,1589 11,1279 11,0377 10,8962 10,7151 10,5072 10,2854 10,0602 9,8398 9,6292 9,4313 8,6318 0,000009 11,0411 11,0135 10,8059 10,8059 10,6416 10,4508 10,2446 10,0324 9,8219 9,6182 9,4251 8,6316 0,00001 10,9357 10,9109 10,8382 10,7228 10,5725 10,3963 10,2038 10,0034 9,8024 9,6059 9,4176 8,6313 8,0569 0,00002 10,2426 10,2301 10,1932 10,1332 10,0522 9,9530 9,8386 9,7126 9,5781 9,4383 9,2961 8,6152 8,0558 0,00003 9,8371 9,8288 9 8041 9,7635 9,7081 9,6392 9,5583 9,4671 9,3674 9,2611 9,1499 8,5737 8,0483 0,00004 9,5495 9,5432 9 5246 9,4940 9,4520 9,3992 9,3366 9,2653 9,1863 9,1009 9,0102 8,5168 8,0320 0,00005 9,3263 9,3213 9, 3064 9,2818 9,5480 9,2052 9,1542 9,0957 9,0304 8,9591 8,8827 8,4533 8,0080 0,00006 9,1440 9,1398 9,1274 9,1069 9,0785 9,0426 8,9996 8,9500 8,8943 8,8332 8,7673 8,3880 7,9786 0,00007 8,9899 8,9863 8,9756 8,9580 8,9336 8,9027 8,8654 8,8224 8,7739 8,7204 8,6625 8,3233 7,9456 0,00008 8,8563 8,8532 8,8439 8,8284 8,8070 8,7798 8,7470 8,7090 8,6661 8,6186 8,5669 8,2603 7,9105 0,00009 8,7386 8,7358 8,7275 8,7138 8,6947 8,6703 8,6411 8,6071 8,5686 8,5258 8,4792 8,1996 7,8743 0,0001 8,6332 8,6308 8,6233 8,6109 8,5938 8,5717 8,5453 8,5145 8,4796 8,4407 8,3983 8,1414 7,8375 0,0002 7,9402 7,9390 7,9352 7,9290 7,9203 7,9092 7,8958 7,8800 7,8619 7,8416 7,8192 7,6780 7,4972 0,0003 7,5348 7,5340 7,5315 7,5274 7,5216 7,5141 7,5051 7,4945 7,4823 7,4686 7,4534 7,3562 7,2281 0,0004 7,2472 7,2466 7,2447 7,2416 7,2373 7,2317 7,2249 7,2169 7,2078 7,1974 7,1859 7,1119 7,0128 0,0005 7,0242 7,0237 7,0222 7,0197 7,0163 7,0118 7,0063 6,9999 6,9926 6,9843 6,9750 6,9152 6,8346 0,0006 6,8420 6,9416 6,8403 6,8383 6,8353 6,8316 6,8271 6,8218 6,8156 6,8086 6,8009 6,7508 6,6828 0,0007 6,6879 6,6876 6,6865 6,6848 6,6823 6,6790 6,6752 6,6706 6,6653 6,6594 6,6527 6,6096 6,5508 0,0008 6,5545 6,5542 6,5532 6,5517 6,5495 6,5467 6,5433 6,5393 6,5347 6,5295 6,5237 6,4858 6,4340 0,0009 6,4368 6,4365 6,4357 6,4344 6,4324 6,4299 6,4269 6,4233 6,4192 6,4146 6,4094 6,,3757 6,3294 0,001 6,3315 6,3313 6,3305 6,3293 6,3276 6,3253 6,3226 6,3194 6,3157 6,3115 6,3069 6,2765 6,2347 0,002 5,6394 5,6393 5,6389 5,6383 5,6374 5,6363 5,6350 5,6334 6,6315 5,6294 5,6271 5,6118 5,5907 0,003 5,2349 5,2348 5,2346 5,2342 5,2336 5,2329 5,2320 5,2310 5,2297 5,2283 5,2267 5,2166 5,2025 0,004 4,9482 4,9482 4,9480 4,9477 4,9472 4,9467 4,9460 4,9453 5,9443 4,9433 4,9421 4,9345 4,9240 0,005 4,7261 4,7260 4,7259 4,7256 4,7253 4,7249 4,7244 4,7237 4,7230 4,7222 4,7212 4,7152 4,7068 0,006 4,5448 4,5448 4,5447 4,5444 4,5441 4,5438 4,5433 4,5428 4,5422 4,5415 4,5407 4,5357 4,5287 0,007 4,3916 4,3916 4,3915 4,3913 4,3910 4,3908 4,3904 4,3899 4,3894 4,3888 4,3882 4,3839 4,3779 0,008 4,2591 4,2590 4,2590 4,2588 4,2586 4,2583 4,2580 4,2576 4,2572 4,2567 4,2561 4,2524 4,2471 0,009 4,1423 4,1423 4,1422 4,1420 4,1418 4,1416 4,1413 4,1410 4,1406 4,1401 4,1396 4,1363 4,1317 0,01 4,0379 4,0379 4,0378 4,0377 4,0375 4,0373 4,0371 4,0368 4,0364 4,0360 4,0356 4,0326 4,0285 0,02 3,3547 3,2547 3,3547 3,3546 3,3545 3,3544 3,3542 3,3542 3,3540 3,3538 3,3536 3,3521 3,3502 0,03 2,9591 2,9591 2,9591 2,9490 2,9590 2,9589 2,9589 2,9588 2,9587 2,9585 2,9584 2,9575 2,9562 0,04 2,6813 2,6812 2,6812 2,6812 2,6812 2,6811 2,6810 2,6810 2,6809 2,6808 2,6807 2,6800 2,6791 0,05 2,4679 2,4679 2,4679 2,4679 2,4678 2,4678 2,4678 2,4677 2,4676 2,4676 2,4675 2,4670 2,4662 0,06 2,2953 2,2953 2,2953 2,2953 2,2952 2,2952 2,2952 2,2952 2,2951 2,2950 2,2950 2,2945 2,2940 0,07 2,1508 2,1508 2,1508 2,1508 2,0508 2,1508 2,1507 2,1507 2,1507 2,1506 2,1506 2,1502 2,1497 0,08 2,0269 2,0269 2,0269 2,0269 2,0269 2,0269 2,0269 2,0268 2,0268 2,0268 2,0267 2,0264 2,0260 0,09 1,9187 1,9187 1,9187 1,9187 1,9187 1,9187 1,9187 1,9186 2,9186 2,9186 1,9185 1,9183 1,9179 0,1 1,8229 1,8229 1,8229 1,8229 1,8229 1,8229 1,8229 1,8228 1,8228 1,8228 1,8227 1,8225 1,8222 0,2 1,2227 1,2227 1,2227 1,2226 1,2226 1,2226 1,2226 1,2226 1,2226 1,2226 1,2226 1,2225 1,2224 0,3 0,9057 0,9057 0,9057 0,9057 0,9057 0,9057 0,9057 0,9257 1,9056 1,9056 0,9056 0,9056 0,9055 0,4 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7024 0,7023 0,7023 0,5 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5598 0,5597 0,5597 0,6 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4544 0,4543 0,7 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3738 0,3737 0,8 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 0,3106 571 Cap_6.4_FFI.indd 47 9/12/2008 22:01:16 Capítulo 6.4 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Homogêneos r/B 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,015 0,02 u 0,9 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 0,2602 1,0 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 0,2194 2,0 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 0,0489 3,0 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 4,0 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 5,0 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 6,0 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 7,0 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 8,0 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 r/B 0,090 0,095 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 u 0,0000 5,0620 4,9553 4,8541 4,9601 3,5054 3,0830 2,7449 2,4654 2,2291 2,0258 1,8488 1,6931 1,5550 0,0002 5,0620 4,9553 0,0003 5,0619 4,9552 4,8541 0,0004 5,0610 4,9547 4,8539 0,0005 5,0585 4,9532 4,8530 0,0006 5,0539 4,9502 4,8510 4,0601 0,0007 5,0471 4,9454 4,8478 4,0600 0,0008 5,0381 4,9388 4,8430 4,0599 0,0009 5,0272 4,9306 4,8368 4,0598 0,001 5,0133 4,9208 4,8292 4,0595 3,5054, 0,002 4,8475 4,7778 4,7079 4,0445 3,5043 3,0830 27449, 0,003 4,6707 4,6169 4,5622 4,0092 3,4969 3,0821 2,7448 0,004 4,5111 4,4676 4,4230 3,9551 3,4806 3,0788 2,7444 2,4654 2,2291 0,005 4,3699 4,3335 4,2960 3,8821 3,4567 3,0719 2,7428 2,4651 2,2290 0,006 4,2446 4,2134 4,1812 3,8384 3,4274 3,0614 2,7398 2,4644 2,2289 2,0258 0,007 4,1326 4,1053 4,0771 3,7529 3,3947 3,0476 2,7350 2,4630 2,2286 2,0257 0,008 4,0315 4,0073 3,9822 3,6903 3,3598 3,0311 2,7284 2,4608 2,2279 2,0256 1,8188 0,009 3,9395 3,9178 3,8952 3,6302 3,3239 3,0126 2,7202 2,4576 2,2269 2,0253 1,8487 0,01 3,8552 3,8356 3,8150 3,5725 3,2875 2,9925 2,7104 2,4534 2,2253 2,0248 1,8486 1,6931 1,5550 0,02 3,2647 3,2547 3,2442 3,1158 2,9521 2,7658 2,5688 2,3713 2,1809 2,0023 1,8379 1,3883 1,5530 0,03 2,9007 2,8941 2,8873 2,80117 2,6896 2,5571 2,4110 2,2578 2,1031 1,9515 1,8062 1,6695 1,5423 0,04 2,6386 2,6338 2,6288 2,5655 2,4816 2,3802 2,2661 2,1431 2,0155 1,8869 1,7603 1,6379 1,5213 0,05 2,4347 2,4310 2,4271 2,3776 2,3110 2,2299 2,1371 2,0356 1,9283 1,8181 1,7075 1,5985 1,4927 0,06 2,2684 2,2654 2,2622 2,2218 2,1673 2,1002 2,0227 1,9369 1,8452 1,7497 1,6524 1,5551 1,4593 0,07 2,1284 2,1258 2,1232 2,0894 2,0435 1,9867 1,9206 1,8469 1,7673 1,6835 1,5973 1,5101 1,4232 0,08 2,0078 2,0056 2,0034 1,9745 1,9351 1,8861 1,8290 1,7646 1,6947 1,6206 1,5436 1,4650 1,3860 0,09 1,9022 1,9003 1,8983 1,8732 1,8389 1,7961 1,7460 1,6892 1,6272 1,5609 1,4918 1,4206 1,3486 0,1 1,8084 1,8067 1,8050 1,7829 1,7527 1,7149 1,6704 1,6198 1,5644 1,5048 1,4422 1,3774 1,4115 0,2 1,2168 1,2162 1,2155 1,2066 1,1944 1,1789 1,1602 1,1387 1,1145 0,0879 1,0592 1,0286 0,9964 0,3 0,9025 0,9022 0,9018 0,8969 0,8902 0,8817 0,8713 0,8593 0,8457 0,8306 0,8142 0,7964 0,7775 0,4 0,7004 0,7002 0,7000 0,6969 0,6927 0,6874 0,6809 0,6733 0,6647 0,6551 0,6446 0,6332 0,6209 0,5 0,5584 0,5583 0,5581 0,5561 0,5532 0,5496 0,5453 0,5402 0,5344 0,5278 0,5206 0,5128 0,5044 0,6 0,4534 0,4533 0,4532 0,4518 0,4498 0,4472 0,4441 0,4405 0,4364 0,4317 0,4266 0,4210 0,4150 0,7 0,3731 0,3730 0,3729 0,3719 0,3704 0,3685 0,3663 0,3636 0,3606 0,3572 0,3534 0,3493 0,3449 0,8 0,3101 0,3100 0,3100 0,3092 0,3081 0,3067 0,3050 0,3030 0,3008 0,2982 0,2953 0,2922 0,2889 0,9 0,2598 0,2597 0,2597 0,2591 0,2583 0,2572 0,2559 0,2544 0,2527 0,2507 0,2485 0,2461 0,2463 1,0 0,2191 0,2190 0,2190 0,2186 0,2179 0,2171 0,2161 0,2149 0,2135 0,2120 0,2103 0,0285 0,2065 2,0 0,0489 0,0488 0,0488 0,0488 0,0487 0,0486 0,0485 0,0484 0,0482 0,0480 0,0477 0,0475 0,0473 3,0 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0130 0,0129 0,0129 0,0128 0,0128 0,0127 4,0 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0038 0,0068 0,0038 0,0037 0,0037 0,0037 0,0037 5,0 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 6,0 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 7,0 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 8,0 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 572 Cap_6.4_FFI.indd 48 9/12/2008 22:01:16 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações r/B 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 u 0,00 1,4317 1,3210 1,2212 1,1307 1,0485 0,9735 0,9049 0,8420 0,4276 0,2278 0,1247 0,0695 0,0392 0,01 1,4317 1,3210 1,2212 1,1307 1,0485 0,02 1,4309 1,3207 1,2210 1,1306 1,0484 0,9735 0,9049 0,03 1,4251 1,3177 1,2195 1,1299 1,0481 0,9833 0,9048 0,8420 0,04 1,4117 1,3094 1,2146 1,1270 1,0465 0,9724 0,9044 0,8418 0,05 1,3914 1,2955 1,2052 1,1210 1,0426 0,9700 0,9029 0,8409 0,06 1,3663 1,2770 1,1919 1,1116 1,0362 0,9657 0,9001 0,8391 0,07 1,3380 1,2551 1,1754 1,0993 1,0272 0,9593 0,8956 0,8360 0,4276 0,08 1,3078 1,2310 1,1564 1,0847 1,0161 0,9510 0,8895 0,8316 0,4275 0,09 1,2766 1,2054 1,1358 1,0682 1,0032 0,9411 0,8819 0,8259 0,4274 0,1 1,2451 1,1791 1,1140 1,0505 0,9890 0,9297 0,8730 0,8190 0,4271 0,2278 0,2 0,9629 0,9284 0,8932 0,8575 0,8216 0,7857 0,7501 0,7148 0,4135 0,2268 0,1247 0,0695 0,3 0,7577 0,7369 0,7154 0,6932 0,6706 0,6476 0,6244 0,6010 0,3812 0,2211 0,1240 0,0694 0,4 0,6080 0,5943 0,5801 0,5653 0,5501 0,5345 0,5186 0,8024 0,3411 0,2096 0,1217 0,0691 0,0392 0,5 0,4955 0,4860 0,4761 0,4658 0,4550 0,4440 0,4326 0,4210 0,3007 0,1944 0,1174 0,0681 0,0390 0,6 0,4086 0,4018 0,3946 0,3871 0,3793 0,3712 0,3629 0,3543 0,2630 0,1774 0,1112 0,0664 0,0386 0,7 0,3401 0,3351 0,3297 0,3242 0,3183 0,3123 0,3060 0,2996 0,2292 0,1602 0,1040 0,0639 0,0379 0,8 0,2853 0,2815 0,2774 0,2732 0,2687 0,2641 0,2592 0,2543 0,1994 0,1436 0,0961 0,0607 0,0368 0,9 0,2408 0,2378 0,2347 0,2314 0,2280 0,2244 0,2207 0,2168 0,1734 0,1281 0,0881 0,0572 0,0354 1,0 0,2043 0,2020 0,1995 0,1970 0,1943 0,1914 0,1885 0,1885 0,1509 0,1139 0,0803 0,0534 0,0338 2,0 0,0470 0,0467 0,0463 0,0460 0,0456 0,0452 0,0448 0,0444 0,0394 0,0335 0,0271 0,0210 0,0156 3,0 0,0127 0,0126 0,0125 0,0125 0,0124 0,0123 0,0123 0,0122 0,0112 0,0100 0,0086 0,0071 0,0057 4,0 0,0037 0,0037 0,0037 0,0037 0,0036 0,0036 0,0036 0,0036 0,0034 0,0031 0,0027 0,0024 0,0020 5,0 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0011 0,0010 0,0030 0,0009 0,0008 0,0007 6,0 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0004 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 7,0 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 8,0 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 r/B 4,0 4,5 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 u 0,0 0,0223 0,0128 0,0074 0,0025 0,0008 0,0003 0,0001 0,5 0,0223 0,6 0,0222 0,0128 0,7 0,0221 0,0127 0,8 0,0218 0,0127 0,0074 0,9 0,0213 0,0125 0,0073 1,0 0,0207 0,0123 0,0073 0,0025 2,0 0,0112 0,0077 0,0051 0,0021 0,0008 0,0003 3,0 0,0045 0,0034 0,0025 0,0012 0,0006 0,0002 4,0 0,0016 0,0013 0,0010 0,0006 0,0003 0,0002 0,0001 5,0 0,0006 0,0005 0,0004 0,0002 0,0001 0,0001 0,0000 6,0 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001 0,0000 7,0 0,0001 0,0001 0,0001 0,0000 0,0000 8,0 0,0000 0,0000 0,0000 573 Cap_6.4_FFI.indd 49 9/12/2008 22:01:16 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.5 AnÁlIse de Fluxo pArA poços em meIos Heterogêneos João Manoel Filho 6.5.1 Introdução revelam dimensões fractais semelhantes no intervalo de 1,3 - 1,7. A faixa de variação da dimensão fractal indica que um único processo físico de fraturamento Aexplo tação de água sub te r rânea , da rocha atua sobre uma ampla faixa de escalas, petróleo e gás e a injeção de resíduos de desde fissuras microscópicas até grandes sistemas materiais tóxicos em redes de fraturas de de falhas regionais. rochas cristalinas, requerem modelos quantitativos O reconhecimento de que as redes de fraturas para descrever e prever o movimento dos fluidos na de rochas cristalinas são fractais possibilita o uso de rocha. Na tentativa de entender o fluxo nesses sistemas, dados de um furo pontual (poço numa fratura aleatória os pesquisadores geralmente procuram descrever unidimensional) para prever as escalas bidimensional e a geometria das fraturas, identificando orientações, tridimensional do sistema de fraturas. Segundo Barton conectividade, aberturas, asperezas (rugosidades), (2001), op.cit, a reconstrução da história de uma fratura espaçamentos e efeitos “pele”, quando presentes. em um ponto de conectividade inicial (poço) através da A caracterização desses parâmetros em campo rede (percolação) tem uma dimensão fractal de 1,35. não é fácil, razão pela qual foram propostos alguns Em consonância com as pesquisas mais recentes, o modelos conceituais para abordar o problema, como capítulo apresenta o método da capacidade específica por exemplo: i) modelos de placas paralelas; ii) fractal (Manoel Filho, 1996) e, a partir do mesmo, avalia modelos de meio poroso equivalente (conceitualmente os parâmetros hidráulicos do meio fraturado, aplicando simples, porém, simplificados demais); iii) modelos um modelo determinista a um condutor hidráulico de fraturas discretas (limitados pelas dificuldades de bidimensional de meio homogêneo contínuo de dupla se avaliar em campo as propriedades hidráulicas); iv) porosidade (Boulton & Streltsova, 1977). modelos teóricos com dados sintéticos (tipo fractais É também apresentado um modelo aleatório e outros); e v) modelos de dupla porosidade (são de meio heterogêneo, para um condutor hidráulico os mais úteis no sentido inverso, isto é, analisam as bidimensional. Esse modelo parte da equação de respostas do sistema). Rorabaugh (1953) e desenvolve uma nova equação Os modelos de fluxo radial, tanto os de geometria na qual os coeficientes da descarga fractal constante, conhecida quanto os de geometria, a priori, desconhecida, são funções temporais fractais auto-afins. Resultados se baseiam em hipóteses de homogeidade e isotropia e similares aos encontrados por Barton (2001 op.cit) de validade da lei de Darcy em todo o domínio de fluxo, para a dimensão fractal, foram obtidos no Ceará, o que conduz à aplicação de equações diferenciais usando, dados de testes de produção realizados no parciais análogas da equação do calor. granito Meruoca. A avaliação dos parâmetros por esse Tais modelos não são considerados adequados método, de uma forma independente de escala, ainda para estudar os processos mais rápidos de fluxo é um assunto de pesquisa aberta na hidrogeologia. através de redes de fraturas. Esse tipo de fluxo não é uma simples função das características das fraturas em nenhuma escala específica, mas é o 6.5.2 Conceitos Básicos resultado da integração da contribuição das fraturas Classificação dos meios Fraturados em todas as escalas (Barton, 2001). Pesquisas recentes mostram que traços de fratura mapeados Os aqüíferos fraturados ou fissurados, incluem em planos bidimensionais através de redes naturais muitos tipos de formações geológicas. Nas rochas tridimensionais em rochas cristalinas, seguem uma plutônicas, vulcânicas, carbonáticas e em muitos lei de escala fractal até seis ordens de magnitude. folhelhos, as fraturas são, tipicamente, as únicas Medidas detalhadas em 17 amostras bidimensionais responsáveis pela permeabilidade. As fraturas de redes de fraturas (em diversas escalas em rochas também podem constituir os caminhos hidráulicos de diferentes idades, litologias e contexto tectônico) dominantes em rochas normalmente consideradas de 575 Cap_6.5_FFI.indd 1 9/12/2008 22:03:44 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos meio poroso intergranular, como por exemplo, arenitos e solos. Portanto, os meios porosos dominados por (a) fraturas podem ocorrer nos mais diversos materiais. Podem ser classificados em 4 (quatro) categorias: Formação Fraturada Formação Fraturada - é aquela cujas propriedades de condução do fluido estão associadas com uma condutividade hidráulica de fratura Kf, e cujas Kf >> Km propriedades de armazenamento estão ligadas à Sf < Sm porosidade primária ou da matriz sm, da massa rochosa (figura 6.5.1a). Ou seja, o fluxo é controlado pelas fraturas, mas o fluido é armazenado principalmente na matriz. Nesse contexto, o termo formação não implica (b) em formação geológica, e, sim, em unidade aqüífera Meio Simplesmente ou unidade de armazenamento de petróleo. Aliás, essa Fraturado designação (formação fraturada) é usada na geologia do petróleo para camadas de areia com gás, de folhelhos porosos, rochas vulcânicas extrusivas e turfa. Dependendo da relação entre as características dos Kf > 0 e Km = 0 blocos porosos e das fissuras, a formação fraturada Sf > 0 e Sm = 0 pode constituir os tipos descritos a seguir. meio simplesmente Fraturado - é um meio no qual a condutividade hidráulica e o armazenamento (c) do fluido estão inteiramente nas fraturas. As propriedades, de condução e armazenamento na Meio matriz, são desprezíveis (figura 6.5.1b). Exemplos de Dupla Porosidade incluem rochas ígneas e metamórficas de alto grau, como granitos, gnaisses, migmatitos e algumas rochas vulcânicas. Kf > Km meio de dupla-porosidade - nesse meio, tanto as Sf << Sm propriedades das fraturas quanto as propriedades dos blocos são levadas em conta, mas a condutividade hidráulica total é devida, principalmente, às fraturas. A maior parte do fluido, todavia, é armazenada na (d) matriz (figura 6.5.1c). São considerados aqüíferos de dupla-porosidade arenitos fraturados, alguns Meio Heterogêneo basaltos e carbonatos. A modelagem é mais difícil, porque os fluxos precisam ser quantificados tanto nas fraturas quanto na matriz. Kf < Km meio Heterogêneo - o meio fraturado é dito heterogêneo quando as fraturas estão preenchidas Sf  Sm com material pouco permeável (figura 6.5.1d), ou menos permeável do que a matriz. Esse meio pode ser modelado como um meio poroso equivalente, Figura 6.5.1 - Classificação dos meios fraturados (modificado no qual o fluxo nas fraturas não precisa ser de Streltsova, 1976). especificamente modelado. pele de Fratura - é um conceito que se aplica a uma película ou zona muito delgada, imediatamente Classificação e propriedades das Fraturas abaixo da superfície fraturada, que é alterada por deposição mineral de argilas detríticas ou infiltradas. As formações fraturadas ocorrem mundialmente Essa fina camada pode ter propriedades hidráulicas como hospedeiras e condutoras de f luidos, muito diferentes das propriedades da matriz da principalmente água e petróleo. Em geral, na parte rocha inalterada. Segundo Sharp Jr. (1993), diversos mais superior da superfície da terra, ocorre uma autores comprovaram que esse efeito dificulta o grande variedade de fissuras naturais, formando intercâmbio de fluido entre as fraturas e os blocos sistemas de orientação bem definida, ao longo de porosos, particularmente na zona saturada. Além grandes distâncias e volumes de rochas. Tais sistemas disso, também retarda o movimento de solutos entre podem ser classificados em três grandes classes, as fraturas e a matriz. discriminadas a seguir: 576 Cap_6.5_FFI.indd 2 9/12/2008 22:03:44 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • fraturas regionais ortogonais, associadas ao Abertura - é a distância ortogonal entre as paredes desenvolvimento estrutural de toda uma região; da fratura (figuras 6.5.2; e 3.2.1 no capítulo 3.2). • fraturas associadas com falhas e dobras; rugosidade - é produzida pelas irregularidades • fraturas associadas com fenômenos de dissecação, existentes na superfície da fratura. Tende a reduzir a variação de temperatura e perda de massa velocidade do fluido e a criar canais de fluxo preferencial (erosão). (figura 6.5.2; e 3.2.2 no capítulo 3.2). As fraturas regionais apresentam-se geralmente Canalização - é o processo pelo qual o fluxo de contínuas, como uma simples ruptura ou como uma fluido em um meio fraturado assume um caminho zona de quebramento de grande extensão, podendo preferencial ou canal. Portanto, as velocidades de fluxo atravessar verticalmente várias camadas. A orientação podem ser altamente irregulares e os caminhos do dos sistemas de fraturas regionais ortogonais é quase fluxo, simplesmente imprevisíveis. Na verdade, essa sempre controlada pela sedimentação primária das canalização é controlada pela geometria individual formações. As fraturas associadas com falhas e das fraturas, pela fonte de recarga das mesmas e pelo dobras exibem muitos padrões, variando desde gradiente hidráulico (figura 6.5.2). grandes fraturas individuais, com orientação única, até Conectividade - a eficiência hidráulica de um fraturas distribuídas em conjuntos com espaçamentos sistema de fraturas está diretamente ligada ao seu e orientações diversas, podendo armazenar e conduzir grau de interconectividade. Quanto maior o tamanho fluidos por grandes distâncias. de uma fratura, maior a sua chance de interconectar Os reservatórios subterrâneos nos quais a produção uma outra. Assim, o índice de conectividade de uma de fluido é devida à presença de fraturas são rede de fraturas pode ser definido como o número chamados reservatórios fraturados ou aqüíferos médio de interseções por fratura, ponderado pelo fraturados. Adotam-se, ainda, as denominações de tamanho (diâmetro) da fratura. Esse índice pode ser aqüífero fissural (capítulo 3.2), em escala regional ou facilmente calculado considerando-se as propriedades megascópica, e condutor hidráulico fraturado, em estatísticas de um disco de Poisson, da rede de escala de afloramento ou mesoscópica. fraturas (Guerin & Billaux, 1993). Uma outra maneira de A caracterização de sistemas de fraturas geralmente estimar a conectividade é avaliando as características consiste na avaliação de parâmetros geométricos, terminais e de ligação entre cada par de fraturas (figura numa tentativa de identificar um padrão estrutural 6.5.3a ) e representando essas características em um para o domínio de fluxo. Os resultados práticos diagrama triangular. Barton et al. (1987), classificam têm demonstrado que, objetivamente, pouco se as terminações das fraturas em: cegas, convergentes pode garantir quanto à eficácia dessa metodologia e cruzadas (figura 6.5.3b). Laubach (1992) reúne as puramente descritiva da geométrica do domínio, na convergentes e cruzadas com o nome de conectadas, compreensão da distribuição das cargas hidráulicas e, considerando que as terminações muitas vezes são no espaço e no tempo. Muitos autores parecem interdigitadas, sugere a classificação ternária de cega, concordar que uma caracterização adequada do difusa e conectada (figura 6.5.3c). meio fraturado exige o conhecimento da orientação, da freqüência (ou densidade), do tamanho e do grau de interconectividade das fraturas. Segundo Sharp Jr. (1993), o uso de fotografias aéreas para locar poços, que é uma das ferramentas mais empregadas, é apenas qualitativo, sugerindo como métodos quantitativos, avaliações dos parâmetros descritos a seguir. orientação - pode ser definida através de diagramas de roseta ou diretamente sobre os mapas geológicos, usando termos como direção e mergulho. densidade - a densidade de fraturas é um parâmetro que supostamente quantifica o número de fraturas presentes em um certo volume de rocha. A sua estimativa não é fácil, já que os traços das fraturas nem sempre podem ser contados numa superfície ortogonal aos mesmos. O número de fraturas que atravessa uma certa distância, define o seu espaçamento. Supondo que todas as fraturas estejam abertas (isto é, sem qualquer preenchimento por materiais de baixa permeabilidade), a condutividade hidráulica deve ser Figura 6.5.2 - Ilustração da abertura, rugosidade e proporcional à sua densidade. canalização do fluxo em uma fratura. 577 Cap_6.5_FFI.indd 3 9/12/2008 22:03:44 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos por exemplo, da redução da permeabilidade das fraturas com a profundidade (Davis & Turc, 1964), sob o argumento de que a tensão efetiva local (em profundidade) comprime as fraturas, enquanto que o intemperismo das fraturas próximo à superfície, cria aberturas mais largas. E se as fraturas estiverem preenchidas por fluido em profundidade? Em muitas situações encontram-se, em profundidade, zonas fraturadas de alta permeabilidade (maior do que se observa na superfície do terreno) contendo água sob pressão (por exemplo, o aqüífero termal de Caldas Novas - GO). Outros autores destacam as influências do relevo ao afirmar (Yin & Brook, 1992, apud Sharp Jr., 1993) que em áreas de rochas cristalinas de alto grau, os vales ocorrem tipicamente em áreas de fraturamento mais intenso e, portanto, de maior permeabilidade. Admite-se que a condutividade hidráulica é um tensor de segunda ordem. Nas zonas mais intensamente fraturadas, a anisotropia tende a ser menor. Teoricamente, fraturas mais longas, maiores densidades de fraturas e aberturas mais largas, aumentam a condutividade hidráulica. Mas, é preciso lembrar que essas características variam no espaço e no tempo e que muitas restrições geológicas passíveis de interferir, quase nunca são consideradas na análise de sistemas de fraturas. porosidade - a determinação de porosidade também se faz usando modelos conceituais. A exemplo da condutividade hidráulica, a caracterização da porosidade de um sistema fraturado, não é tão simples como se possa pensar. Em primeiro lugar, é preciso distinguir: porosidade matricial (ou dos blocos Figura 6.5.3 - Avaliação da conectividade de fraturas usando os diagramas triangulares de Barton & Hsieh (1989) e de porosos) e porosidade das fraturas. Norton & Knapp Laubach (1992), apud Sharp Jr. (1993). (1977) distinguem ainda: i) a porosidade efetiva das fraturas ou porosidade que controla o fluxo de fluido nas fraturas; ii) porosidade de difusão, ou porosidade que contribui para o fluxo de fluido e de soluto sem pele - está comprovado, por observações de obedecer à lei de Darcy; e iii) porosidade residual, ou campo, que o movimento da água ao longo das dos poros isolados. Estimativas de porosidade efetiva fraturas pode alterar a superfície das paredes e produzir de fraturas são necessárias para fazer avaliações preenchimentos, formando uma película ou pele. Isto consistentes dos tempos de trânsito de solutos. Sharp significa que a permeabilidade pode mudar com o Jr. (1993), considera que os métodos atualmente tempo. Depósitos de óxidos de ferro e manganês e disponíveis para estimar a porosidade de fraturas em coberturas de argilas detríticas na superfície de fraturas campo (restritos a testes de bombeamento e testes foram observadas por alguns autores em turfas e com traçadores) ainda deixam a desejar. arenitos (Sharp Jr., 1993). Como quantificar essas A capacidade dos reservatórios de armazenar influências, ao que parece, ainda não se sabe. líquidos depende das propriedades elásticas da formação e do estado de tensão da rocha sob uma propriedades Hidráulicas dada pressão efetiva. Uma redução na pressão do reservatório produz uma compressão da formação e Os parâmetros hidrogeológicos fundamentais são uma expansão do fluido, enquanto que um aumento a condutividade hidráulica e a porosidade, ambos das da pressão aumenta a concentração de tensão no fraturas e das “peles” das fraturas. contato dos grãos, expandindo a rede de poros e Condutividade Hidráulica - a estimativa desse comprimindo os líquidos de saturação da rocha. Por parâmetro é feita a partir de modelos conceituais. A conseguinte, a porosidade é afetada por qualquer respeito desse parâmetro existem alguns conceitos variação de pressão no reservatório. A porosidade aparentemente aceitos por muitos autores, mas dos reservatórios, segundo Pirson (1953), pode ser que nem sempre se verificam na prática. É o caso, classificada em três tipos: 578 Cap_6.5_FFI.indd 4 9/12/2008 22:03:45 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • intergranular, consistindo dos espaços vazios entre propriedades Hidromecânicas os grãos minerais da rocha; As fraturas quebram a massa rochosa em blocos • vesicular, formada por vazios produzidos por de tamanhos diversos e alteram profundamente o intemperismo; e mecanismo de fluxo de fluido dentro da formação. • de fraturas ou fissuras, representada por vazios Supondo a geometria do espaço poroso como um meio macroscópicos, produzidos por fissuras e ou juntas, estatisticamente homogêneo, é possível considerar como não havendo distinção entre os tipos genéricos de uniformes as características do fluxo em qualquer porosidade. seção do meio poroso. Alguns autores consideram uma porosidade Os blocos porosos e as fissuras possuem planar, definida como uma porosidade entre superfícies propriedades hidromecânicas diferentes e por isso, regulares ou irregulares, tais como juntas, clivagens, em conjunto, respondem às influências externas (por falhas, diáclases. Essa porosidade planar ainda é dividida exemplo, bombeamento) de uma maneira diferente em dois grupos: i) planar de fissura, devida à dissolução daquela que responde um meio homogêneo. O ao longo da superfície considerada; e ii) planar de fratura, fluxo de fluido na fissura e no bloco poroso, possui devida a forças de tensão de falhas e juntas. características distintas. A porosidade intergranular é também conhecida Na análise de um aqüífero fraturado, é fundamental como primária ou original, porque representa uma saber em que lugar se faz (ou se calcula) a medida característica intrínseca da rocha. Os outros tipos de de pressão. Ou seja, se é em uma fratura ou em uma porosidade (vesicular, de fraturas ou fissuras), são seção de porosidade meramente intergranular. geralmente conhecidas como secundárias. A diferença entre a rápida (quase instantânea) A porosidade de fraturas se desenvolve sob resposta das fraturas às mudanças de pressão e a diferentes condições geológicas. As rochas lenta resposta (retardada) dos blocos porosos, resulta hospedeiras, além de apresentarem um sistema em um diferencial de pressão que induz um fluxo de fraturas contemporâneo com a sua origem, são, dos blocos porosos para as fissuras. Esse fluxo é um geralmente, quebradas por juntas que dividem a processo transiente, produzido pelo ajuste das pressões massa rochosa em lâminas paralelas à superfície nos blocos e nas fissuras, cuja duração depende das do terreno, e com espessura crescente com a propriedades elásticas bem como das condutividades profundidade. hidráulicas e dimensões, dos blocos e das fissuras. Durante os movimentos tectônicos, a deformação da rocha pode originar fraturas individualizadas ou Condutividade Hidráulica e permeabilidade sistemas locais de fraturas. Aberturas esferoidais em meios Isotrópicos irregulares ou tubos curvilíneos alongados, como canais de dissolução, são comumente encontrados O coeficiente de proporcionalidade que aparece em lavas e em rochas carbonáticas. Segundo em várias formas da lei de Darcy é chamado Streltsova-Adams (1978), existe ampla literatura sobre condutividade hidráulica (capítulo 2.1) e pode ser classificação e origem dos espaços porosos em geral definido como a descarga específica que ocorre sob e sobre os espaços fraturados, em particular. No que um gradiente hidráulico unitário (L3L-2T-1). Como esse se refere às fraturas, pode-se considerar as principais coeficiente expressa a facilidade com que um fluido é características como sendo: transportado através da matriz porosa, ele depende • a extensão das fraturas, que pode cobrir distâncias das propriedades do fluido e da matriz porosa. As propriedades relevantes do fluido são a densidade de menos de 1 km até dezenas de quilômetros; r (kg/m3) e a viscosidade dinâmica m (kg/m.s) ou, em • os padrões de fraturas, que podem ser similares aos forma combinada, a viscosidade cinemática n = m/r sistemas de juntas, mas um conjunto de fraturas em (m2/s). Na tabela 6.5.1, são apresentados alguns geral tende a ser dominante; valores das principais propriedades físicas da água à pressão atmosférica. A condutividade hidráulica é • os tipos de rochas fraturadas, que variam desde expressa por: folhelhos, arenitos e calcários, até rochas metamórficas e ígneas; krg kg K = = (6.5.1) • a profundidade dos reservatórios fraturados, que pode m n variar de menos de 300 m a mais de 6.000 m; e Na equação (6.5.1), k é a permeabilidade intrínseca • a imprecisão na descrição de uma fratura, que ou, simplesmente, permeabilidade da matriz porosa, jamais pode ser completa (Snow, 1962), ou seja, cujas propriedades relevantes são, principalmente, a não se pode dizer que as fraturas são paralelas, distribuição do tamanho dos grãos (ou dos poros), planas, uniformes, suaves, regularmente espaçadas a forma dos grãos (ou dos poros), a tortuosidade, ou descontínuas etc. superfície específica e porosidade. 579 Cap_6.5_FFI.indd 5 9/12/2008 22:03:45 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos temperatura densidade peso específico Viscosidade dinâmica Viscosidade cinemática ºC Kg/m3 n/m3 n X s/m² m²/s 0 1.000 9.810 1,79E-03 1,79E-06 5 1.000 9.810 1,51E-03 1,51E-06 10 1.000 9.810 1,31E-03 1,31E-06 15 999 9.800 1,14E-03 1,14E-06 20 998 9.790 1,00E-03 1,00E-06 25 997 9.781 8,91E-04 8,94E-07 30 996 9.771 7,97E-04 8,00E-07 35 994 9.751 7,20E-04 7,24E-07 40 992 9.732 6,53E-04 6,58E-07 50 988 9.693 5,05E-01 5,53E-07 60 983 9.643 4,66E-04 4,74E-07 70 978 9.594 4,04E-04 4,13E-07 80 972 9.535 3,54E-04 3,64E-07 90 965 9.467 3,15E-04 3,26E-07 100 958 9.398 2,82E-04 2,94E-07 tabela 6.5.1 - Propriedades físicas da água à pressão atmosférica. Quando k varia no espaço, isto é, k = k(x, y, z), diz- Em três dimensões: se que o meio poroso é heterogêneo e quando, em qx  Kxx Kxy Kxz  ∂f ∂x algum ponto, k varia com a direção, diz-se que o meio q  = - K K K   é anisotrópico .  y   yx yy yz  ∂f ∂y (6.5.5) q  z  K  zx Kzy Kzz  ∂f ∂z Maiores detalhes sobre heterogeneidade e anisotropia são apresentados no capítulo 2.1. Na Em duas dimensões: engenharia do petróleo, a unidade de k é o Darcy, qx  K= - xx Kxy  ∂f ∂x definido da expressão: q  K K  ∂f ∂  (6.5.6) y   yx yy   y  cm3 / s  1 × (1centipoise)  cm 2   direção principal - diz-se que uma direção no espaço, 1darcy =  1atmosfera  especificada por um vetor unitário 1u (de componentes ui   = (cos α, cos β, cos γ) é uma direção principal se o vetor  cm  associado kijui é paralelo a 1u ou se esse vetor pode ser (6.5.2) N.s escrito na forma Ku sendo K um escalar. 1atmosfera = 1,0132 ×105 i m2 Quando as direções principais de anisotropia de um N.s 1centipoise = 10-3 meio poroso (expressas pela condutividade hidráulica m2 ou pela permeabilidade ) são usadas como sistema de coordenadas, o tensor simétrico K se escreve:  m3Q s  N.s m  m2  m2  Kx 0 0  k = A =    =  2   D  m  (6.5.3) K = 0 Ky 0 (6.5.7)p  N / m2     D    0 0 Kx m z   As componentes do vetor descarga específica q Condutividade Hidráulica e permeabilidade são: em meios Anisotrópicos = ∂f = ∂f = ∂fqx Kx qy Ky qz Kz (6.5.8) A permeabilidade k [L²] e a condutividade hidráulica ∂x ∂y ∂z K [L/T] são tensores simétricos de segunda ordem. Assim, em meio anisotrópico, os vetores descarga Se o meio é homogêneo, a lei de Darcy generalizada específica q e o vetor gradiente hidráulico ∇f não são é expressa por: colineares. O ângulo entre eles é dado por: q = -K∇f ou qi=-Kij∇fi θ = q∇f ( ) (6.5.4) cos = (6.5.9)i 1, 2, 3 ≡ x,y,z q ∇f 580 Cap_6.5_FFI.indd 6 9/12/2008 22:03:45 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Quando x, y, z são direções principais de condutividade hidráulica, a equação (6.5.4) q = - K.∇f se escreve da seguinte forma: qx  Kx 0 0  ∂f ∂x q = q      y  =  0 Ky 0  ∂f ∂y (6.5.10) q  z   0 0 K   z  ∂f ∂z Condutividade Hidráulica direcional A equação de Darcy (6.5.4) em meio isotrópico é indicativa de que o fluxo tem a direção do gradiente hidráulico, porque o vetor q e o vetor gradiente hidráulico ∇f são colineares (o ângulo θ = 0 e cos θ =1). No meio anisotrópico, o ângulo entre esses vetores é diferente de zero (θ ≠ 0) e dois casos são considerados, com base na lei de Darcy: i) Condutividade hidráulica na direção do fluxo Figura 6.5.5 - Condutividade hidráulica na direção do - neste caso, pode-se notar que a condutividade gradiente hidráulico: a) vetor gradiente hidráulico, suas hidráulica Kq é o coeficiente de proporcionalidade direta componentes e ângulos diretores de sua direção; b) entre o fluxo e a componente do gradiente na direção condutividade hidráulica como fator de proporcionalidade do fluxo (figura 6.5.4b). inversa entre o gradiente hidráulico e a componente do fluxo na direção do gradiente hidráulico. q q = Kq ∇f cosθ ou Kq = (6.5.11)∇θ cosθ 6.5.3 modelagem de sistemas de ii)Condutividade hidráulica na direção do Fraturas gradiente - se a condutividade hidráulica tem a direção do gradiente, então K é coeficiente de Citam-se, entre os modelos disponíveis para ∇f proporcionalidade inversa entre o gradiente hidráulico avaliação quantitativa do fluxo de fluido e transporte e a componente do fluxo na direção do gradiente de solutos, os seguintes: hidráulico (figura 6.5.5). placas paralelas - a descarga Q, através de uma q cosθ única fratura, de abertura uniforme (paredes lisas) a, ∇f = 1 q cosθ ou K∇f = (6.5.12) na direção z, de comprimento l, na direção x e largura K∇f ∇f infinita b, na direção y (figura 6.5.6), é dada pela lei cúbica (Lamb, 1932), expressa por: 3 Q = a Dpb (6.5.13) 12m DL sendo m a viscosidade dinâmica [M/L1T1] e Dp/DL o gradiente de pressão [M/T2L2].  N  × 1  = kg.m × 1  =  M  m2 m  s2 m3  T2L2  Figura 6.5.4 - Condutividade hidráulica na direção do fluxo: a) vetor fluxo, suas componentes e ângulos diretores de sua direção; b) condutividade hidráulica como fator de proporcionalidade direta entre o fluxo e a componente do Figura 6.5.6 - Ilustração da lei cúbica deduzida a partir de gradiente hidráulico na direção do fluxo. um modelo de placas paralelas. 581 Cap_6.5_FFI.indd 7 9/12/2008 22:03:45 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos Como Dr = γ Dh, a descarga por unidade de largura das extrapolações para áreas não mapeadas. Para da fratura será: superar essas dificuldades, alguns autores (Barton et 2 al., 1987; Wheatcraft et al., 1990) sugerem métodos Q′ = rg a3 Dh L    (6.5.14) baseados em geometria fractal, mas os resultados m DL  T  ainda precisam de comprovação. Até agora, a única sendo r a densidade do fluido [M/L3], g a aceleração maneira de caracterizar sistemas de fraturas discretas da gravidade [L/T2] e Dh/DL o gradiente hidráulico é através de testes hidráulicos e testes com traçadores. [adimensional]. Ainda assim, a extrapolação para áreas adjacentes ou escalas mais amplas, não se justifica. A equação (6.5.13) é válida somente para fluxo laminar (pois obedece à lei de Darcy), hipótese usada modelos teóricos - em virtude das limitações e em muitos dos modelos existentes. Para uma largura desvantagens apresentadas pelos modelos já descritos, b, ela pode ainda ser escrita: alguns modelos teóricos foram propostos para fluxo em formações simplesmente fraturadas e fraturadas. Eles rg Dh tentam avaliar o fluxo em fraturas usando distribuições Q = a2 (ba) (6.5.15) 12m DL sintéticas de aberturas, orientações, espaçamentos e dimensões. A sua aplicação a sistemas naturais é restrita, Neste caso, comparando com a lei de Darcy, já que não se dispõe de dados reais suficientes para verifica-se que a condutividade hidráulica da fratura é introduzir nos modelos. Por outro lado, a conceituação dada pelo coeficiente: teórica de modelos de fraturas discretas e de dupla rg porosidade pode ser usada, de maneira inversa, onde K = a2 (6.5.16) se tenha uma resposta hidrogeológica conhecida. f 12m modelos de dupla-porosidade - sistemas de ou ainda: dupla-porosidade, incluindo aqüíferos e reservatórios g de petróleo, são comuns na natureza. Neles é preciso K 2f = a (6.5.17) calcular o fluxo de fluido e o transporte de solutos nas 12υ fraturas e na matriz dos blocos rochosos, bem como as sendo υ a viscosidade cinemática [L2/T] (=9.10-7 m2/s interações entre esses dois ambientes. A conceituação a 25 oC). real e a verificação experimental de como esse fluxo se verifica é muito difícil. Como os demais modelos, A permeabilidade da fratura é obtida da equação apresentam vantagens e desvantagens. (6.5.16), através da expressão: modelo de placa paralela equivalente - esse = υk K (6.5.18) modelo (Sharp Jr., 1993) sugere a utilização de dados f f g geológicos e, especialmente, a análise estrutural dos sistemas de fraturas, em escala regional. Segundo A equação (6.5.13) pode ser modificada para Fuller & Sharp (1992), os sistemas de fraturas podem fraturas rugosas, com canalizações, usando os ser caracterizados, dentro de certos domínios, coeficientes apropriados. como dependentes da tectônica, das propriedades modelos de meio poroso equivalente - esses geomecânicas e solubilidades das rochas e solos neles modelos admitem que o meio fraturado pode ser presentes. Raramente se dispõe de dados quantitativos tratado como um meio contínuo equivalente, no qual é de espaçamentos e de propriedades hidráulicas de possível definir um elemento de volume representativo fraturas levantados em campo. Mesmo assim, em (EVR), dentro da escala do sistema em estudo, sem muitos casos, é possível fazer boas estimativas da explicitar a geometria, tamanho ou orientação das orientação e das propriedades hidráulicas esperadas. fraturas. Em alguns casos, esse modelo fornece A precisão dessas estimativas, é claro, depende bons resultados, especialmente para estimativas da quantidade de dados disponíveis, envolvendo, de descarga, em estudos de fluxo regional. Em fotografias aéreas, dados de sensoriamento remoto, problemas locais de transporte de solutos, ou quando mapas geológicos publicados e mapeamentos de as fraturas são mal conectadas, os resultados podem campo, estudos de fraturas em túneis e em poços, não ser satisfatórios. dados de estudos geofísicos e de testes com traçadores e outros métodos hidrogeológicos, como, por exemplo, modelos de fraturas discretas - tentam caracterizar testes de bombeamento em poços. Supondo válida a diretamente o sistema de fraturas com base em dados equação (6.5.15), a condutividade hidráulica em duas de campo. Segundo Sharp Jr. (op. cit.), mapeamentos dimensões pode ser associada à densidade integrada sistemáticos de fraturas em diversas escalas foram (N) das fraturas de abertura a , ou seja: feitos por alguns autores em minas, túneis e poços. A i introdução desses dados em modelos hidrogeológicos ∑∑Na2i realistas, não tem evoluído devido às incertezas i 582 Cap_6.5_FFI.indd 8 9/12/2008 22:03:45 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Essa relação é ilustrada, em duas dimensões (figura A velocidade média no tubo é dada por: 6.5.7), pela direção das linhas com setas duplas, cujo 2 comprimento representa a densidade integrada e Qv = x = - δ rg df (6.5.20) a distribuição das aberturas das fraturas em cada x πδ2 / 4 32 m dx subdomínio. Pode-se pensar até em introduzir dados Na equação (6.5.20), o fator δ2/32 é análogo à de rugosidade e de canalização, se existirem dados a permeabilidade (k) do meio poroso. esse respeito. Essa forma de representação estrutural, integrando propriedades geométricas e hidráulicas, b) Vários tubos capilares retilíneos de diâmetro é, sem dúvida, uma alternativa interessante de δ - se existirem n tubos por unidade de área (número modelagem de sistemas de fraturas, principalmente em de tubos/m²) de seção transversal ao fluxo (figura escala regional. Os domínios de fraturas, identificados 6.5.8), então, a descarga específica através do bloco e suas respectivas permeabilidades, podem ser poroso é dada por: facilmente introduzidos em modelos de elementos 4 finitos bidimensionais, que calculam o tensor de Qq = x = - πδ rg dfx N (6.5.21) condutividade hidráulica em cada domínio. ab 128 m dx A porosidade (h) desse modelo é dada pela seguinte expressão: h = πδ 2 N (6.5.22) 4 Na equação (6.5.21): πδ4 πδ2 δ2 N = N 128 4 32 Então, a equação (6.5.21) pode ser escrita como: 2 = -h δ rg dfqx (6.5.23)32 m dx Nesse caso, se a permeabilidade é dada por: δ2 Figura 6.5.7 - Caracterização de sistemas de fraturas numa k = h (6.5.24) situação hipotética, usando ilustrações gráficas do tensor de 32 condutividade hidráulica em duas dimensões. As direções Então, obtém-se a lei de Darcy: das linhas de setas duplas correspondem às direções dominantes das fraturas no mapa e o seu comprimento, às densidades integradas das fraturas (Sharp Jr. 1993). qx = - rg df k (6.5.25) m dx modelos de Fraturas discretas que Com- provam a lei de darcy Alguns modelos de fluxo em fraturas discretas, concebidos por diversos autores em um passado relativamente distante, com base em estudos de laboratório, e que podem ser vistos com mais detalhe em Bear (1972), são descritos a seguir. modelos de tubos Capilares a) um tubo capilar retilíneo de diâmetro δ - esse modelo é clássico e usa a lei de Hagen-Poiseuille, segundo a qual o fluxo estacionário através de um único tubo capilar retilíneo de diâmetro δ, orientado na direção de um vetor unitário 1x é: = - πδ 4 rg df Qx (6.5.19)m Figura 6.5.8 - Modelo de tubos capilares de mesmo 128 dx diâmetro. 583 Cap_6.5_FFI.indd 9 9/12/2008 22:03:45 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos c) Vários tubos capilares de diâmetro variável δi (figura 6.5.9). m πδ4 rg df qx = -∑N ii (6.5.26) i=1 128 m dx m πδ4 k = ∑N ii (6.5.27) i=1 128 Figura 6.5.9 - Modelo de vários tubos capilares de diâmetros variáveis. Figura 6.5.10 - Modelo de fissuras capilares: (a) vista plana Uma limitação dos modelos descritos nos itens a, b dos blocos de espessura b e fissuras de abertura a; (b) vista e c é que eles só fornecem a permeabilidade em uma em perfil dos blocos de espessura b e fissuras de abertura direção. Para superar essa limitação, 1/3 dos tubos é a; (c) parábola de velocidade do fluxo nas fissuras. colocado em cada uma das três direções do espaço. Isso leva a uma permeabilidade 1/3 menor do que a permeabilidade definida pela equação (6.5.24). modelos de raio Hidráulico δ2 O raio hidráulico r é definido como a razão entre a k = h (6.5.28) 96 área da seção transversal ao fluxo e o perímetro molhado (figura 6.5.11). Por exemplo, em um tubo circular de raio modelos de Fissuras Capilares r, o raio hidráulico é dado pela expressão: 2 Irmay (1955 apud Bear, 1972) usa fissuras capilares Área πr rR = = = (6.5.32) para representar um meio poroso fraturado, supondo Perímetro 2πr 2 que não existem perdas de carga nas junções (figura Uma outra definição de r é a razão entre um tubo 6.5.10a ). O ponto de partida para esse modelo é cheio de líquido e a sua superfície molhada. a solução das equações de Navier-Stokes, para a velocidade média em uma fratura individual de abertura = Volume do cilindro 2 = πr DxR = r (6.5.33) a, constante, limitada por dois planos impermeáveis, Área lateral do cilindro 2πrDx 2 que é a seguinte: Visualizando o meio fraturado como uma rede de a2 rg canais interconectados ou passagens, o conceito de v = ∇f (6.5.29) 12 m raio hidráulico leva à seguinte relação: Como a porosidade h = a/(a+b), a descarga específica será dada por: = aq v = hv (6.5.30) a + b Da equação (6.5.28) conclui-se que: 2 k = h a (6.5.31) 12 Figura 6.5.11 - Modelo de raio hidráulico. 584 Cap_6.5_FFI.indd 10 9/12/2008 22:03:45 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações h 1 modelos estatísticos R = sendo a dimensão   = [L]M M Até certo ponto, os modelos que se acaba de Nesta relação, r representa um raio hidráulico descrever são aceitos como satisfatórios porque equivalente para o fluxo através dos inúmeros canais levam à lei de Darcy. Todavia, neles, a descrição do interconectados. Esse raio seria dado pela razão entre a meio poroso real é muito simplificada para permitir porosidade e um número m (que, ao invés da constante o tratamento matemático teórico na forma de uma 2, corresponderia a um valor equivalente ao perímetro solução das equações de Navier-Stokes. Os sistemas dos canais). Usando a equação de Poiseuille para o porosos naturais (especialmente fraturados) são fluxo em tubulações (equação 6.5.19) e substituindo desordenados. O deslocamento de uma partícula δ = 2r por 4R: pode ser considerado como a soma de um grande número de deslocamentos elementares, aleatórios, R2 rg df estatisticamente independentes uns dos outros. vx = - (6.5.34)2 m dx Então, de acordo com o teorema central limite, se o número desses deslocamentos tende para infinito, Da equação (6.5.24) resulta: a distribuição de probabilidade do deslocamento R2 total da partícula tende para uma distribuição normal k = h (6.5.35) 2 (Gaussiana). E da equação (6.5.28): modelos de meio Contínuo de dupla R2 porosidade k = h (6.5.36) 6 Alguns autores rejeitam a hipótese de velocidade equação de Kozeny (1927) - usando o conceito única de fluxo uniforme, em meio estatisticamente de raio hidráulico, Kozeny (1927) concebeu o meio homogêneo, e consideram que os modelos uni- poroso como um conjunto de tubos capilares e porosos não se aplicam aos meios fraturados, devido apresentou uma das deduções até hoje mais aceitas de à forte descontinuidade mecânica representada pelas permeabilidade. A velocidade do fluxo através de uma fraturas. Para ambientes desse tipo, propõem modelos seção transversal ao movimento é obtida solucionando alternativos de fluxo para poços, formulando o problema as equações de Navier-Stokes: com as mesmas idéias básicas e os mesmos métodos de solução, através de famílias de curvas-padrão, C h3 = - 0 ∇ empregados para os meios porosos granulares. q p mM2 (6.5.37) Recorrem, porém, ao conceito de dupla-porosidade para contornar o problema da descontinuidade, A permeabilidade é dada por: admitindo a superposição de dois meios contínuos, C n3 cada um dos quais possuindo condutividades e k = 0 (6.5.38) M2 armazenamentos hidráulicos primários (nos blocos da matriz rochosa) e secundários (nas fraturas). sendo C0 a constante de Kozeny (varia de 0,5 a Exemplos de modelos de dupla porosidade, talvez 0,667). os mais conhecidos, aplicáveis a uma formação fraturada, segundo Streltsova (1978) e Sauveplane modelos de resistência ao Fluxo (1984), são descritos a seguir, com os índices: f, Um fluido em movimento em relação a um indicando fratura; m, indicando matriz; A, adimensional; sólido exerce uma força no contato, que possui e w, indicando poço. duas componentes: uma tangencial, produzida por gradientes de viscosidade e velocidade e uma duplo domínio com drenagem retardada normal, produzida por gradientes de pressão ao São definidos dois domínios de fluxo: o primeiro, é longo da parede de contato (figura 6.5.10 C). O vetor formado pela matriz de uma rede de blocos isotrópicos, soma dessas componentes é a força resultante. A irregulares e o segundo, constituído pelas fissuras componente Fx dessa força na direção da velocidade (Barenblatt et al., 1960). O elemento de volume relativa v é chamada força de resistência ao fluxo. representativo (EVR) do modelo deve ser muito grande, A componente normal à velocidade é chamada força em relação ao tamanho dos blocos, mas precisa lateral (Fy). Daí se obtém a conhecida fórmula: permanecer pequeno em relação ao volume total do aqüífero. As hipóteses básicas, são: = - rgq k ∇ p  m  + z  ou rg • a taxa de drenagem retardada dos blocos para as   (6.5.39) fraturas, por unidade de volume de rocha, é pro- k q = - ∇(p + rgz) porcional ao diferencial de pressão entre os dois m domínios componentes do modelo; 585 Cap_6.5_FFI.indd 11 9/12/2008 22:03:46 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos • o fluxo dos blocos para as fraturas é estacionário, enquanto que o fluxo das fraturas para o poço é transiente; • a variação de volume do fluido, por conta da compressibilidade das fraturas, é desprezível em relação à variação de volume que ocorre devido ao fluxo oriundo dos blocos para as fraturas; • não existe fluxo das fraturas para os blocos; • a variação de volume dos blocos, devido à perda de líquido para as fraturas, é desprezível em relação à variação de volume produzida pela expansão do Figura 6.5.12 - Unidade bloco-fissura e a solução de Boulton líquido; (1963). • os blocos são isotrópicos e o aqüífero é confinado, com extensão lateral infinita, como em Theis (1935). equação do rebaixamento na fissura: equação do rebaixamento: = Q ∞  r x  sf 2Jπ   × ∞   2  4 T ∫ 0 B n Q -β t x dx f 0  f  sf = ∫ Jπ 0 (xr)1- exp 2 2  (6.5.40)4 T   1+ B x   x 1- exp -0,5α f th (1+ x 2    ) × f 0 f   (6.5.48)  dx  h (1+ x2 )  Curvas-padrão - mono ou dilog: Wt (α, β) cosh(0,5α f t q) + senh(0,5α tq) x  q f  4π Ts   W = ff (6.5.41)Q Curvas-padrão - monolog ou dilog: Wf(θ, r/Bf, h) 4K α f t r parâmetros: = ; β = (6.5.42) Ssm r 2 Bf T K K a TB2 = f = f aH = f = ff ′ Curvas experimentais - mono ou dilog: st versus t α fSm Km Km / H Tm (6.5.49) parâmetros: Tf = Kf a Tm′ = K2 m / HQ s 2 2 2 Tf = f (6.5.50) π (6.5.43) q = h (1+ x ) - 4hx 4 sf n = h - 1Tf (6.5.51)Kf = (6.5.44) hb r Sh = 1+ mB = (6.5.45) (6.5.52)f β Sf K m 4Tf tλ = f 2 r (6.5.46) θ = 2 (6.5.53) Bf g r Sf 4K θ  1  r  S = f t sm α 2 (6.5.47) α t =    (6.5.54)f r 4  h - 1 Bf  duplo domínio com drenagem Instantânea sistema de Blocos e Fraturas Horizontais Boulton (1963) admite, como Barenblatt et al. Neste caso, admite-se que a formação rochosa (1960), que o fluxo dos blocos porosos para as fissuras real, constituída de blocos irregulares, de tamanho acontece por conta da resposta elástica às diferenças e forma diferentes, separados por fissuras, é de pressão entre pontos situados dentro e fora dos substituída por uma formação ideal, constituída de blocos. No modelo de Barenblatt et al. (op. cit.), esse blocos horizontais, separados por fissuras horizontais fluxo acontece após um certo tempo de bombeamento, (figura 6.5.12) e com extensão lateral infinita (Boulton ou seja, equivale a uma drenagem retardada oriunda & Streltsova, 1977). Os blocos rochosos idealizados com dos blocos porosos. Mas, Boulton (op.cit.) considera espessura constante 2H, representam a espessura essa “drenagem retardada” (fluxo vertical ilustrado na média dos blocos verdadeiros, enquanto que as fissuras figura 6.5.12), em todos os instantes t, a partir do início horizontais idealizadas, com espessura 2a, representam do bombeamento. a espessura média das fissuras reais (figura 6.5.13). 586 Cap_6.5_FFI.indd 12 9/12/2008 22:03:46 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • o bloco rochoso e a fratura são compressíveis; • o fluxo é vertical no bloco poroso e horizontal na fisssura, ou seja, a entrada de água para o poço se faz apenas pela fratura; • não existe resistência ao fluxo ao longo do contato bloco-fissura; • a espessura da fissura (ao longo da qual se considera o rebaixamento), é pequena em relação à espessura do bloco; • o raio do poço é desprezível e a descarga bombeada Figura 6.5.13 - Idealização de uma formação rochosa é constante, a partir do instante t = 0. fissurada segundo Boulton & Streltsova, 1977. equações do rebaixamento, na fissura e na matriz dos blocos: Devido à simetria vertical deste sistema (figura ∞ 6.5.13), conclui-se que não existe componente de fluxo Q  r   ∞ s = x′J x′ ψ dx′ vertical através da linha central de um bloco ou de uma f π ∫ 0  2 T B ∑ j  (6.5.55)f 0  f   j=1  fissura, já que uma dessas linhas centrais representa o topo, e a outra, a base do aqüífero. Assim sendo, Q ∞  r   ∞  (6.5.56) para fins de análise, Boulton & Streltsova (op.cit.) sm = ∫ x′J0  x′ ψ2π T B ∑ jϕj dx′f  f  j=1 consideram o fluxo apenas em uma unidade, bloco- 0   fissura, compreendida entre as linhas centrais de um onde: bloco e da fissura adjacente.  2 2  Um módulo bloco-fissura (2H-2a), sombreado na 1- exp -0,25βj (Sf Sm )(r Bf ) θψ j =  (6.5.57) figura 6.5.13, ampliado e associado a um poço de (Sf Sm )β 2 j + 0,5β 2 j(tanβj + βj sec βj ) bombeamento, é ilustrado na figura 6.5.14 como um elemento representativo de dimensões H e a, no plano Tc = m (6.5.58) vertical de coordenadas (z, r). Streltsova-Adams (1978) Tf estuda dois casos: um, mais simples, em que o fluxo no bloco poroso é suposto vertical e outro, incluindo sendo βi uma raiz positiva da equação. componentes de fluxo horizontal e vertical no bloco (S S )β 2f m j + βj tanβ = x′2j (6.5.59) poroso. Ambos são apresentados a seguir. Caso 1- Fluxo vertical no bloco Curvas-padrão: Para esse caso mais simples (fig. 6.5.14), restrito Wf(α ,β, Sf Sm ) e Wm(α ,β, Sf Sm ) a fluxo vertical no bloco poroso, a dedução das equações do rebaixamento se faz com base nas 4π TsW = f 4π T s e W = m (6.5.60) seguintes hipóteses: f Q m Q • o fluxo na fratura é confinado e obedece à lei de 4T α = f t r Darcy; e β =2 (6.5.61)r Sf Bf 2 T c = m  H = T  B  (6.5.62) f  f  parâmetros: = Q = QTf W Wπ f π m (6.5.63)4 sf 4 sm 4 t T Sf = f α 2 (6.5.64)r Tm = cTf (6.5.65) Figura 6.5.14 - Elemento bloco-fissura, de um meio fissurado H com fluxo vertical no bloco (modificado de Boulton & Bf = (6.5.66) Streltsova , 1977). c 587 Cap_6.5_FFI.indd 13 9/12/2008 22:03:46 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos Caso 2 - o fluxo no bloco possui componentes S c S  tan(ℜ )  horizontal e vertical χ j = f + 2 m  m j + sec2(ℜ )  (6.5.72) Tf 2 T m j m  (ℜm )j  Este caso é ilustrado na figura 6.5.15 e as hipóteses   consideradas, são: T c m Sf Tm 1 = c2 = T = T + T (6.5.73)m f • o fluxo na fratura é confinado e obedece à lei de Tf Sm Tf Darcy; • o bloco rochoso e a fratura são compressíveis; (ℜm )j é uma raiz positiva da equação. • a entrada de água para o poço se faz tanto pela 2 fratura quanto pelo bloco, já que existe componente (ℜm )j c1(ℜm )j + c2 tan(ℜm )j  = (1- c1)x (6.5.74) horizontal de fluxo no bloco; • não existe resistência ao fluxo ao longo do contato Curvas-padrão: bloco-fissura; Wf(α,β, c ) e Wm(α,β, c ) • a espessura da fissura (ao longo da qual se considera o rebaixamento) é pequena em relação 4π Tsf 4π T sm à espessura do bloco; Wf = e Wm = (6.5.75)Q Q • o raio do poço é desprezível e a descarga bombeada é constante, a partir do instante t = 0. 4Tα = f t r T β = c = m 2 (6.5.76) equações do rebaixamento na fissura e na matriz r Sf H Tf dos blocos: parâmetros: ∞  ∞ sf = -Q r ∫ xJ  0  x  ∑  Ψ j  dx (6.5.67)  Q2π (Tf + Tm ) 0  H   T = Wj=1   4π s f f  (6.5.77) -Q ∞ r  ∞   Q s = x J  x  T = Wm 2π (T + T ) ∫ 0  H  ∑Ψ jΦ j  dx (6.5.68)    4π s m f m 0 j=1 m 1- eλ 2jt  c1 tan(ℜ )  = T T Ψ m j (6.5.78)j = 1+2   (6.5.69) f 1+ c (λm )jH χ j  (ℜ 2 m )j  Tm = c2Tf (6.5.79)  cos  z  (ℜm )j(1- )  H  4 t Tf Φ =    (6.5.70) Sf = 2 (6.5.80)j cos(ℜm ) α r j c T S = 2 S (λm ) m 2 j = - [x + (ℜm ) 2 ] m f (6.5.81)(6.5.71) c Hm S j 1 m 6.5.4 geometria Fractal Aplicada Atualmente, o emprego da geometria fractal nas pesquisas para avaliação de propriedades hidráulicas em formações geológicas heterogêneas, é considerado como um campo promissor. De fato, muitos autores estão desenvolvendo trabalhos nesse campo, visando solucionar problemas de fluxo e transporte de contaminantes em zonas fraturadas. Alguns dos modelos propostos para análise da distribuição transiente de pressões em testes de bombeamento de poços em meio fraturado (Doughty, 1994; Acuna & Yortsos, 1995), se baseiam na geração de fractais sintéticos usando sistemas de funções iteradas ou SFI (Barnsley, 1988).Todavia, a geração Figura 6.5.15 - Elemento bloco-fissura de uma formação de redes fractais sintéticas, nos dois modelos citados, fraturada, com fluxos horizontal e vertical no bloco (modificado admite o conceito de auto-similaridade, que implica de Boulton & Streltsova, 1977). em um meio isotrópico. 588 Cap_6.5_FFI.indd 14 9/12/2008 22:03:46 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O meio fissural das rochas cristalinas é tipicamente que usando um fator de redução r = 10 no tamanho anisotrópico e exibe heterogeneidades em todas as de ε, o valor de n aumenta em 10 vezes, posto que o escalas. Por isso a tendência atual parece indicar objeto retilíneo tem um comprimento constante finito. que a solução do problema de fluxo para poços no Observe, ainda, que ε está implicitamente elevado à cristalino (reconhecida como bastante difícil por potencia 1, correspondente à dimensão topológica na métodos determinísticos), talvez se torne mais simples qual estamos efetuando as medidas. Se o objeto fosse por métodos estatísticos. Estudos mais recentes um retângulo, essa dimensão seria 2. (Chemingui, 2001) de meios aleatórios caracterizados Já o comprimento L = Nε de um objeto irregular, por funções de correlação Gaussiana, exponencial e como, por exemplo, uma linha costeira, não é de Von Karman, continuam a indicar como meta para o constante. Na verdade, quando ε → 0, o lim Nε → ∞. futuro a formulação do problema inverso para estimar Ou seja, o comprimento do objeto irregular depende os parâmetros do meio anisotrópico, isto é, a razão de da escala de medida. Mandelbrot (1967), descobriu anisotropia e a dimensão fractal de Hausdorff. que o comprimento F de uma linha costeira irregular é dado por: Conceitos Básicos F = NεD = constante (6.5.82) Condutor Hidráulico Aleatório independe da unidade de medida ε e d é a dimensão que torna constante o valor de F. Portanto, F é o O termo aqüífero, no sentido em que é aplicado comprimento da linha costeira medida na dimensão a uma formação geológica granular, entendida como d, chamada dimensão fractal. uma formação capaz de armazenar e transmitir água, pode ser aplicado, em escala regional, limite de Corte Fractal a uma formação de rochas cristalinas. Todavia, considera-se que essa denominação é imprópria, em Uma das limitações da aplicação da geometria escala mesoscópica, e, portanto, para um teste de fractal no estudo dos problemas de fluxo e transporte bombeamento em um poço perfurado em um domínio de solutos em meio fraturado, se deve ao fato de que de rocha cristalina fraturada, ao invés do termo o comprimento de uma curva fractal cresce sem limite aqüífero deve-se empregar o conceito de condutor quando a unidade de medida tende para zero. Ou seja, hidráulico (Gustafson & Krásný, 1994) para o sistema para que a extensão do caminho percorrido por uma poço-blocos-fendas associadas. partícula fluida, de um certo ponto do domínio fraturado Mais explicitamente, suponha-se um poço até o poço de bombeamento (curva fractal), seja finita, construído em um ponto (x0, y ), no espaço é preciso que a unidade de medida ε tenha um limite 0 bidimensional (x, y), ocupado por rochas fraturadas. inferior, chamado limite de corte fractal (ε0). O maior valor O conjunto {poço + fendas interconectadas + blocos que ε0 pode assumir deve ser o tamanho do elemento de matriz impermeável + manto de cobertura} constitui de volume representativo - EVR (Bear, 1972), que possa um condutor hidráulico (CH). Admite-se que o CH ser definido no meio heterogêneo em estudo. pode conter uma ou mais fraturas interconectadas com Conceito de Capacidade específica Fractal o poço através da superfície de controle. Assim, ele é uma amostra aleatória do aqüífero cristalino regional. Segundo Turcotte (1992), um conjunto fractal pode O teste de bombeamento pode, então, ser encarado ser definido pela expressão: como um experimento probabilístico, conduzido com C vazões de diferentes magnitudes. Nn = D (6.5.83)rn dimensão Fractal sendo nn o número de unidades de medida, O termo dimensão fractal é algumas vezes usado fragmentos ou “caixas” - para usar a linguagem do para referir-se ao que geralmente se conhece como método de contagem de caixas (Peitgen et al., 1992) dimensão de capacidade (que, grosseiramente - no qual um dado objeto pode ser sucessivamente falando, é o expoente d na expressão n(ε) = ε-D). É (n = 1, 2, ...) dividido, com um fator de redução de também chamado dimensão de Hausdorff, dimensão escala rn; C uma constante de proporcionalidade e de Hausdorff-Besicovitch, na qual são permitidos d a dimensão fractal. valores não integrais. Objetos que possuem Seja um teste de bombeamento realizado com dimensão de capacidade diferente da dimensão descarga variável em um condutor hidráulico aleatório. topológica (Euclidiana, que é sempre inteira) são Durante o experimento, de duração tb, um certo número chamados fractais. n de medidas discretas de vazão não-uniforme Qi e Na geometria Euclidiana, o comprimento l de um de rebaixamento si, é feito em diferentes instantes ti. objeto retilíneo medido com uma unidade de medida Por definição, a capacidade específica yi do condutor (por exemplo, m, dm, cm, mm etc.) é dado por L = hidráulico é uma função temporal discreta de duas Nε = constante (1 m, 10 dm, 100 cm, 1.000 mm). Note variáveis, vazão e rebaixamento: 589 Cap_6.5_FFI.indd 15 9/12/2008 22:03:46 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos Q y ii = (6.5.84)si sendo yi a capacidade específica para descarga variável [L2/T], Qi a descarga variável com o tempo [L3/T] e si o rebaixamento medido no poço [L]. Suponha-se, agora, que é possível aproximar os valores de yi pela expressão: = Q * = Q *yi* d (6.5.85)si si * sendo y * a capacidade específica fractal [L2i /T], Q* a descarga fractal constante equivalente [Ld+2/T], si* o rebaixamento fractal [Ld] e d a dimensão fractal do fluxo. Comparando as equações (6.5.85) e (6.5.83), pode-se notar que ambas caracterizam uma mesma lei de potência, com o rebaixamento s representando o fator de redução de dimensão linear [L] característico Figura 6.5.16 - Propriedades fractais de redes bidimensionais do experimento. Pode-se então concluir, em virtude de fraturas. das definições, que y* é um conjunto fractal (Manoel Filho, 1996). A permeabilidade global não é constante, mas propriedades Fractais de dados de poços varia com a distância segundo a relação (Sahimi & Yortsos, 1990): Variação de densidade do meio Fraturado K = k (r / r )D-E-θ0 0 (6.5.88) Uma das propriedades dos fractais estabelece que a densidade de massa ou de volume, decresce sendo θ um expoente de transporte, que está segundo uma lei de potência, à medida que aumenta relacionado com a conectividade da rede de fraturas. o tamanho da região considerada (Mandelbrot, Para redes de percolação, θ está relacionado com 1983; Feder, 1988 apud Acuna & Yortsos, 1995). expoentes fractais chave α1, α2 e α3, (que pertencem Seja uma rede bidimensional de fraturas (figura à condutividade, probabilidade de percolação e 6.5.16a), dentro da qual se delimita uma superfície comprimento de correlação, respectivamente) através de controle representada por um círculo de raio r e da equação θ = (α1- α2 )/α3. Para redes de percolação área A, contendo uma única fratura (figura 6.5.16b) 3-D, é sabido que θ = 1,784 (Isichenko, 1992 apud representativa do espaço fraturado real, em cujo centro Acuna & Yortsos, 1995). Para redes bidimensionais de temos um poço. A quantidade de “massa” ou “volume” percolação, Jacobs & Thorpe (1996) determinaram: m, da fratura contida no círculo, satisfaz as relações α1= - 0,48 ± 0,05; α2= 0,175 ± 0,02; α3 = 1,21 ± 0,06, m ∝ r e A ∝ r2 e resultam em uma densidade r=M/A o que corresponde a θ = - 0,54. que se caracteriza por r ∝ r -1. Baseados na teoria dos fractais, Chang & Yortsos Supondo que o meio fraturado (representado pela (1990) mostraram que a resposta de um poço produtor fratura) tem dimensão fractal d, embutida em um meio com vazão constante, em termos de distribuição da poroso de dimensão topológica e (Euclidiana), no pressão transiente a uma distância r no tempo t é caso bidimensional (E=2), então m ∝ rd e V ∝ rd . A dada pela expressão geral: densidade segue a seguinte lei: r(2+θ)(1-δ)  r(2+θ)  r(r) ∝ rD-E (6.5.86) p(r,t) = Γ1- δ, (6.5.89)Γ(δ)(2 + θ) 2  (2 + θ) t  A porosidade da região de raio r não é constante, sendo: mas é dada pela expressão: D β n(r) = n D-E0(r / r0) (6.5.87) δ = = (6.5.90)2 + θ 2 na qual n0 é o seu valor em r / r0. O valor r é interpretado como limite de corte fractal, onde β é a dimensão espectral (Mandelbrot, 1983), 0 ou seja, o menor tamanho de bloco na rede de fraturas Γ (X) é a função gama e Γ (X,Y) é a função gama acima do qual se observa um comportamento fractal. A incompleta. determinação desse valor continua sendo uma questão No próprio poço bombeado, r = rw a distribuição em aberto (Acuna & Yortsos, op. cit.). de pressão transiente é dada por: 590 Cap_6.5_FFI.indd 16 9/12/2008 22:03:46 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Γ(δ - 1)r(2+θ)(1-δ) (2 + θ)(1-2δ) p(r,t) = w + (6.5.91) Γ(δ)(2 + θ) (1- δ)Γ(δ) A dimensão fractal d do meio fraturado na região r é dada por: 5 - β D = (6.5.92) 2 Auto-Afinidade dos testes de produção Considere-se agora um teste de produção em duas etapas de bombeamento, realizadas com vazões fractais constantes equivalentes Q1* e Q d+2 2* [L /T] de dimensões fractais d1 e d2 respectivamente, produzindo rebaixamentos fractais s1* e s2* [L d]. Revendo os trabalhos publicados no período de 1974-1994 sobre testes de campo e de laboratório, conduzidos em uma única fratura aberta, Atkinson et al. (1994) confirmaram que a evolução do rebaixamento no poço em função da vazão pode ser bem aproximada pela equação de Rorabaugh (1953): s = BQ + CQn (6.5.93) que possui a seguinte equação dimensional: [ ] = T × L 3   n 3n  L  + T × L L2 T  L3(n-1) n  (6.5.94)    T  e na qual, para um certo tempo tb, os coeficientes B e C são supostos constantes e n varia tipicamente entre 2 e 3. Mais precisamente, Q é a descarga constante bombeada [L3/T], s é o rebaixamento no poço ou perda de carga total no poço [L], B é o coeficiente de perda laminar [T/L2] e C é o coeficiente de perda turbulenta [Tn/L3(n-1)]. Normalmente, no domínio das rochas cristalinas da região semi-árida do Nordeste do Brasil, mesmo para curtos períodos de tempo, é muito difícil realizar Figura 6.5.17 - Exemplos de curvas de variação de descarga um teste de bombeamento com vazão constante. com o tempo durante testes de bombeamento em poços Por via de regra, os testes apresentam vazões com perfurados em rochas cristalinas do Nordeste do Brasil. tendência de decaimento (figura 6.5.17), o que a) Granito Meruoca - CE; b) Basalto de Fernando de invalida o uso dos métodos tradicionais de estimativa Noronha. dos parâmetros físicos do meio. O problema da variabilidade da descarga pode ser superado usando a lei de potência (equação 6.5.95), característica da sendo Q*a vazão fractal constante equivalente capacidade específica fractal, através da qual obtém- [Ld+2/T], s* o rebaixamento fractal equivalente [Ld], d a se uma descarga fractal constante Q* de dimensão dimensão fractal, B o coeficiente da perda fractal (BQ*) [Ld+2T-1] (Manoel Filho, 1996). Neste caso, verifica-se laminar equivalente [T/L2] e C o coeficiente da perda que a expressão correspondente da equação de fractal turbulenta equivalente [L(d+2)/T]α. Rorabaugh (6.5.93), para um fluxo constante de Explicitamente, a expressão (6.5.96) para o caso dimensão fractal, seria: do rebaixamento fractal transiente discreto pode ser s*= BQ* + C (Q*)α (6.5.95) escrita da seguinte forma: α com equação dimensional: st* = BtQ* + Ct (Q*) (6.5.97) (d+2)  (d+2) α  ou ainda:α L Ld  T L   T ( )    =  ×  ×L2 T  2 ( (d+2) )(α- × 1) α  (6.5.96) s  T t * = B + C (Q*)(α-1) L L t t (6.5.98)  Q * 591 Cap_6.5_FFI.indd 17 9/12/2008 22:03:47 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos Na equação (6.5.98), os coeficientes Bt e Ct, Da equação (6.5.98), usando a equação (6.5.93), desconhecidos, podem ser determinados solucionando- obtém-se, em função da capacidade específica se o seguinte sistema: fractal: sd11 = BtQ1 * + C Q *α t 1  1  (6.5.99)  - Bt  = C (α-1) tQ * (6.5.100) sd22 = BtQ *α y * 2 * + CtQ2  t  fazendo, em primeira aproximação: ou, finalmente, usando a descarga fractal constante Q* como fator de escala: d1 + dα = 2 2  1  - Bt  Q* = C (Q*) α t (6.5.101) Dois exemplos mostrando o comportamento  yt *  do sinal dos coeficientes Bt e Ct com o tempo são ilustrados na figura 6.5.18. A equação (6.5.101) é da forma: g1(t) Q* = g2(t) Q* α (6.5.102) sendo g1(t)[T/L 2] e g (t)[T/L2(Ld+2)α-12 ] duas séries temporais representando os coeficientes das perdas fractais do poço, associadas, respectivamente, com o fluxo laminar e com o fluxo turbulento. Neste ponto vale lembrar que duas séries temporais x1(t) e x2(t) são ditas fractais auto-afins e possuem as mesmas propriedades estatísticas, se obedecerem à seguinte relação (Turcotte, 1992): x1(t)r = x2(t). r H (6.5.103) na qual r é um fator de escala e H é a medida de Hausdorff. Comparando as equações (6.5.102) e (6.5.103), conclui-se que os testes de produção em meio fraturado exibem propriedades fractais (ou seja, são fractais auto-afins, característicos de meios anisotrópicos). Isto significa que no espaço bidimensional dos coeficientes Bt e Ct, a função ƒ[BtQ*+Ct(Q*) α] é estatisticamente similar a ƒ(Bt, Ct), e α é a medida de Hausdorff, a ser determinada através de análise espectral. Ainda segundo (Turcotte, op. cit.), uma condição necessária para que uma função x(t) seja um fractal auto-afin é que:  x(t + τ) - x(t)prob  < x '   = F(x ')H (6.5.104) τ  Em (6.5.104) F(x’) é a distribuição normal e, assim, os valores de x(t) possuem uma distribuição Gaussiana que independe do valor de H. Se os valores discretos de x(t) fossem pontos aleatórios sem nenhuma correlação entre si, o valor esperado de H seria nulo (ruído branco). Pela equação (6.5.103), se 0 < H < 1, então os valores de x(t) são pontos aleatórios, mas correlatos com os valores adjacentes (ruído Browniano). Para um ruído Browniano, H = 1/2. Um ruído Browniano é análogo a um deslocamento aleatório (random walk) e pode ser gerado por um processo iterativo do tipo: 1) olhe para o leste e lance uma moeda; 2) cara, dê um passo à Figura 6.5.18 - Comportamento do sinal dos coeficientes direita (sul); 3) coroa, dê um passo à esquerda (norte); Bt e Ct das componentes do rebaixamento fractal com o 4) dê um passo para oeste e repita o processo. tempo em testes de produção realizados no granito Meruoca, A figura 6.5.19 ilustra a distribuição de freqüência Sobral-CE. das funções: 592 Cap_6.5_FFI.indd 18 9/12/2008 22:03:47 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações T X(f,T) = ∫ x(t)exp(2πift)dt (6.5.105) 0 sendo i = √-1. A densidade de potência espectral de x(t) é definida no limite quando T → ∞, por: = 1 2S(f) X(f,T) (6.5.106) T O produto S(f)df é a potência na série temporal, associada com a faixa de freqüência entre f e f + df. Para uma série temporal que é fractal, a densidade de potência espectral, S(f) em função da freqüência f, segue uma lei de potência do tipo S(f) ∝ f-β (6.5.107) conforme se vê na figura 6.5.19. As relações entre β, H e D (dimensão fractal independente de escala) são obtidas da relação: β = 2H + 1= 5 - 2D (6.5.108) Os gráficos da figura 6.5.20, avaliados com os dados da primeira e segunda etapa do teste de produção em três etapas, realizado no poço 35610004 (Poço Jordão nº 4 ), mostram que o valor esperado para o expoente β é o seu valor médio β = 2,33. Com esse valor, a medida de Hausdorff (equação 6.5.108) é H = 0,67 e a dimensão fractal invariante de escala D = 1,34. De acordo com esse modelo de meio heterogêneo aleatório, não existem perdas lineares em um poço de bombeamento em meio fraturado, ou seja, todas as perdas no condutor hidráulico apresentam Figura 6.5.19 - Distribuição Gaussiana ajustada aos valores dimensão fractal [Ld], sendo d a dimensão do fluxo das funções (a) g1(t) = [(1/y * t ) - Bt)] e (b) g2(t) = Ct para um bombeado. teste de produção em duas etapas em poço perfurado no granito Meruoca, Sobral-CE. Cálculo dos parâmetros Hidráulicos usando a Capacidade específica Fractal   g1(t) = 1  - Bt  e g2(t) = Ct modelo de Boulton & streltsova (1977)  yt *  O cálculo dos parâmetros hidráulicos é feito da mostrando que elas apresentam as mesmas propriedades seguinte maneira: estatísticas. i construção, em um mesmo gráfico, das curvas de Cálculo da dimensão espectral e da medida variação da vazão bombeada e do nível dinâmico, em função do tempo, destacando a posição da(s) de Hausdorff fenda(s) produtora(s) principal (ais), e definindo Os fractais auto-afins são geralmente tratados o rebaixamento máximo permissível no nível usando técnicas espectrais (ver, por exemplo, Press et da fenda produtora mais profunda. Isto facilita al.,1986) aplicadas a uma série temporal que é aleatória uma visualização dos efeitos do fluxo variável e e possui um dado espectro. Essa função pode ser das entradas de água para o poço, na curva de expressa no domínio físico como x(t) ou no domínio da rebaixamento versus tempo. freqüência f, em termos da amplitude X(f, T) sendo t ii construção da curva de capacidade específica o intervalo de tempo da série temporal. A quantidade (y) versus rebaixamento (s), em coordenadas X(f, T) é, geralmente, um número complexo que indica bilogarítmicas e ajuste à mesma de uma lei de a fase do sinal. A amplitude, no domínio da freqüência. potência do tipo y*= Q*S-d, para obtenção dos é obtida usando a transformada de Fourier de x(t) no parâmetros d (dimensão fractal do fluxo) e Q* intervalo 0 < t < T, dada por: (descarga fractal constante). 593 Cap_6.5_FFI.indd 19 9/12/2008 22:03:47 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos Figura 6.5.20 - Densidade de potência espectral em função da freqüência para as funções g1(t) = [(1/y * t ) - Bt)] e g2(t) = Ct correspondentes a um teste de produção em poço perfurado no granito Meruoca, Sobral-CE. iii) construção da curva de variação da capacidade específica fractal com o tempo (ou do rebaixamento fractal com o tempo), em gráfico bilogarítmico, fazendo a superposição da mesma com uma das curvas da família de curvas-padrão de Boulton (figura 6.5.21). iv) a integral inf in i ta da equação (6.5.48) é simbolicamente representada pela função W(θ, h, r/B), de modo que o rebaixamento na fissura pode ser expresso por: Q * sf * = W(θ,h, r / B)π (6.5.109)4 Tf v) determinação dos parâmetros com as equações Figura 6.5.21 - Curvas padrão de Boulton (1963) em apresentadas a seguir, obtidas a partir da expressão coordenadas bilogarítmicas para a função do poço em meio (6.5.109): fraturado, W(θ, h, r/B) para h=10; h=100 e h=1.000. 594 Cap_6.5_FFI.indd 20 9/12/2008 22:03:47 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações transmissividade: exercícios propostos y * Tf = W(θ,h,r B)s (6.5.110)4π 1) Para a água a 20ºC, a condutividade hidráulica de 1 cm/s corresponde a uma permeabilidade de 1,02.10-5 difusividade(1): cm². Verifique isso. 2) Três poços de observação foram perfurados em um T 2 δ = f = θ r aqüífero homogêneo e anisotrópico, com as seguintes (6.5.111) S 4 t características:f Armazenamento nas fraturas: Carga potenciométricaPoço x y (m) 1 1 0 0 12 Sf = Tf × δ (6.5.112)r2 2 150 50 13,5 3 50 250 10,4 Armazenamento na matriz: A condutividade hidráulica em m/d é igual dada por: Sm= Sf(h - 1) (6.5.113) 10 3 K =   Abertura média das fraturas (a):  3 5 Determine o vetor fluxo (magnitude e direção indicada pelo 1/3 =  12n  ângulo com o eixo +x.).a Tf  (6.5.114)  g  3) A condutividade hidráulica em m/d, num campo de fluxo bidimensional homogêneo e anisotrópico é dada por: Condutividade hidráulica (Kf): 4,5 -2 A condutividade hidráulica das fraturas é obtida K =  -2 1,5 dividindo-se a transmissividade pela abertura média   das fraturas, ou seja, através da relação: O gradiente hidráulico é de 5m/km e a sua direção faz um ângulo de 30º com o eixo +x. Determine o vetor fluxo T = f (magnitude e direção em relação ao eixo +x).Kf (6.5.115)a 4) No campo bidimensional de fluxo de um aqüífero permeabilidade anisotrópico, a condutividade hidráulica nas direções principais tem componentes kx = 18 m/d e ky = 4,5 m/d e n gradiente hidráulico de 3 m/km, numa direção que faz um kf = Kf (6.5.116) ângulo de 45º com o eixo +x. Determine o vetor fluxo q.g 5) No problema (3), qual é o valor da condutividade porosidade do condutor hidráulico (h): hidráulica na direção do fluxo e na direção do gradiente? A porosidade do condutor hidráulico, é obtida de 6) A permeabilidade determinada por uma companhia uma relação entre superfícies, a saber: área de de petróleo para uma formação geológica é de 1 darcy vazios e área total da superfície de controle: para o fluxo de óleo. Determine a condutividade hidráulica 2π r a da formação (isto é, a condutividade da formação para n = w = a (6.5.117) o fluxo de água), em m/s e em gal/dia/pe². Que tipo de 2π rwhi hi rocha essa formação deve ter? modelo Aleatório Fractal Auto-afin referências De acordo com as equações (6.5.87) e (6.5.88), os parâmetros de armazenamento (porosidade) e ACUNA, J. A.; YORTSOS, Y. C. Application of fractal de transporte (condutividade hidráulica) não são geometry to the study of networks of fractures and constantes, mas variam com a escala r. Em virtude their pressure transient. Water resources research, da dificuldade de avaliar r0, correspondente à menor Washington, v. 31, n. 3, p. 527-540, mar. 1995. escala de corte, ou seja, ao menor tamanho de bloco que represente a rede de fraturas acima do qual o ATKINSON, L. C.; GALE, J. E.; DUDGEON, C. R. comportamento fractal é observado, ainda não é New insight into the step-drawdown test in fractured- possível avaliar esses parâmetros de uma forma rock aquifers. Hydrogeology Journal, Berlin, v. 2, n. independente de escala. 1, p. 9-18, 1994. A descoberta de métodos para o cálculo dessas BARKER, J. A. A generalized radial flow model for constantes é um desafio e ainda se insere em área de hydraulic tests in fractured rock. Water resources pesquisa ativa na hidrogeologia. research, Washington, v. 24, p. 1796-1804, 1988. (1) O modelo admite que o raio do poço é desprezível. Por isso, para fins de cálculo, considera-se uma distância r = 1 m como representativa das proximidades imediatas do poço. 595 Cap_6.5_FFI.indd 21 9/12/2008 22:03:47 Capítulo 6.5 - Análise de Fluxo para Poços em Meios Heterogêneos BARENBLATT, G. E.; ZHELTOV, I. P.; KOCHINA, I. N. fracture patterns in extrusive volcanic rocks: implica- Basic concepts in the theory of seepage of homoge- tions from the Welded Santana Tuff, Trans- Pecos neous liquids in fissured rocks. Journal of Applied Texas. geological society of America Bulletin, New mathematics and mechanics, Amsterdam, v. 24, n. York, v. 104, n. 11, p. 1485-1496, nov. 1992. 5, p. 1286-1303, 1960. GUERIN F. P. M.; BILLAUX, D. M. 1993. On the re- BARNSLEY, M. F. Fractals everywhere. San Diego: lationship between connectivity and the continuum Academic Press, 1988. 531 p. approximation in fracture flow and transport modeling. BARTON, C. C. Scaling of fractures and fluid flow In: CONGRESS INTERNATIONAL ASSOCIATION OF networks in rock. In: KONGSBERG SEMINAR PRO- HYDROGEOLOGISTS, 24., 1993, Oslo. memoirs... CESSES AT THE FLUID-ROCK INTERFACE, 9., 1996, [S.l.]: IAH, 1993. p. 215-224. Kongsberg. [proceedings]. [St. Petersburg, FL]: GUSTAFSON, G.; KRÁSNÝ, J. Crystalline rock U.S. Geological Survey, 1996. aquifers: their occurrence, use and importance. BARTON, C. C. et al. Characterizing fractured rock Hydrogeology Journal, Berlin, v. 2, n. 2, p.64-75, for fluid flow, geomechanical and paleostress feb. 1994. modelling: methods and preliminary results from JACOBS, D. J.; THORPE, M. F.; DAY, A.R. Generic Yucca Mountain, Nevada. [Reston, VA]: U.S. Geo- rigidity percolation in two-dimensions. In: ANNUAL logical Survey, 1987. 36 p. (Open-File Report, 87). MARCH MEETING, 1996. Abstracts. [S.l.] American BARTON, C. C.; HSIEH, P. A. Physical and hydrologic Physical Society, 1996. properties of fractures. In: INTERNATIONAL GEO- LAUBACH, S. Fracture networks in selected Cretaceous LOGICAL CONGRESS, 28., 1989, Washington, D.C. sandstones of the Green River and San Juan Basins, trip guidebook t385. [S.l.: s.n.], 1989. Wyoming, New Mexico and Colorado. In: SCHMOKER, BLACK, J. H. Hydrogeology of fractured rocks – a J.W.; COALSON, E.B.; BROWN, C.A. (Ed.). geological question of uncertainty about geometry. Hydrogeology studies relevant to horizontal drilling: examples Journal, Berlin, v.3, n. 3, p.56-70, mar. 1994. from Western North America. Denver: Rocky Mountain Association of Geologists, 1992. p. 61-73. BOEHMER, W. K. Secondary type aquifers and the value of pumping tests for the evaluation of ground- MANOEL FILHO, J. modelo de dimensão fractal water potential. In: CONGRESS INTERNATIONAL para avaliação de parâmetros hidráulicos em ASSOCIATION OF HYDROGEOLOGISTS, 24., 1993, meio fissural. 1996. 197 p. Tese (Doutorado)-Institu- Oslo. memoirs... [S.l.]: IAH, 1993. p. 159-168. to de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1996. BOULTON, N. S.; STRELTSOVA, T. D. Unsteady flow to a pumped well in a fissured water-bearing forma- NORTON, D.; KNIGHT, J. E. Transport phenomena tion. Jounal of Hydrology, [S.l.], v. 35, p. 256-269, in hydrothermal systems; cooling plutons. American 1977. Journal of science, New Haven, v. 277, n. 8, p. 937- 981, oct 1977. CHANG, J.; YORTSOS, Y. C. Pressure transient analysis of fractal reservoirs. spe Formation PEITGEN, H. O.; JURGENS, H.; SAUPE, D. Fractals evauation, [Dallas], v. 5, p. 631, 1990. for the classroom: part one: introduction to fractals and chaos. New York, Springer Verlag, 1992. 452p. COOPER, H. H. ; JACOB, C. E. A generalized graphical method for evaluating formation constants RORABAUGH, M. I. Graphical and theoretical analy- and summarizing well field history. transactions of sis of step-drawdown tests of artesian wells. pro- the American geophysical union, Washington, v. ceedings American society of Civil engineers, 27, p. 526-534, 1946. New York, v. 79, p.23-26, 1953. DAVIS, S. N.; TURK, L. J. Optimum depth of wells in SHARP JR., J. M. Fractured aquifers/reservoirs: crystalline rocks. ground Water, Worthington, OH, v. approaches, problems and opportunities. In: CON- 2, n. 2, p. 6-11, 1964. GRESS INTERNATIONAL ASSOCIATION OF HYDRO- GEOLOGISTS, 24., 1993, Oslo. memoirs... [S.l.]: IAH, DOUGHTY, C.; LONG, C. S.; ESTIR, K.; BENSON, 1993. p. 23-38. S. M. Hydrologic characterization of heterogeneous geologic media with in inverse method base on iter- STRELTSOVA, T. D. Hydrodynamics of groundwater ated function systems. Water resources research, flow in a fractured formation. Water resources Washington, v. 30, n. 6, p. 1721-1745, jun. 1994. research, Washington, v. 12, p. 405-413, 1976. FEDER, J. Fractals. New York: Plenum Press, 1988. ______ . Well hydraulics in heterogeneous aquifer 283 p. formations. In: CHOW V. T. (Ed.). Advances in hydroscience. New York, Academic Press, 1978. v. FULLER, C. M.; SHARP JR. J.M. Permeability and 11, p. 357-423. 596 Cap_6.5_FFI.indd 22 9/12/2008 22:03:47 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações THEIS, C. V. The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of dis- charge of a well using groundwater storage. transa- tions of American geophysical union, Washington, v. 16, p. 239-240, 1935. TURCOTTE, D. L. Fractals and chaos in geology and geophysics. New York: Cambridge University Press, 1992. 221p. WARREN, J. E.; ROOT, P. J. The behavior of naturally fractured reservoirs. society of petroleum engineers Journal, [Dallas],v. 9, p. 245-255, 1963. WHEATCRAFT, S. W.; SHARP, G. A.; TYLER, S. W. Fluid flow and solute transport in fractal heteroge- neous porous media. In: CUSHMAN, J. H. (Ed.) dynamics of fluids in hierarchical porous media. [S.l.]: Academic Press, 1990. p. 305-326. ZHI-YONG YIN; BROOK, G. A. The topographic approach to locating high-yield wells in crystalline rocks: does it work? ground Water, Worthington, OH, v. 30, n. 1, p. 96-102, Jan. 1992. 597 Cap_6.5_FFI.indd 23 9/12/2008 22:03:47 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.6 EfiCiênCiA HidRáuliCA dE Poços Hélio Paiva Macedo de França 6.6.1 Aspectos Gerais o conseqüente aumento no custo da energia necessária para a elevação de um mesmo volume A eficiência hidráulica de poços representa de água, incrementando, por conseguinte, o custo um tema importante no contexto do da água produzida.aproveitamento dos aqüíferos, vez que Portanto, a construção de poços hidraulicamente tem implicações diretas e determinantes no custo eficientes depende da compreensão adequada de captação das águas subterrâneas. Trata-se de dos diversos fatores que influenciam o escoamento um assunto relativamente simples, devendo, porém, subterrâneo em direção às captações, especialmente merecer toda a atenção no seu desenvolvimento, em nas imediações dos filtros. Sobre esse assunto, muitos virtude da grande quantidade de fórmulas e funções estudos teóricos já foram efetuados, assim como matemáticas utilizadas no cálculo dos diversos diversos experimentos de campo e de laboratório, que parâmetros envolvidos. Essas equações são, entretanto, permitiram estabelecer as soluções para a hidráulica muito simples, meramente algébricas, envolvendo, da conexão poço-aqüífero, mediante formulações basicamente, apenas operações aritméticas e, às que se têm mostrado adequadas para a elaboração vezes, logaritmos, não havendo questões a serem de projetos construtivos eficientes, e, ao mesmo tratadas pelo cálculo diferencial e integral. tempo, indicadas para o controle dos métodos de Uma ação eficiente pode ser entendida como a perfuração e de seus efeitos negativos na capacidade que produz resultados satisfatórios com o menor de produção dos poços. custo possível. Nesse sentido, um poço pode ser considerado hidraulicamente eficiente quando se consegue obter os resultados esperados em termos 6.6.2 Rebaixamento em um Poço de capacidade produtiva, ao mínimo custo. Bombeado O poço representa a principal obra civil que estabelece a conexão entre o usuário da água A figura 6.6.1 mostra, esquematicamente, o subterrânea e o aqüífero profundo. Na construção bombeamento de um poço perfurado em um aqüífero do poço, portanto, deve-se procurar criar a mínima confinado com vazão constante Q. Quando a bomba dificuldade e resistência possível, para que a água do é acionada, determina uma zona de baixa pressão no aqüífero se movimente em direção à captação e, em interior do poço, fazendo com que a água do aqüífero seguida, até a bomba. Dois aspectos fundamentais têm se movimente em sua direção. Forma-se, então, um implicações diretas na eficiência a ser obtida. cone de depressão potenciométrica em torno de O primeiro aspecto diz respeito ao próprio desenho poço, com os gradientes hidráulicos aumentando construtivo, onde diversos fatores ligados aos diâmetros progressivamente em sua direção. Os gradientes das tubulações de revestimento e filtros, espessura aumentam continuamente em direção ao poço, tendo penetrada do aqüífero, comprimentos de seções em vista que a vazão bombeada no interior do aqüífero revestidas, particularmente dos filtros, têm implicações passa sucessivamente por áreas cilíndricas cada vez sérias na resistência a ser criada ao fluxo da água menores. Pela lei de Darcy: em direção à bomba. A outra questão diz respeito Q = K.A.i (6.6.1) aos procedimentos utilizados durante a perfuração do poço, onde muitas vezes os danos causados nas onde K é a condutividade hidráulica do aqüífero, A paredes do aqüífero, quase sempre produzidos pelo é a área cilíndrica por onde passa a a água e i é o fluido de perfuração, criam resistências indesejáveis gradiente hidráulico. ao escoamento da água subterrânea. Como as áreas atravessadas são cada vez Tais resistências adicionais ao escoamento têm menores em direção ao poço, para que passe a implicações nos custos da água produzida, vez que mesma vazão Q, é necessário que os gradientes ao incrementarem o rebaixamento do nível d’água, aumentem continuamente, na mesma proporção além do que seria normal ou esperado, determinam da redução das áreas cilíndricas. 599 Cap_6.6_FFI.indd 1 9/12/2008 22:06:52 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços figura 6.6.1 - A velocidade de fluxo (v) aumenta em direção ao poço. A velocidade de fluxo (v) é dada por: A figura 6.6.2 mostra os resultados de estudos desenvolvidos por Williams (1987), utilizando em v = K i (6.6.2) laboratório modelo reduzido de um aqüífero. O gráfico Logo, com o aumento contínuo dos gradientes, estabelece a relação entre o gradiente hidráulico e a velocidade de escoamento subterrâneo aumenta valores de Re, para diferentes granulometrias do gradativamente em direção ao poço: aqüífero. Mostra retas de correlação com declividade igual a 1 para Res, em média, menores que 30 e igual A1 > A2 > AP (6.6.3) a 2 para Res, em média, maiores que 30. Portanto, V1 < V2 < VP o Re crítico onde começa a transição do regime de sendo v a velocidade na parede do poço. fluxo laminar para o regime turbulento é considerado p aproximadamente igual a 30. A maior ou menor velocidade do escoamento No escoamento em regime laminar, o consumo subterrâneo determina dois diferentes regimes de de energia ou rebaixamento no poço é diretamente fluxo: laminar e turbulento, caracterizados por um proporcional à vazão (Q), enquanto que no fluxo parâmetro denominado Número de Reynolds (Re). turbulento, o rebaixamento é proporcional à vazão No fluxo laminar, as linhas de fluxo são paralelas aos elevada de um expoente n (Qn). Este expoente pode limites do conduto, enquanto que no turbulento o variar entre 1 e 3,5, mas, usualmente, oscila em torno escoamento é caótico ou turbilhonar, consumindo, de 2. Portanto, na prática, pode se considerar que conseqüentemente, maior energia. O Re é definido as perdas turbulentas são proporcionais a vazão pela seguinte fórmula: elevada ao quadrado (Q2). vd ρ Dependendo do Re alcançado no escoamento Re = 50 (6.6.4) µ subterrâneo em direção ao poço, o início da turbulência pode ocorrer já na zona do pré-filtro, portanto, nas onde v é a velocidade de fluxo (m/s), d50 é o diâmetro imediações dos filtros, podendo, em alguns casos, médio do grão (m), ρ é a densidade (Ton/m3) e µ é a constituir-se em um fator de severa redução da viscosidade (dina.s/m2). eficiência, em função do incremento de rebaixamento 600 Cap_6.6_FFI.indd 2 9/12/2008 22:06:52 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 6.6.2 - Variação do número de Reynolds (Re) com o gradiente hidráulico em meio poroso (modificado de Williams, 1987). do nível d’água que poderá provocar. A partir das e prevenir a não ocorrência de regime turbulento aberturas dos filtros e, axialmente, na subida da água na zona do pré-filtro. A porosidade pode, também, até a bomba, o fluxo é inteiramente ou quase sempre ser controlada através de ensaios de laboratório de turbulento. amostras do pré-filtro, bem como o diâmetro médio do grão, por análises granulométricas. 6.6.3 Conceito de Raio Crítico O raio crítico (Rc) é definido como sendo a distância medida do centro do poço até onde o regime de fluxo muda de predominantemente laminar para predominantemente turbulento, como ilustrado na figura 6.6.3. Com base nas experiências com modelos reduz idos em labora tór io , W i l l iams (1987) estabeleceu uma equação para determinação do raio crítico (Rc) em função da descarga específica do aqüífero, do diâmetro médio do grão do pré- filtro e da porosidade do pré-filtro. Quando o raio crítico (Rc) é menor que o raio dos filtros (rf), não ocorre fluxo turbulento, enquanto que para Rc > rf , a turbulência inicia-se já na zona do pré-filtro. (Q / Lf)d Rc = 4,6.10 −3 50 η (6.6.5)f sendo Q a vazão (L/s), lf o comprimento dos filtros (m), d50 o diâmetro médio do grão do pré-filtro (mm), ηf a porosidade do pré-filtro e Q/lf a descarga específica do aqüífero (L/s/m). A equação (6.6.5) mostra a importância do valor da descarga específica para obtenção de Rc < Rf (quando o comprimento dos filtros é grande, a descarga específica diminui, reduzindo o valor do raio crítico). Logo, é fundamental nos projetos de poços estabelecer figura 6.6.3 - Zona de transição e raio crítico de um poço comprimentos de filtros adequados para assegurar (modificado de Williams, 1987). 601 Cap_6.6_FFI.indd 3 9/12/2008 22:06:52 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços Exemplo 6.6.1 - Determinação da existência de fluxo turbulento b) No poço da figura 6.6.1, em função das condições descritas no pré-filtro pelo Número de Reynolds (R ). abaixo, determinar o valor do raio crítico.e (a) O poço da figura 6.6.1 é bombeado com uma vazão de 0,02 Vazão de bombeamento (Q) = 50 L/s = 0,050 m 3/s m3/s (20 L/s), captando um aqüífero confinado de espessura Comprimento dos filtros (Lf ) = 100 metros b = 100 metros. O diâmetro médio dos grãos do pré-filtro é d = Raio dos filtro (Rf ) = 3” = 0,0762 metros50 Diâmetro médio do grão (d ) = 1 mm 0,001 m (1 mm), e a água tem uma densidade ρ = 1 T/m3 50 -6 2 Porosidade de pré-filtro (η ) = 10% = 0,10e uma viscosidade µ = 10 dina. s/m . O poço penetra f totalmente o aqüífero com o comprimento dos filtros Lf = solução: 100 metros. Calcular a que distância dos filtros inicia-se o fluxo turbulento. Rc = 0,023 metros solução: Rf = 0,0762 metros, portanto Rc < Rf, não havendo fluxo turbulento na região do pré-filtro Considerando que para o início do fluxo turbulento: vd50 ρRe ≈ 30 → ≈ 30 6.6.4 decomposição das Perdas de µ Carga em Poços Como v = Q/A Q/A d50 ρ O poço da figura 6.6.4 é bombeado com uma vazão ≈ 30 µ Q, sendo produzido um rebaixamento total st, após um onde A é igual a 2 π R L (área externa dos filtros), R é igual ao tempo t de bombeamento. Considere-se s = ND – NE f raio de zona cilíndrica do pré-filtro onde inicia o fluxo turbulento, [L], sendo ND o nível dinâmico no tempo t [T] e NE lf é igual a extensão dos filtros. Logo: o nível estático [L]. O poço apresenta os seguintes Qd ρ 0,02.0,001⋅1 elementos construtivos:50 ≈ 30 → R ≈ 2π RLfµ 30.2.π.100.10 −6 • uma câmara de bombeamento (CB); R ≈ 0,001m ≈ 1 mm • uma seção intermediária de ligação da câmara de O resultado mostra que não ocorre turbulência no pré-filtro, o qual se bombeamento com a seção de captação representada inicia praticamente na entrada dos filtros. pela zona onde se iniciam os filtros (Li); figura 6.6.4 - Decomposição das perdas de carga em um poço bombeado. 602 Cap_6.6_FFI.indd 4 9/12/2008 22:06:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • uma seção de captação constituída pelos filtros (Lf). Perdas laminares por penetração parcial no Tem-se, ainda, os seguintes elementos: aqüífero - são representadas por B3Q, onde B3 é o coeficiente de perdas por penetração parcial no • diâmetro da seção intermediária (Di); aqüífero. Determina o encurvamento das linhas de • diâmetro da seção de captação-filtros (D ); fluxo em direção à seção de captação, reduzida, tendo f • raio do poço (r ); como conseqüência o incremento do rebaixamento p do nível da água no poço. O coeficiente B depende • raio dos filtros (rf); 3 da relação entre a profundidade penetrada e a • zona de transição do pré-filtro de espessura = rp-rf. espessura do aqüífero (p), da transmissividade (T), do O poço da figura 6.6.4 capta um aqüífero confinado, comprimento dos filtros (Lf) e do raio do poço (rp). que apresenta os seguintes parâmetros: O coeficiente das perdas laminares totais, B, será • condutividade hidráulica (K) dado por: • espessura (b) B = B1 + B2 + B3 • transmissividade (T) A fração do rebaixamento total devido às perdas • coeficiente de armazenamento (S) laminares (∆sL), será expressa da seguinte forma: A zona de transição do pré-filtro apresenta uma ∆s = B Q + B Q + B Q condutividade hidráulica média Kf, que inclui eventuais L 1 2 3 (6.6.6) danos na parede do aqüífero, provocados pelo fluido ∆sL=BQ de perfuração durante a sua construção. O rebaixamento total (st) é composto por diversos rebaixamentos parciais correspondentes às perdas de Perdas no Regime Turbulento (∆sT) carga em regime de fluxo laminar e por outros segmentos As perdas turbulentas podem ser consideradas referentes às perdas em regime de fluxo turbulento. diretamente proporcionais ao quadrado da vazão, sendo o produto de um coeficiente de proporcionalidade Perdas no Regime Laminar (∆s ) C, denominado coeficiente de perdas de carga l turbulentas, pela vazão ao quadrado Q2. As perdas laminares (∆sL) são diretamente ∆s = C Q2 proporcionais à vazão, sendo o produto de um T coeficiente de proporcionalidade B, chamado coeficiente A decomposição das perdas turbulentas é a de perdas de carga laminares, pela vazão Q. seguinte: ∆s = B Q Perdas na zona do pré-filtro, próximas aos L 2 As perdas laminares são decompostas nos filtros - são representadas por C0Q , onde C0 é o seguintes rebaixamentos parciais: coeficiente de perdas na zona do pré-filtro. Essas perdas somente ocorrem quando o número de Perdas no aqüífero - são representadas por Reynolds (Re) ultrapassa o valor 30, dependendo, B1Q, onde B1 é o coeficiente de perdas laminares portanto, basicamente, da velocidade de escoamento, no aqüífero, que depende de seus parâmetros do diâmetro médio da partícula e da porosidade hidráulicos (transmissividade e coeficiente de do pré-filtro. Não existe fórmula para cálculo direto armazenamento), além do tempo de bombeamento do coeficiente C0, podendo-se verificar a existência (t) e do raio do poço (rp); desse tipo de perda pelo cálculo do raio crítico (Rc). Perdas na zona de transição do pré-filtro - são A determinação do coeficiente C0 pode, entretanto, representadas por B2Q, onde B2 é o coeficiente de ser feita a partir de testes de produção com múltiplos perdas laminares na zona de transição do pré-filtro. estágios, como discutido no item 6.6.8. Tem como principal fator influente, a condutividade Perdas na entrada dos filtros - são representadas hidráulica média ou equivalente no pré-filtro (Kf), por C Q2, onde C é o coeficiente de perdas turbulentas afetada pelos eventuais danos de formação 1 1na entrada dos filtros. O coeficiente C depende do causados pelo fluido de perfuração na construção do 1comprimento dos filtros (Lf), do raio dos filtros (r ), do poço (formação do reboco). Também é afetada por fpercentual de área aberta dos filtros (α) e do grau de eventos posteriores, determinantes de redução de obstrução dos filtros pelo material granulométrico do condutividade hidráulica, como incrustações químicas pré-filtro (β). ou carreamento de materiais finos da formação, pela ação de bombeamentos com vazões superiores à Perdas axiais ao longo dos filtros - são capacidade de retenção do aqüífero. Depende, ainda, representadas por C2Q 2, onde C2 é o coeficiente d do comprimento da seção de filtros (L ) e da largura perdas axiais nos filtros. Essas perdas correspondem f da zona de transição, definida pela relação entre o ao deslocamento ascensional da água bombeada ao raio do poço (rp) e o raio dos filtros (rf). longo dos filtros, em direção à bomba posicionada na 603 Cap_6.6_FFI.indd 5 9/12/2008 22:06:53 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços câmara de bombeamento. O coeficiente C2 depende Para valores de u menores que 0,01, ou seja, para do fator de atrito (Ff), o qual estabelece a relação entre tempos grandes e raio do poço (rp) pequeno, a fórmula a rugosidade do material dos filtros e a velocidade (6.6.9) pode ser simplificada como (ver capítulo 6.4): do deslocamento axial do fluido. Depende, ainda, do comprimento (L ) e do diâmetro dos filtros (D  1 2,25 T t f f). ∆sL1 =  n  Q2 Fórmula de Jacob Perdas axiais ao longo da seção intermediária  4πT r p S  - são representadas por C3Q 2, onde C3 é o coeficiente de perdas axiais na seção intermediária 1 2,25 T tB1 = n (6.6.10) do revestimento. São perdas de mesma natureza 4πT r 2p S que as anteriores, correspondendo ao deslocamento 3 da água na seção intermediária, que estabelece a sendo Q a vazão de bombeamento (m /s), T a 2 ligação entre a câmara de bombeamento e a seção transitividade (m /s), t o tempo de bombeamento de captação (filtros). Além dos fatores geométricos (s), rp o raio do poço (m) e s o coeficiente de citados, o coeficiente C3 depende do fator de atrito armazenamento. (Fi), característico do revestimento utilizado e das Perdas na zona de transição do pré-filtro (∆sl2) condições do escoamento no seu interior.  1 rp  Perdas axiais na câmara de bombeamento - são ∆sL2 =  n  Q Fórmula de Theim2π K b r representadas por C Q24 , onde C4 é o coeficiente de  f f  perdas axiais na câmara de bombeamento. Ocorrem 1 rp no intervalo entre o topo da seção intermediária e B = n (6.6.11)2  a profundidade de instalação do crivo da bomba, 2πKf b rf a partir da qual se tem a desconexão dos efeitos sendo Kf a condutividade hidráulica média ou hidráulicos na relação entre o poço e o aqüífero. equivalente do pré-filtro, influenciada por eventuais Além dos parâmetros geométricos, o coeficiente danos de formação (m/s), b a espessura do aqüífero C4 depende do fator de atrito (Fc), característico do (m), rp o raio do poço (m) e rf o raio dos filtros (m). material do revestimento e das condições de fluxo ao longo da câmara de bombeamento. Perdas por penetração parcial do aqüífero (∆sl3) O coeficiente C será dado por:  (1− p) L  ∆s = 1 1− p fn  Q C = C0 + C1 + C2 + C3 + C L3  4  2π T p r p  A fração do rebaixamento total devido às perdas  (1− p) L  turbulentas (∆ 1 1− ps ) será: B =  n f3    (6.6.12)T  2πT p r p  ∆sT = C0 Q 2 + C Q2 + C Q21 2 + C3 Q 2 + C4 Q 2 (6.6.7) sendo lf o comprimento da seção de captação (m), b a ∆sT = C Q2 espessura do aqüífero (m), p a relação entre a penetração O rebaixamento total num poço bombeado será o e a espessura do aqüífero, T a transmissividade do somatório de todas as perdas existentes, logo: aqüífero (m2/s) e rp o raio do poço (m). st = ∆sL + ∆sT (6.6.8) fluxo Turbulento st = BQ + CQ 2 A equação (6.6.8) foi proposta inicialmente por Perdas na entrada dos filtros (∆sT1) Jacob (1947) e é denominada equação característica 2 2 de funcionamento do poço (ver também capítulo 6.7). ∆sT1 = v Q 2,5 sendo v2 = e A = 2π rf Lf α (1− β)2g A2 6.6.5 Cálculo dos Rebaixamentos  −3  Parciais - Aqüífero Confinado ∆ =  3,32 ⋅10s  2T1 Q α2 ( − β)2 rf Lf 1  fluxo laminar  =  3,32 ⋅10 −3  Perdas no aqüífero (∆s ) C 1 (6.6.13)l1   r 2 f L 2 2 f α (1− β)2  ∆ 1sL1 = W (u)π Fórmula de Theis (6.6.9)4 T sendo A a área lateral aberta dos filtros (m2), lf o comprimento dos filtros (m), α o percentual de área onde W(u) é uma função tabulada (capítulo 6, anexo aberta dos filtros (%), β o percentual de obstrução dos 6.4.1) e u é igual a r 2 S / 4 T t. filtros pelo pré-filtro (%) e rf o raio dos filtros (m).p 604 Cap_6.6_FFI.indd 6 9/12/2008 22:06:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Perdas axiais na seção de captação - filtros (∆sT2) EF = Perdas laminares no aqüífero  L  Perdas totais ∆sT2 = 0,02754 F f  Q2 Fórmula de Darcy- f D 5  Weisbach f B1QEF = 3 4  L  ∑B Q + ∑C Q2 (6.6.17) C2 = 0,02754 F f  (6.6.14) i i f 5 i=1 i=0 D f  Para: sendo ff o fator de atrito dos filtros, lf o comprimento dos filtros (m) e d 3 4 B1Qf o diâmetro dos filtros (m). ∑BiQ + ∑CiQ2 = 0  EF = = 100% Perdas axiais na seção intermediária (∆s ) i=2 i=0 B1Ql3   Um poço seria, portanto, 100% eficiente na hipótese L ∆sT3 = 0,08262 F i  Q2 Fórmula de pouco plausível de que todas as perdas laminares i 5  D  Darcy- Weisbachi ou turbulentas, com exceção das perdas naturais no aqüífero, fossem nulas. Valores próximos podem  L i (6.6.15) ser conseguidos através de poços projetados com C3 = 0,08262 Fi D 5  diâmetros de revestimentos e filtros compatíveis com  i  as vazões esperadas, de modo a minimizar as perdas sendo fi o fator de atrito do revestimento da seção axiais. Além disso, os poços devem penetrar totalmente intermediária, di o diâmetro da seção intermediária a espessura do aqüífero, o pré-filtro utilizado deve (m) e li o comprimento do revestimento da seção apresentar uma porosidade elevada e o tamanho intermediária (m). de seus grãos deve ser suficientemente grande para Perdas axiais na câmara de bombeamento (∆s ) evitar perdas adicionais na zona de transição. Outro T4 aspecto fundamental refere-se aos procedimentos de  L c 2 Fórmula de Darcy- perfuração, especialmente o tipo de fluido utilizado, ∆sT4 = 0,08262 Fc D 5  Q Weisbach de modo a não provocar danos de formação e,  c  conseqüentemente, redução na condutividade  L  hidráulica da zona de transição do pré-filtro. C = 0,08262 F c  (6.6.16)4  c  No projeto construtivo dos poços, todos esses fatores  D 5 c  devem ser analisados, confrontando, ao mesmo tempo, sendo f o fator de atrito do revestimento da câmara os respectivos custos, de modo a estabelecer-se a C de bombeamento, l a distância do topo da seção condição otimizada de execução da obra. Nesse sentido, C intermediária até a bomba (m) e dC o diâmetro da pode não ser viável economicamente projetar poços com câmara de bombeamento (m). diâmetros excessivos de revestimentos e filtros, pelo fato de que o ganho com respeito a minimização das A determinação do fator de atrito (F) é feita pelo perdas axiais, pode não compensar, em última análise, ábaco de Moody como descrito a seguir: os custos correspondentes ao aumento dos diâmetros • determina-se a rugosidade relativa (ε/D), sendo ε o de perfuração, revestimentos e filtros. f grau de aspereza do conduto. Para revestimentos de Este mesmo raciocínio vale também para os demais aço liso ε varia de 0,00015 a 0,00025 m e para filtros fatores influentes no rebaixamento total, não sendo de aço inox, ε varia de 0,001 a 0,003 m; possível dissociar o projeto técnico de construção da • calcula-se o Número de Reynolds pela equação: obra dos respectivos custos. No caso da penetração parcial, por exemplo, pode ser possível projetar um poço v D R = f parcialmente penetrante de modo que, nas condições e µ hidrodinâmicas do aqüífero, o aumento dos custos onde v é a velocidade (m/s), µ é a viscosidade da de bombeamento referentes às perdas adicionais água (dina.s/m2), e d é o diâmetro dos filtros (m); e existentes, seja compensado pela redução dos custos f relativos a uma menor profundidade do poço. Trata-se, • determina-se f, a partir do valores da rugosidade portanto, de um problema de otimização, onde todos relativa (ε/Df) e do Número de Reynolds (Re), os fatores devem ser considerados para obtenção do diretamente no gráfico (ábaco) da figura 6.6.5. menor custo possível do m3 de água bombeado. 6.6.6 Eficiência Hidráulica de Poços Conceito de Eficiência Relativa Conhecidos os diversos segmentos do rebaixamento total do nível d’água, a eficiência hidráulica dos poços Em um aqüífero A, admite-se a seguinte situação: pode ser definida como sendo a relação entre as perdas B1Q = 20 metros (perdas naturais no aqüífero) e CQ 2 de carga naturais do aqüífero (B1Q) e as perdas totais = 10 metros (total das perdas turbulentas). Em um ocorridas durante o bombeamento (BQ + CQ2). aqüífero B tem-se B1Q = 40 metros (perdas naturais 605 Cap_6.6_FFI.indd 7 9/12/2008 22:06:53 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços figura 6.6.5 - Ábaco de Moody-Rouse (adaptado de Moody, 1944). no aqüífero) e CQ2 = 10 metros (total das perdas 6.6.7 Análise de sensibilidade dos turbulentas). Ou seja, dois poços geometricamente iguais perfurados em aqüíferos diferentes, portanto, fatores influentes na Eficiência com perdas B1Q diferenciadas, porém, com perdas Na análise efetuada a seguir, considera-se, turbulentas idênticas. Admitindo que inexistam perdas hipoteticamente, um poço perfurado em um aqüífero tanto no pré-filtro como por penetração parcial, a confinado, sendo bombeado com uma vazão Q eficiência do poço captando o aqüífero A será: durante um certo tempo t. No cálculo da eficiência B Q 20 com respeito a um determinado fator influente, admite- EF = 1 = = 66% B Q + C Q2 20 + 10 se, com exceção das perdas no aqüífero, que as 1 demais perdas são nulas. A eficiência do poço captando o aqüífero B será: B1QEF = = 40 = 80% Perdas no Regime laminar B1 Q + C Q 2 40 + 10 A figura. 6.6.6 mostra a variação da eficiência com Isto significa que não se pode comparar valores relação à diferença de valores entre a condutividade de eficiência para aqüíferos diferentes, de vez que, hidráulica do aqüífero (K) e a condutividade hidráulica em cada caso, o valor das suas perdas naturais (B Q) equivalente da zona de transição do pré-filtro (Kf). 1 tem um peso próprio relativo, que determina valores Observa-se que a partir de valores de Kf = 0,25 diferenciados de eficiência, mesmo que as demais K (4 vezes menor), a eficiência cai abruptamente, perdas adicionais sejam semelhantes. O cálculo da atingindo apenas 45% quando Kf é 20 vezes menor eficiência constitui, portanto, um fator específico de que K, condição esta freqüente na construção de cada aqüífero, podendo ser comparados apenas poços com fluido de perfuração à base de bentonita. valores para poços com características geométricas Isso demonstra a necessidade de um efetivo controle similares. Além disso, deve-se levar em conta que da lama, sendo seus efeitos minimizados quando a eficiência (EF) depende, também, do tempo de se utiliza fluido à base de polímeros orgânicos bombeamento (t) e da vazão (Q), vez que influem no biodegradáveis, os quais, ao encapsularem as valor de B Q, especialmente no caso de aqüíferos argilas, evitam danos de formação, reboco espesso 1 confinados. Para aqüíferos drenantes, o efeito e impermeabilização do pré-filtro. do tempo desaparece depois de alcançada a A figura. 6.6.7 mostra a variação da eficiência com estabilização do nível d’água. respeito à espessura da zona de transição do pré-filtro 606 Cap_6.6_FFI.indd 8 9/12/2008 22:06:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações (diferença entre o raio do poço (rp) e o raio do filtro (rf). O gráfico demonstra a pouca sensibilidade da eficiência com relação a grandes diferenças entre rp e rf. Mesmo para valores de rp =10 rf, condição esta não usual, a eficiência cai apenas 10%, atingindo 90%. Isto acontece porque o rebaixamento devido à passagem do fluxo na zona de transição do pré- filtro varia com o logaritmo de rp/rf. A figura 6.6.8 mostra a variação da eficiência com respeito à penetração parcial, ou seja, entre a profundidade penetrada, representada pela extensão dos filtros (Lf), e a espessura do aqüífero (b). O gráfico mostra uma queda acelerada e contínua da eficiência, figura 6.6.6 - Relação entre eficiência e a razão Kf /K. atingindo um valor de apenas 45%, para lf = 0,25 b. O efeito de uma reduzida penetração no aqüífero é, portanto, muito severo na redução da eficiência hidráulica dos poços, devendo-se ter todo o cuidado com relação a esse aspecto na elaboração dos projetos construtivos. A figura. 6.6.9 compara os efeitos, na eficiência, das relações rf /rp (curva a), Kf /K (curva b) lf/b (curva c), indicando o efeito mais intenso da penetração parcial (curva c), em relação aos demais fatores analisados. A curva ac mostra a combinação da penetração parcial e da redução de condutividade hidráulica na zona de transição do pré- filtro, indicando resultado muito negativo quando ocorre a superposição desses fatores. Perdas no Regime Turbulento figura 6.6.7 - Relação entre a eficiência e a razão rf /rp. A figura. 6.6.10 mostra a variação da eficiência dos poços, com relação à redução da área aberta dos filtros (α). As simulações foram realizadas para vazões de 100 m3/h e 1.000 m3/h, considerando um comprimento de 100 metros para a coluna de filtros de 10” de diâmetro, com um grau de obstrução de 95% pelo pré-filtro. O gráfico mostra, ainda, a variação da velocidade de entrada nos filtros (m/s), em relação à redução do percentual de área aberta (α). Os resultados indicam uma reduzida sensibilidade da eficiência com respeito à redução da área aberta (α). Verifica-se que para vazões da ordem de 100 m3/h, algum efeito somente é notado para valores de α menores que 1%, o que não é usual na figura 6.6.8 - Relação entre eficiência e penetração prática, dado que os filtros industriais apresentam um parcial. percentual de área aberta mínimo da ordem de 8%. Para vazões da ordem de 1.000 m3/h, o efeito da redução de área aberta também ainda é reduzido, somente agravando-se para valores de α menores que 3 - 5%. Este fato demonstra o peso desprezível da área aberta dos filtros no rendimento hidráulico dos poços. Valores de α inferiores a 3% devem, entretanto, ser evitados, uma vez que induzem velocidades de entrada superiores, em geral, a 3 m/s, que podem acelerar eventuais processos de corrosão dos filtros. A figura 6.6.11 mostra a variação da eficiência com respeito às perdas axiais, para diferentes diâmetros de revestimentos e filtros inox espiralados. Nas simulações, considerou-se uma vazão de 100 m3/h e um comprimento figura 6.6.9 - Comparação relativa dos efeitos na eficiência de tubos e dos filtros de 100 metros. Os valores das relações Kf /K, rf/rp e lf/b. 607 Cap_6.6_FFI.indd 9 9/12/2008 22:06:53 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços figura 6.6.10 - Variação da eficiência com relação à área figura 6.6.12 - Variação da eficiência em função das perdas aberta dos filtros. axiais para diferentes vazões (revestimento). figura 6.6.11 - Variação da eficiência em relação às figura 6.6.13 - Variação da eficiência em função das perdas perdas axiais. axiais, para diferentes vazões (filtros). médios considerados para os fatores de atrito foram: sentido, observa-se que para uma vazão de 400 m3/h revestimento liso de aço = 0,022 e filtros inoxidáveis dimensionada para tubos e filtros no diâmetro de espiralados = 0,040. O gráfico mostra que para a vazão 6”, a eficiência dos poços cairia, respectivamente, de 100 m3/h, a queda da eficiência é desprezível para para 58% e 70%. As simulações indicam, portanto, diâmetros acima de 6”, sendo, entretanto, cada vez a necessidade de extremo cuidado na seleção dos mais intensa para diâmetros menores. O efeito negativo diâmetros de revestimentos intermediários e filtros, com é maior nos revestimentos que nos filtros, tendo em respeito às vazões projetadas. vista que o peso maior do fator de atrito, nos filtros, é compensado pelo efeito atenuante da integralização 6.6.8 determinação da Equação Ca- da vazão produzida pelo aqüífero ao longo da coluna de filtros, a qual somente é máxima no seu topo. A racterística de funcionamento do Poço eficiência alcança o valor de 82% para os filtros e de através de Teste de Produção Es- 72% para o revestimento de aço, com diferença, portanto, calonado em torno de 10% para o caso de diâmetros de 4”. As figuras 6.6.12 e 6.6.13, nas mesmas condições O método consiste no bombeamento do poço de simulação, mostram a sensibilidade da eficiência com vazões progressivamente crescentes, conforme com respeito às perdas axiais, quando se varia a descrito no capítulo 6.3. São exigidas, pelo menos, vazão bombeada. Os resultados demonstram que a 3 vazões crescentes, sendo que para testes onde redução da eficiência pode ser extremamente severa se pretende determinar as perdas de carga devido em conseqüência de perdas axiais em revestimentos a existência de fluxo turbulento na zona do pré-filtro, e filtros, quando se considera vazões muito elevadas são necessárias, pelo menos, 5 vazões crescentes, e não compatíveis com diâmetros reduzidos. Nesse onde: 608 Cap_6.6_FFI.indd 10 9/12/2008 22:06:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Q1(t) < Q2(t) < Q3(t) < Q4(t) < Q5(t) A figura 6.6.14 exemplifica um teste de produção escalonado com 5 vazões progressivamente crescentes, determinando-se para cada vazão o rebaixamento correspondente (s), no mesmo tempo (t). No referido teste admite-se a ocorrência de perdas turbulentas na zona do pré-filtro, a partir do bombeamento das vazões Q4 e Q5, em função das altas velocidades de fluxo alcançadas, atingindo o número de Reynolds um valor superior a 30. Cada estágio de bombeamento fornece os seguintes valores de rebaixamento específico: 1o estágio → s1 / Q1 2o estágio → s2 / Q2 3o estágio → s3 / Q3 figura 6.6.15 - Interpretação de teste de perda de carga, 4o estágio → s sem perdas turbulentas na zona de transição do pré-filtro.4 / Q4 5o estágio → s5 / Q5 As três primeiras vazões, onde não ocorre fluxo turbulento no pré-filtro, são utilizadas para determinação da equação característica de funcionamento, dada pela expressão: St = BQ + CQ 2 onde C é igual a C1 + C2 + C3 + C4, ou seja, o somatório dos coeficientes parciais das perdas de carga na entrada dos filtros e das perdas axiais totais proporcionais a Q2. Dividindo a equação acima por Q, obtém-se a expressão st/Q = B + CQ, que representa a equação de uma reta da forma y = b + ax, onde a é o coeficiente angular dado pela tg α, sendo α o ângulo que a reta faz com a horizontal. As figuras 6.6.15 e 6.6.16 mostram a interpretação de testes plotando-se os rebaixamentos figura 6.6.16 - Interpretação de teste de perda de carga, específicos determinados (s/Q) em função das com perdas turbulentas na zona de transição do pré-filtro. respectivas vazões, obtendo-se para Q1, Q2 e Q3 uma reta de coeficiente angular C, que intercepta o eixo dos rebaixamentos específicos em um valor igual a B (figura Uma segunda reta de maior declividade é obtida 6.6.15), sendo: B o coeficiente das perdas laminares para as vazões Q4 e Q5 (figura 6.6.16), tendo o totais (B1 + B2 + B3) e C o coeficiente das perdas axiais coeficiente angular o valor: e na entrada dos filtros (C1 + C2 + C3 + C4). (C + C0) = tg α’ Conhecendo-se o valor de C da primeira reta, determina-se C0 pela seguinte expressão: C0 = tg α’ – C (6.6.18) Para vazões no intervalo de Q1 a Q3, o poço tem como equação característica de funcionamento a seguinte expressão: st = BQ + CQ 2 Para vazões no intervalo Q4 a Q5, o poço tem como equação característica de funcionamento a expressão abaixo apresentada: st = BQ + C Q 2 0 + CQ 2 figura 6.6.14 - Gráfico rebaixamento (s) versus tempo (t) sendo B o coeficiente das perdas lineraes, C e C0 os de um teste de produção escalonado. coeficientes das perdas turbulentas. 609 Cap_6.6_FFI.indd 11 9/12/2008 22:06:54 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços 6.6.9 determinação da Perda de intervalo de vazões utilizado no teste escalonado e em Carga laminar na Zona de Transição um tempo t que assegure a validade da aproximação logarítmica da equação de Jacob. Os rebaixamentos do Pré-filtro (B2 Q) medidos nos piezômetros são plotados em função da distância, em um gráfico de escala semilogarítmica, A determinação exata da perda de carga, em regime sendo a reta obtida extrapolada até encontrar o de fluxo laminar na zona de transição do pré-filtro, envolve raio do poço (rp), fornecendo, neste ponto, o valor grandes dificuldades, em virtude do desconhecimento real das perdas no aqüífero (B Q). A realização de dos efeitos negativos causados pelo fluido de perfuração 1 um teste de produção fornece o valor das perdas na parede do poço. Esses efeitos determinam, em geral, turbulentas (CQ2). O valor das perdas laminares na uma redução da condutividade hidráulica média no setor, zona de transição do pré-filtro é determinado a partir quando se considera a espessura total do pré-filtro e a sua da relação: condutividade hidráulica, diferenciada daquela do reboco depositado nas paredes do furo. st = B1Q + B2Q + CQ 2 (6.6.19) B2Q = st - B1Q - CQ2 Método do Teste de interferência onde st é o rebaixamento total medido no poço A figura 6.6.17 mostra o esquema de determinação bombeado, B1Q é o valor determinado no teste das perdas na zona do pré-filtro em poço totalmente de interferência e CQ 2 é determinado no teste penetrante, perfurado em um aqüífero confinado. O escalonado. procedimento consiste na execução combinada de A condutividade hidráulica média ou equivalente um teste convencional de determinação das perdas no pré-filtro é dada a partir da expressão (6.6.11): totais laminares e turbulentas no poço (st = BQ + 1 rp CQ2), com medições da interferência produzida pelo B2 = n bombeamento em piezômetros (poços de observação) 2π Kf b rf localizados a certa distância do poço bombeado. 1 rp As medições de rebaixamento do nível d’água nos Kf = n piezômetros são realizadas para uma vazão Q do 2 π B2 b rf figura 6.6.17 - Determinação das perdas na zona de pré-filtro em poço totalmente penetrante captando um aqüífero confinado. 610 Cap_6.6_FFI.indd 12 9/12/2008 22:06:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Conceito de Raio Efetivo sentido, o rebaixamento sa da condição de Kf > K pode ser dado pela fórmula de Jacob, utilizando como A figura 6.6.18 mostra um poço totalmente raio, o raio efetivo rwa: penetrante em um aqüí fero conf inado com condutividade hidráulica K, transmissividade T e = Q 2,25T tsa n coeficiente de armazenamento s, bombeando uma 4πT r 2wa S vazão Q, em um tempo t. Com respeito à condutividade hidráulica do pré-filtro (K Do mesmo modo:f ) e à condutividade hidráulica do aqüífero (K), três situações podem ocorrer: Q 2,25T t sb = n K = K / K > K / K < K 4πT r 2 S f f f wb Na pr imei ra condição (K f = K) , o cone Na equação característica de funcionamento do de depressão ultrapassa o raio do poço (r ), poço (st = BQ + CQ 2), o coeficiente B engloba tanto p prosseguindo o seu desenvolvimento teórico normal as perdas no aqüífero (B1Q), como as perdas na conforme a equação de Jacob, atingindo o raio dos zona de transição do pré-filtro (B2 Q). O rebaixamento filtros (rf) com um rebaixamento (s), dado por: parcial BQ, obtido através do teste de produção, pode, Q 2,25 T t então,ser igualado à equação de Jacob imputando-se s = n um raio igual ao raio efetivo correspondente: 4πT rf S Q 2,25T t 2,25T t Na segunda situação, o cone de depressão sofre BQ = n → 4BπT = n2 2 um alívio em função de ser K 4πT rw S rw Sf > K, produzindo nos filtros um rebaixamento sa < s. Na terceira possibilidade, em 2,25 T t virtude de ser Kf < K, o cone de depressão aprofunda- e 4Bπ T = 2 se, atingindo os filtros com um rebaixamento sb > s. rw S O raio efetivo (rw) é definido como sendo a Isolando-se o valor de r : distância radial do centro do poço até o ponto no w qual o rebaixamento teórico da equação de Jacob = 2,25 T tr é igual ao rebaixamento real, devido à variação de w 4Bπ T (6.6.20)e S condutividade hidráulica do pré-filtro (Kf ) em relação à condutividade hidráulica do aqüífero (K). Nesse sendo e a base dos logaritmos neperianos. figura 6.6.18 - Conceito de raio efetivo. 611 Cap_6.6_FFI.indd 13 9/12/2008 22:06:54 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços determinação da Condutividade Hidráulica custo, dos diferentes fatores hidráulicos ou construtivos. Equivalente do Pré-filtro Para simplificação, não foram considerados todos os custos envolvidos na produção e distribuição da água Para um poço totalmente penetrante em um subterrânea, como por exemplo: custos de estudos aqüífero confinado, as perdas laminares totais (∆sL) básicos, custos de operação, manutenção e reposição serão dadas por: etc. Para o cálculo do custo da água produzida, ∆sL = B1Q + B Q considera-se, portanto, o seguinte: 2 onde B1Q são as perdas no aqüífero e B2Q as perdas Ip = investimento na construção do poço (R$); na zona de transição do pré-filtro. Considerando o Ib = investimento na aquisição da bomba e conceito de raio efetivo (rw), ∆sL pode ser expresso energização do poço (R$); como: Vp = vida útil do poço (anos); ∆ = Q 2,25T ts n Vb = vida útil da bomba (anos);L 4πT r 2w S i = taxa de remuneração do capital investido As perdas na zona de transição, entre a parede do (% ao ano); poço (r ) e os filtros (r ), são avaliadas pela seguinte AMt = altura manométrica de recalque da água p f expressão: bombeada (m); Q r Va = volume anual produzido (m 3); B2 Q = p n 2π K b r GFp = gastos financeiros anuais referentes ao f f investimento no poço (R$/ano); Logo: GFb = gastos financeiros anuais referentes ao r investimento na bomba e energização do Q 2,25T t = Q 2,25T t Qn n + n p poço (R$/ano);   4πT r 2w S 4πT r 2 p S 2πKf b rf GE = gastos anuais com a energia de Fazendo as devidas transformações e simplificando, bombeamento (R$/ano). obtém-se a fórmula para determinação da condutividade I I hidráulica equivalente do pré-filtro (Kf). GF p p p = .i +2 Vp K (n rf − n r= p )Kf − (6.6.21) I In r n r GF = b i + b w  p b 2 Vb 6.6.10 Custo da água Produzida Va.AMGE = 0,002726 t ce u , A determinação dos custos de produção de onde ce é o custo da energia (R$/Kwh) e u é o água subterrânea, ao lado da avaliação da eficiência rendimento do grupo moto-bomba. hidráulica dos poços, constitui o procedimento recomendado para a análise das repercussões dos O custo do m3 de água bombeado será: diferentes aspectos envolvidos na construção das captações. Na elaboração dos projetos construtivos, 3 GFp + Gfb + GE a avaliação econômica, conjuntamente com a análise Custo(R$ / m ) = (6.6.22)V hidráulica, permite tomar decisões quanto ao formato a construtivo mais viável. Muitas vezes, a adoção de um diâmetro maior para reduzir as perdas axiais e, 6.6.11 Aplicação do Método de conseqüentemente, os custos de bombeamento, pode não ser indicada, no caso em que custos Análise maiores, referentes ao diâmetro de perfuração, tenham repercussão negativa no custo final do m3 Um poço totalmente penetrante, com 500 metros de água produzido. Do mesmo modo, a decisão de profundidade (figura 6.6.19), foi perfurado pelo quanto à perfuração de toda a espessura do aqüífero método rotativo com lama à base de bentonita, para obtenção de uma maior capacidade produtiva, em um aqüífero confinado com espessura b = 200 pode ser menos viável, economicamente, que uma metros, tendo sido realizado um teste de produção perfuração parcial de menor custo, mesmo que venha escalonado (com tempo de 24 horas para cada a introduzir perdas de carga adicionais. estágio), obtendo-se a seguinte equação característica As fórmulas apresentadas a seguir permitem o de funcionamento: cálculo do custo do m3 bombeado e da incidência, neste s = 324,1 Q + 7.117 Q2 612 Cap_6.6_FFI.indd 14 9/12/2008 22:06:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • fator de atrito nos filtros (Ff) - 0,04; • fator de atrito no revestimento intermediário (Fi) - 0,024; • fator de atrito na câmara de bombeamento (Fc) - 0,022. As características hidrodinâmicas do aqüífero são as seguintes: • condutividade hidráulica (K) - 5.10-5 m/s; • transmissividade (T) - 10-2 m2/s; • coeficiente de armazenamento (S) - 10-5; • nível estático (NE) - 12 m. Para realizar a análise econômica, considera-se, ainda, os seguintes dados adicionais: • investimento na construção do poço (Ip) = R$ 290.000,00 • aquisição, instalação e energização de bomba de 10” (Ib) = R$ 52.000,00 • vida útil do poço (Vp) = 20 anos • vida útil da bomba (Vb) = 10 anos • taxa de amortização do capital (i) = 8% a.a. • custo de energia (ce) = R$ 0,15/Kwh • rendimento do grupo motor-bomba (u) = 0,70 Em seguida será feita, detalhadamente, a análise do problema. figura 6.6.19 - Poço perfurado por método rotativo em um (a) Determinação do rebaixamento total e do nível aqüífero confinado. dinâmico no poço, para uma vazão de bombeamento (Q) de 200 m3/h: As características construtivas do poço foram as st = 324,1 . 0,0555 + 7617 . 0,0555 2 = 41,4 m seguintes: ND = NE + s • profundidade do poço (Pp) - 500 m; ND = 12,00 + 41,4 = 53,4 m • profundidade da câmara de bombeamento (Pc) (b) Decomposição do rebaixamento total (st), - 100 m; determinando as perdas parciais dos fluxos laminar e • profundidade de instalação da bomba (P ) - 90 m; turbulento, para uma vazão de 200 m3/h. Para poços b • Extensão da câmara de bombeamento (L ) - 10 m; totalmente penetrantes B3 = 0, logo:c • extensão de revestimento da seção intermediária B = B1 + B2 (Li) - 200 m; Passo 1 - Cálculo do raio efetivo (rw) • extensão da seção de filtros (Lf ) - 200 m; Aplicando-se a equação (6.6.20): • espessura do aqüífero (b) - 200 m; • diâmetro da câmara de bombeamento (Dc) - 12” 2,25.10 −2.86400 = 0,3048 m; rw = e4⋅324,1⋅3,14159.10 −2 10−5 • diâmetro da seção intermediária (Di) - 6” = 0,152 m; r = 1,997 . 10-5 m • diâmetro da seção de captação (D wf) - 6” = 0,152 m; • diâmetro do poço (Dp) - 15” = 0,381 m; Passo 2 - Cálculo da condutividade hidráulica • raio do poço (rp) - 7,5” = 0,1905 m; equivalente na zona de transição (Kf) • raio dos filtros (rf) - 3” = 0,0762 m; Aplicando-se a equação (6.6.21): • percentual de área aberta dos filtros (α) - 20%; 5.10−5 (n 0,0762 − n 0,1905) • percentual de obstrução dos filtros pelo pré-filtro Kf = n 1,997.10−5(β) - 90%;  − n 0,1905 613 Cap_6.6_FFI.indd 15 9/12/2008 22:06:54 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços Kf = 5.10 -6 m/s C Q21 = 0,0357 . 0,05552 = 0,0001 A condutividade hidráulica média na zona de C Q22 = 2715,41. 0,05552 = 8,36 transição do pré-filtro é, portanto, 10 vezes menor que C Q2 = 4887,74. 0,05552 = 15,06 a condutividade hidráulica do aqüífero, devido o efeito 3 2 da lama de perfuração à base de bentonita. C4Q = 6,91 . 0,05552 = 0,003080 Passo 3 - Cálculo do coeficiente B ∆sT = 0,0001 + 8,36 + 15,06 + 0,03080 2 ∆sT = 23,42 Aplicando-se a equação (6.6.11): = 1 0,1905 st = ∆sL + ∆sT = 17,98 m + 23,42 m = 41,4 mB2 n 2 ⋅ 3,14159 ⋅ 5.10−6 ⋅ 200 0,0762 (c) Determinação da eficiência hidráulica para a B2 = 145,8 m/m 3/s vazão de 200 m3/h. Passo 4 - Cálculo do coeficiente B Pela expressão (6.6.17):1 9,89 B = B +B → B = B - B EF =1 2 1 2 9,89 + 8,09 + 0 + 0,0001+ 8,36 + 15,06 + 0,003080 B1 = 324,1 - 145,8 = 178,27 m/m 3/s = 9,89EF = 23,8% Passo 5 - Cálculo do coeficiente C 41,41 Aplicando-se a expressão (6.6.13): (d) Determinação da vazão máxima que pode 3,32.10−3 ser bombeada, para que o nível dinâmico (ND) não C1 = = 0,0357 s 2 /m5 2 ultrapasse 80 metros de profundidade, de modo que 0,07622 ⋅ 2002 ⋅ 0,202 (1− 0,90) a bomba instalada aos 90 metros, disponha de uma submergência mínima de 10 metros. Passo 6 - Cálculo do coeficiente C2 O rebaixamento disponível (RD) é definido como o Aplicando-se a expressão (6.6.14): máximo que se pode rebaixar num poço sem que 200 o bombeamento corra riscos de colapso (capítulo C2 = 0,02754 ⋅ 0,04 ⋅ 5 = 2715,41 s2/m5 6.7). Aqui, na avaliação do Rd, considera-se que não 0,152 existem interferências de outros poços nem variação sazonal, portanto, será expresso como: Passo 7 - Cálculo do coeficiente C3 RD = Pb – NE = 80 m – 12 m = 68 m Aplicando-se a expressão (6.6.15): Aplicando o Rd como o rebaixamento máximo na = 200C 0,08262 ⋅ 0,24 ⋅ = 4887,74 s2 /m5 equação de funcionamento do poço:3 0,1525 RD = BQ + CQ2  68 = 324,1 Q + 7617 Q2 Passo 8 - Cálculo do coeficiente C4 7617 Q2 + 324,1 Q - 68 = 0 Aplicando-se a expressão (6.6.16): −324,1± 324,12 + 4.7617.68 10 2 5 Q = = 272 m 3 /h C4 = 0,08262.0,022. = 6,91 s / m 2.7617 0,30485 (e) Determinação do custo do m3 de água Passo 9 - decomposição do rebaixamento total bombeado para a vazão máxima de explotação e definição da incidência no custo do m3 de todos os Perdas Laminares: ∆sL = B1Q + B fatores envolvidos.2Q + B3Q Como a vazão é 200 m3/h ou 0,0555 m3/s, vem: = 290.000,00 290.000,00GFp 0,08 + B1Q = 178,27. 0,0555 = 9,89 m 2 20  B2Q = 145,83. 0,0555 = 8,09 m GFp = R$ 26.100,00/ano  B3Q = 0,00. 0,0555 = 0,00 m =  52.000,00 + 52.000,00GFb 2. .0,08  ∆sL = 9,89 m + 8,09 m + 0,00 m = 17,98 m  2 10  GF = R$ 14.560,00/ano Perdas turbulentas: b ∆s = C Q2 + C Q2 + C Q2 + C Q2 Va = 272 m 3/h. 24 h . 365 dias = 2.382.720 m3 T 1 2 3 4 614 Cap_6.6_FFI.indd 16 9/12/2008 22:06:54 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A altura manométrica de recalque é: C Q2 = 0,0357s2 /m5 (0,07555 m3/s)21 ~ 0 st + NE = 68 m + 12 m = 80 m Perdas axiais nos filtros: = 2.382.720.80GE 0,002726. .015 = R$ 111.347,90/ano 2 2 5 3 2 0,70 C2 Q = 2715,41 s /m .(0,07555 m /s) = 15,50 m 3 = 26.100,00 + 14.560,00 + 111.347,90 2.382.720.15,50 Custom GE(axiais filtros) = 0,002726. .015 2.382.720 0,70 Custo m3 = R$ 0,06379/m3 GE(axiais filtros) = R$ 21.573,65/ano Determinação da incidência dos fatores envolvidos 3 21.573,65 3 no custo do m3 de água bombeado. m = = R$ 0,00905 / m2.382.720 Construção do poço: 0,00905 Peso = = 0,1418 = 14,18% 3 GF= p = 26.100,00 0,06379 m = R$ 0,0109 / m3 Va 2.382.720 Perdas axiais na seção intermediária: 0,0109 Peso = = 0,1708 = 17,08% C Q2 = 4887, 74 s2/m5 (0,07555 m3/s)2 = 27,89 m 0,06379 3 2.382.720 ⋅ 27,78 Aquisição da bomba e energização: GE(sec. interm.) = 0,002726 . .0150,70 3 = GFb = 14.560,00m = R$0,0061/ m3 GE(sec. interm.) = R$ 38.818,66/ano Va 2.382.720 m3 = 8.818,66 = R$ 0,0163 / m3 0,0061 Peso = = 0,0956 = 9,56% 2.382.720 0,06379 = 0,0163Peso = 0,2555 = 25,55% Perdas no aqüífero (B1 Q): Q = 0,07555 m 3/s 0,0637 B1Q = 178,27 m/m3/s 0,07555 m3/s = 13,47 m Perdas axiais na câmara de bombeamento: = 0,002726. 2.382.720.13,47 2 2 5 3 2GE(aqüífero) .015 C4 Q = 13,82 s /m (0,07555 m /s) = 0,0788 m0,70 2.382.720.0,0788 GE = 0,002726. . 015 GE(aqüífero) = R$ 18.748,20 / ano (câmara) 0,70 3 GE= (aqüífero) = 18.748,20m = R$0,00786 / m3 GE Va 2.382.720 (câmara) = R$ 109,68/ano = 0,00786 109,68 Peso = 0,1232 = 12,32% m3 = = R$ 0,00005 / m3 0,06379 2.382.720 Perdas na zona de transição (B Q): = 0,000052 Peso = 0,00078 = 0,078% 0,06379 B2 Q = 145,83 m/m 3/s . 0,07555 m3/s = 11,02 m = 2.382.720.11,02 Elevação da água até a boca do poço: (NE=12 m) GE(transição) 0,002726. .0150,70 2.382.720.12 GE(nível estático)=0,002726. 0,15 GE(transição) = R$ 15.338.17/ano 0,70 3 = 15.338,17m = R$ 0,00644 / m3 GE(nível estático) = R$ 16.702,18/ano 2.382.720 = 0,00644 3 16.702,18 3 Peso = 0,1019 = 10,19% m = = 0,007 / m 0,06379 2.382.720 0,007 Perdas na entrada dos filtros: as perdas na Peso = =0,1097 =10,97% entrada dos filtros são consideradas desprezíveis: 0,06379 615 Cap_6.6_FFI.indd 17 9/12/2008 22:06:55 Capítulo 6.6 - Eficiência Hidráulica de Poços Participação no fator 3 Peso percentualCusto do m Construção do poço R$ 0,0109 /m3 17,08% Aquisição de bombas e energia. R$ 0,0061 /m3 9,56 % Perdas de energia no aqüífero R$ 0,00786/m3 12,32% Perdas de energia na zona de transição R$ 0,00644/m3 10,09% Perda de energia nos filtros R$ 0,00905/m3 14,18% Perdas de energia na seção intermediária R$ 0,01630/m3 25,55% Perdas de energia na câmara de bombeamento R$ 0,00005/m3 0,078% Perdas de energia por elevação do NE R$ 0,007 /m3 10,97% Total R$ 0,06387/m3 ≈100 % Tabela 6.6.1 - Resumo dos resultados obtidos com a aplicação do método de análise referente ao item 6.6.11. Na tabela 6.6.1, acima, é apresentado um resumo dos resultados obtidos. O somatório das perdas na zona de transição, nos filtros e na seção intermediária corresponde a 49,8 % do custo do m3 da água bombeada. Referências CUSTODIO, E.; LHAMAS. M. R. Hidrología subterrá- nea. 2. ed. Barcelona: Ed. Omega, 1980. 2 v. HUISMAN, L. Groundwater recovery. London: The Macmillan Press, 1975. 336 p. JACOB, C. E. Drawdown test to determine the effec- tive radius of artesian wells. Transactions of Ame- rican society of Civil Engineers, v. 112, p. 1047- 1070, 1947. MACEDO DE FRANÇA, H. P. Avaliação das perdas de carga secundárias com testes de vazões esca- lonadas. In: SIMPÓSIO DE GEOLOGIA DO NOR- DESTE, 9., 1979, Natal. Anais... Natal: SBG, 1979. ROSCOE MOSS COMPANY. Handbook of ground water development. Califórnia: Wiley Intercience Publication, 1990. 493 p. WILLIAMS, D. E. Modern techniques in wells design. Journal AWWA. Research & Technology, p. 68-74, 1987. 616 Cap_6.6_FFI.indd 18 9/12/2008 22:06:55 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 6.7 CAPACIDADE DE PRODUÇÃO DE POÇOS João Manoel Filho Fernando A. C. Feitosa Edilton Carneiro Feitosa José Geilson A. Demetrio 6.7.1 Introdução Finalmente, é preciso verificar, experimentalmente, através de testes de laboratório ou de campo, a validade A avaliação da capacidade de explotação de um do modelo, isto é, a validade das relações entre as poço ou de uma bateria de poços tubulares é variáveis e coeficientes que aparecem nas equações, uma tarefa que requer uma série de variáveis, que devem ser, todas elas, quantidades mensuráveis. envolvendo tanto o aqüífero captado quanto a própria obra de captação. Em geral, para a solução do 6.7.2 Conceitos Básicos problema, adota-se um modelo conceitual. Por definição, modelo conceitual é um conjunto de Capacidade Específica ou Vazão Específica hipóteses que descreve, de maneira ideal, as principais de um poço feições do meio hidrogeológico real. O método do modelo conceitual é considerado como uma das A capacidade específica, também conhecida como ferramentas mais poderosas de que se dispõe para vazão específica, de um poço é dada pela razão entre investigar fenômenos físicos (sistemas) complicados, a vazão (Q) e o rebaixamento (s) para um determinado assim entendidos aqueles sistemas cujo tratamento tempo (t), como expresso a seguir: matemático se afigura praticamente impossível. De 2 -1 acordo com esse método, o sistema real, ou fenômeno, Qesp(t) = (Q/s)t [L T ] (6.7.1) é substituído por um sistema mais simples, fictício ou Usualmente, a capacidade específica é expressa ideal, passível de tratamento matemático. No caso do em m3/h/m, mas podem ser encontradas referências fluxo de água subterrânea para um poço, o método em m/s/m, L/h/m, L/s/m, não sendo comum utilizar do modelo conceitual tem sido aplicado de forma uma medida diferente do metro para expressar o generalizada, tanto para os aqüíferos das formações rebaixamento. Este parâmetro, em geral, é utilizado sedimentares granulares, quanto para as zonas para expressar a produtividade de um poço, mas, aqüíferas das formações cristalinas fraturadas, cujo ressalta-se que isto é válido para o regime estacionário. domínio é ainda mais complexo (geometria indefinida, Para o regime transiente, a capacidade específica descontinuidade, heterogeneidade, anisotropia etc.). decai ao longo do tempo (figura 6.7.1), portanto, deve Da análise do sistema idealizado, são obtidos sempre ser associada ao tempo de bombeamento do resultados na forma de leis ou relações matemáticas respectivo valor de rebaixamento, como por exemplo: entre os diversos parâmetros do sistema estudado. O Qesp(12 horas); Qesp(24 horas); Qesp(72 horas) etc. modelo conceitual é, portanto, uma forma simplificada de encarar um fenômeno que não pode ser observado Rebaixamento Máximo Disponível diretamente em escala macroscópica ou microscópica, mas no qual é possível criar perturbações mesoscópicas O conceito de rebaixamento máximo disponível e observar e medir as respostas. Uma vez definido o (RD) depende do tipo de aqüífero e do projeto modelo, o segundo passo é a sua análise por meio construtivo do poço. Em poço de aqüífero livre, não de formulações teóricas conhecidas - analíticas deve ser superior a 1/3 da espessura saturada. Em poço ou numéricas - com vistas à obtenção de relações de aqüífero confinado, fica restrito a uma profundidade matemáticas que descrevam o fenômeno investigado. de nível dinâmico sempre inferior à profundidade do Essas relações permitem caracterizar não apenas topo do aqüífero. Para poços perfurados em rochas o grau de dependência entre as variáveis ativas do cristalinas, o nível dinâmico correspondente ao RD problema, mas também, os fatores que, de acordo com deve ficar pelo menos 2 metros acima da fenda o modelo, não exercem influência no sistema. produtora (entrada de água) mais profunda. 617 Cap_6.7_FFI.indd 1 9/12/2008 22:09:23 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços Figura 6.7.1 - Variação da vazão específica com o tempo. O rebaixamento máximo (RM), expresso pela diferença entre a posição do crivo da bomba e o nível estático sazonal médio (RM = PC - NE ) não pode ser considerado como disponível, pois ultrapassa os limites de operação sustentável do poço. Levando Figura 6.7.2 - Rebaixamento máximo (RM) e rebaixamento máximo disponível para a vazão bombeada (RD). em conta a variação sazonal (VS) conhecida do nível d’água no local do poço, a altura de submergência do crivo da bomba (SC) e prevendo um rebaixamento Vazão Instantânea - é aquela medida, a sI para as interferências (I) de outros poços, o qualquer momento, num determinado tempo (t) de rebaixamento máximo disponível (RD) em um poço, bombeamento. cujos parâmetros são ilustrados na figura 6.7.2, é dado Vazão de Explotação - a vazão de explotação, meta pela expressão abaixo: deste capítulo, é aquela determinada para a produção do VS poço considerando um alcance determinado (5, 10, 15, 20... RD = PC - NE - SC - - I (6.7.2) anos). É calculada considerando tanto a produtividade do 2 aqüífero captado, como as características construtivas do sendo, RD o rebaixamento máximo disponível [L], poço, além dos fatores influentes externos (interferências PC a profundidade do crivo da bomba [L], SC de outros poços). a submergência do crivo da bomba [L], NE a profundidade média sazonal do nível estático [L], VS Equação Característica de Poços a variação sazonal do nível da água subterrânea [L] e I a interferência de outros poços [L]. Rorabaugh (1953) estabeleceu, como uma generalização da equação S =BQ+CQ2 proposta Na avaliação do RD, o parâmetro mais significativo e ppor Jacob (1947), a seguinte expressão para o que deve ser avaliado com cautela é representado pelas rebaixamento de um poço, em função da sua vazão: interferências causadas por outros poços (item 6.7.4). sp = BQ + CQ n (6.7.3) Diferentes Conceitos de Vazão na qual, sp é o rebaixamento total no poço bombeado O parâmetro vazão (Q), embora sendo o mais [L], B é o coeficiente de perdas laminares [T/L2], C conhecido e, geralmente, o mais procurado, tanto por é o coeficiente de perdas turbulentas [Tn/L3n-1, n é o profissionais da área como por leigos (a pergunta mais expoente da vazão [adimensional] e Q é a vazão do comum é - qual é a vazão do poço?), apresenta uma poço [L3/T]. série de conotações, em função de diversas situações Vale ressaltar que a equação (6.7.3), em geral, onde ela é medida/avaliada ou determinada/calculada. expressa um rebaixamento que depende do tempo de Assim, é possível a definição dos seguintes conceitos bombeamento, ou seja, sp = sp(t); B = B(t); e C = C(t). A relativos à vazão. evolução temporal do coeficiente C está ligada à variação Vazão de Perfuração - é aquela avaliada da área efetiva de entrada de água nos filtros, que pode durante a construção do poço, na fase de limpeza/ acontecer por obstruções, incrustações, corrosões desenvolvimento. Em geral, dá uma idéia inicial da e outros fenômenos conhecidos, de comportamento produtividade do poço e serve como subsídio para o imprevisível, que modificam a eficiência do poço com dimensionamento das vazões utilizadas no teste de o tempo. Assim, por questões de simplificação, na bombeamento. definição da curva característica do poço, admite-se Vazão de Teste - é aquela medida ao final do teste que o comportamento da zona de admissão de água do de bombeamento. poço permanece inalterado durante toda sua vida útil. 618 Cap_6.7_FFI.indd 2 9/12/2008 22:09:23 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A equação (6.7.3), conforme já visto no capítulo 6.6, é a equação característica de funcionamento de um poço, que relaciona a vazão de bombeamento e o rebaixamento total produzido por este bombeamento, estando inclusas todas as perdas de carga existentes. Neste caso, para a determinação de B, C e n, é necessário a realização de testes com, no mínimo, três etapas de bombeamento. Caso se deseje efetuar uma decomposição das perdas não lineares, pode ser necessário determinar até quatro coeficientes, além de B, o que pode exigir até cinco etapas de bombeamento (capítulo 6.6). Com os dados do teste pode-se construir um sistema de três equações a três incógnitas, do tipo: sp1 = BQ1 + CQ n 1  s = BQ + CQnp2 2 2 (6.7.4)  n sp3 = BQ3 + CQ3 Figura 6.7.3 - Curva característica de um poço, no sistema A dedução da equação fundamental que permite aqüífero Dunas-Barreiras, na região da Lagoa do Bonfim, a resolução deste sistema não é simples, sendo ao sul de Natal-RN, para um tempo de bombeamento de necessária a adoção de técnicas e artifícios numéricos, 6 horas. conforme pode ser observado na solução apresentada no anexo 6.7.1. Todavia, graças aos recursos computacionais hoje disponíveis, o cálculo propriamente dito dos parâmetros pode ser realizado facilmente usando o algoritmo computacional, cujo código é fornecido no anexo 6.7.2, através da implantação da respectiva macro em Visual Basic Excel, como sugerido no passo a passo do anexo 6.7.3. Existe também uma série de softwares, comercializados ou gratuitos, que resolvem esta equação, apresentando os valores dos coeficientes procurados. Curvas Características de Poços Pode-se considerar como curva característica Figura 6.7.4 - Curvas características de poços para diversos de um poço a relação gráfica entre a vazão e o alcances. rebaixamento com base na equação (6.7.3), para um dado tempo de bombeamento. Nas curvas obtidas a • extrapolação do valor do rebaixamento, no gráfico partir dessa equação, estão envolvidos dois termos: s versus log t, para o alcance desejado, conforme um de perda linear, proporcional à vazão, e um de mostrado na figura 6.7.5; perda não linear, proporcional ao quadrado da vazão • determinação de B(t) através da seguinte (Jacob, 1947) (figura 6.7.3) ou proporcional a uma expressão: potência n da vazão (Rorabaugh, 1953). Como se verá adiante, e já mencionado no capítulo 6.6, as perdas sp(t) - CQ n não lineares, para todos os fins práticos, podem ser B(t) = (6.7.5)Q consideradas proporcionais ao quadrado da vazão. Com base nessas curvas (figura 6.7.3) e admitindo-se sendo B(t) o coeficiente de perda linear para um tempo 2 um rebaixamento máximo disponível (RD), é possível t (alcance desejado) [T/L ], sp(t) o rebaixamento no determinar a vazão de explotação de um poço para poço bombeado no tempo t [L], Q a vazão do poço qualquer tempo de bombeamento (figura 6.7.4). na etapa usada para extrapolação do rebaixamento 3 Partindo dos valores dos parâmetros B e C, [L /T], C o coeficiente de perda turbulenta [T n/L3n-1] e que definem a curva característica para o tempo n a potência da vazão [adimensional]. de teste, para a construção da curva referente ao Assim, a equação característica de um poço para alcance desejado (tempo para o qual se desejar um tempo t qualquer passa a ser: fazer a avaliação), deve-se adotar o seguinte procedimento: sp(t) = B(t)Q + CQ n (6.7.6) 619 Cap_6.7_FFI.indd 3 9/12/2008 22:09:24 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços em meios porosos homogêneos, suscitam, do ponto de vista prático, a necessidade de uma nova interpretação na avaliação de perdas de carga turbulentas. É sabido que as vazões de testes de bombeamento em geral, nunca são rigorosamente constantes, estando sujeitas a oscilações por fatores diversos. Além disso, admite-se que a precisão das medidas nos diversos tipos de medidores de vazão (capítulo 6.3), mesmo nas melhores condições de execução, não passa de 95%. Isto, a julgar pelos resultados obtidos pela Universidade Purdue, que, após exaustivas calibrações de escoadores de orifício circular, obteve uma precisão Figura 6.7.5 - Extrapolação do rebaixamento no tempo. de 98% nas medições (Driscoll, 1986). Em condições normais de campo, portanto, onde nem sempre se conduzem as medições de vazão com Análise Crítica da Equação Característica o necessário rigor, a possibilidade de erros de até 10% O modelo analítico de perda de carga singular não pode ser descartada. Daí porque é muito comum de poços, sugerido por Jacob (1947), admite que as constatar que os dados de campo são inconsistentes, perdas devidas ao fluxo turbulento são proporcionais por não atenderem à condição: ao quadrado da vazão, isto é, Dh=CQ2. Vale, desde S /Q < S / Q < S /Q logo, ressaltar, que esse modelo é consistente com p1 1 p2 2 p3 3 a Equação Universal de perdas de carga de Darcy- Assim sendo, sem uma manipulação dos dados, Weisbach e com inúmeras fórmulas de perda de em muitas situações pode ser absolutamente inviável carga da hidráulica clássica, nas quais entra em jogo a proceder a uma análise consistente de perdas de carga proporcionalidade do fluxo ao quadrado da velocidade turbulentas com a equação de Rorabaugh. através do termo (v2/2g). Rorabaugh (1953), no entanto, Veja-se, por exemplo, a tabela 6.7.1, onde se propõe para as perdas turbulentas em poços, o modelo analisa um teste realizado em meio fraturado: a mais geral Dh=CQn, no qual o expoente da vazão pode primeira solução da equação (6.7.3), embora obtida ser diferente de 2. Cita vários exemplos e chega a a partir de dados de campo consistentes, apresentou sugerir como típicos, valores de n mais próximos de 2,5. um valor anômalo de n = 200,11. Perdas de cargas Assim sendo, o termo CQn foi incorporado à equação do proporcionais a uma potência da vazão dessa rebaixamento total em um poço e deu origem à equação magnitude, mesmo podendo ser matematicamente (6.7.3), conhecida como Equação de Rorabaugh. A justificadas na teoria, certamente não o são na prática. validade do método de Rorabaugh (1953) tem sido Daí porque esse resultado, julgado inconsistente, corroborada por vários autores (por exemplo, Lennox, motivou uma manipulação dos valores observados em 1966; Norris, 1976), que também obtiveram valores de n campo. Como a vazão é o parâmetro mais diretamente maiores do que 2 em poços completados em aqüíferos afetado pelo valor do expoente n, procurou-se avaliar sedimentares e, também, em poços perfurados em outras soluções da equação (6.7.3) para valores aqüíferos nos quais uma parte da vazão do poço foi ligeiramente modificados da vazão da última etapa considerada oriunda de fraturas. do teste (por ser a maior), mantendo-se inalterados Atkinson et al. (1994) aplicaram a equação os demais dados. (6.7.3) para o fluxo em meio fraturado e admitem ter Alterando-se em 2,8% o valor da vazão, por comprovado a validade da mesma ao obter respostas exemplo, de 3,59 m3/h, medida na última etapa, similares às observadas no campo, em testes de para 3,69 m3/h, obtém-se uma segunda solução bombeamento com 3 etapas, e em laboratório, com valor de n = 2,40. Prosseguindo com outras com modelo de uma única fratura, concluindo tentativas, chega-se a um valor de n = 2 para uma que o valor de n oscila tipicamente entre 2 e 3. Na vazão de 3,972 m3/h. Note-se que o valor da vazão verdade, o que fizeram esses autores foi um ajuste, da última etapa foi ajustado em +5,6% (valor dentro a dados experimentais de campo e de laboratório, da margem de erro dos equipamentos de medição), de expressões polinomiais na forma da equação para obter perdas de carga turbulentas proporcionais (6.7.3), usando um programa de regressão não linear ao quadrado da vazão. denominado FASTEP (Labadie & Helweg, 1975), que, Um segundo exemplo de teste de produção de três em essência, é uma versão computadorizada do etapas é apresentado para um poço perfurado em meio método de Rorabaugh (1953). poroso homogêneo, no aqüífero livre das dunas de Na região Nordeste do Brasil, aplicações da Fortaleza, no Parque do Cocó. Os resultados (tabela equação de Rorabaugh a testes de produção em 6.7.2) mostram que com um pequeno diferencial, cada três etapas, tanto em poços construídos em meios novo valor da vazão da última etapa produz uma nova fraturados heterogêneos quanto em poços construídos solução. 620 Cap_6.7_FFI.indd 4 9/12/2008 22:09:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Solução t (horas) Q m3/h sp (m) B C n M K s/Q sp calc %Erro 4,00 1,65 3,74 2,2955 2,1E-111 200,11 7,27 64,52 2,267 3,79 -1,3E+00 1 4,00 1,67 3,93 2,353 3,83 2,5E+00 4,00 3,59 10,71 2,983 10,81 -9,7E-01 4,00 1,65 3,74 1,9636 0,149993 2,40 33,90 19,37 2,267 3,74 1,72E-06 2 4,00 1,72 3,93 2,285 3,93 -3,4E-06 4,00 3,69 10,71 2,902 10,71 1,34E-06 4,00 1,65 3,74 1,8412 0,256724 2,01 29,70 20,01 2,267 3,74 1,9E-06 3 4,00 1,72 3,93 2,285 3,93 -3,7E-06 4,00 3,79 10,71 2,826 10,71 1,5E-06 4,00 1,65 3,74 1,8377 0,259843 2,00 29,61 20,03 2,267 3,74 1,2E-06 4 4,00 1,72 3,93 2,285 3,93 -2,3E-06 4,00 3,792 10,71 2,824 10,71 9,3E-07 Tabela 6.7.1 - Soluções da equação de Rorabaugh em teste de produção de três etapas realizado em um poço perfurado no Granito Meruoca na localidade de Jordão, Ceará. Ajustando-se em +5,6% o valor da vazão da última etapa, obtém-se uma solução com perdas proporcionais ao quadrado da vazão, com erro da ordem 10-6 %. Solução t (horas) Q m3/h sp (m) B C n M K s/Q sp calc %Erro 6,00 4,320 1,72 0,3394 0,000236 4,77 2,03 2,13 0,398 1,72 6,4E-07 1 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -1,2E-06 6,00 5,904 3,13 0,530 3,13 4,8E-07 6,00 4,320 1,72 0,2958 0,003013 3,41 1,84 2,23 0,398 1,72 1,0E-06 2 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -1,9E-06 6,00 6,000 3,13 0,522 3,13 7,9E-07 6,00 4,320 1,72 0,411 1,39E-14 17,41 1,60 2,37 0,398 1,78 -3,3E+00 3 6,00 5,004 2,21 0,442 2,08 6,0E+00 6,00 6,120 3,13 0,511 3,21 -2,6E+00 6,00 4,320 1,72 0,1606 0,044548 2,14 1,64 2,35 0,398 1,72 2,9E-07 4 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -5,3E-07 6,00 6,100 3,13 0,513 3,13 2,3E-07 6,00 4,320 1,72 0,1303 0,059888 2,02 1,62 2,36 0,398 1,72 7,7E-07 5 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -1,4E-06 6,00 6,110 3,13 0,512 3,13 6,0E-07 6,00 4,320 1,72 0,1269 0,061722 2,01 1,62 2,36 0,398 1,72 2,2E-08 6 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -3,9E-08 6,00 6,111 3,13 0,512 3,13 1,7E-08 6,00 4,320 1,72 0,1262 0,062096 2,009 1,62 2,36 0,398 1,72 3,9E-07 7 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -7,1E-07 6,00 6,1112 3,13 0,512 3,13 3,1E-07 6,00 4,320 1,72 0,1237 0,063427 2,001 1,62 2,36 0,398 1,72 8,6E-07 8 6,00 5,004 2,21 0,442 2,21 -1,5E-06 6,00 6,1119 3,13 0,512 3,13 6,7E-07 Tabela 6.7.2 - Soluções da equação de Rorabaugh em teste de três etapas realizado em poço de aqüífero livre, homogêneo, nas dunas do Parque do Cocó – Fortaleza-CE. Ajustando-se em apenas +3,5% o valor da vazão da última etapa de teste, obtêm-se soluções nas quais as perdas turbulentas são proporcionais ao quadrado da vazão, com erro máximo da ordem de 10-6%. A partir do que se vê nas tabelas 6.7.1 e 6.7.2, pode-se se que o valor B = W(u) /4pT, caracteriza um resultado dizer que, dentro da margem de erro da vazão medida, a constante e bem definido do coeficiente de perda linear do equação (6.7.3), que é transcendente, possui um número aqüífero, para um tempo ti em um local ri (xp, yp). Logo, das infinito de soluções e não apenas valores oscilantes infinitas soluções da equação de Rorabaugh, somente “tipicamente entre 2 e 3”. Assim, para um mesmo teste deve existir uma solução compatível com as propriedades de produção em três etapas (com margem de 5% de do aqüífero e do poço. A conclusão da presente análise, erro no valor da vazão medida na última etapa), existe realizada usando o algoritmo computacional do anexo uma combinação infinita de valores dos parâmetros B, 6.7.2, é que essa solução viável vem a ser exatamente C e n que satisfazem às condições do teste. aquela que corresponde ao modelo de perdas turbulentas Todavia, o termo de perda de carga linear BQ, na proporcionais ao quadrado da vazão, conforme já equação de Rorabaugh, depende das propriedades estabelecido na hidráulica clássica. Ou seja, através da hidráulicas do aqüífero. Essas propriedades são únicas generalização proposta pela equação de Rorabaugh, e típicas do aqüífero no local (xp, yp) do poço testado. demonstra-se experimentalmente (tabela 6.7.1, para meio Adotando, por exemplo, como modelo de referência do fraturado, e tabela 6.7.2, para meio poroso) a perfeita fluxo para o poço, a função W(u), de Theis (1935), verifica- validade do modelo de Jacob (1947). 621 Cap_6.7_FFI.indd 5 9/12/2008 22:09:24 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços 6.7.3 Avaliação de Vazões de Explo- Q = 27,17 t-0,04 tação de Poços Tubulares em Meios s(t) Homogêneos Assim, para se calcular a capacidade específica do poço para qualquer alcance Dt, utiliza-se esta Método de Decaimento da Capacidade expressão. Por exemplo, a capacidade específica para Específica - Teste de Produção em Etapa Dt = 5 anos (26.280.000 minutos) de bombeamento Única / Regime Transiente contínuo será dada por: O método de decaimento da capacidade Q = 27,17(2628000-0,04 ) = 15,042 m3 / h / m específica consiste em se ajustar aos pontos da s(5anos) curva vazão específica (Qesp) versus tempo (t) uma Ao final do teste de bombeamento, a capacidade função matemática. Em meios homogêneos, este específica medida para 57 horas de bombeamento procedimento permite estimar vazões específicas para foi de 19,85 m3/h/m. Ressalta-se, portanto, que qualquer alcance desejado. no regime transiente, embora o ritmo da evolução Para exemplificar, vamos considerar um teste dos rebaixamentos diminua, ficando, muitas vezes, de produção realizado, numa única etapa de imperceptível para curtos intervalos de tempo, os bombeamento, no poço APp-VII, que capta o aqüífero rebaixamentos evoluem continuamente no tempo. Cabeças, no vale do Gurguéia – PI. Deseja-se A determinação da vazão de explotação (Qe) é feita determinar a vazão de explotação para um alcance de através da seguinte expressão: 5 anos, considerando o bombeamento contínuo e um rebaixamento máximo disponível de 25 metros. Qe(Dt) = Qesp(Dt). RD (6.7.7) Inicialmente, foi construído o gráfico Qesp versus t e sendo Q a vazão de explotação, Q (Dt) a vazão feitos ajustes de funções matemáticas, como ilustrado e espespecífica para o alcance considerado [L2T-1] e RD o na figura 6.7.6. Conforme pode ser visto, o melhor rebaixamento disponível [L]. ajuste obtido foi com a uma função do tipo exponencial, onde a capacidade específica (para este caso e para No caso exemplificado, como o RD previsto para o o tempo t em minutos) será dada por: poço é igual a 25 metros, a vazão de explotação avaliada para 5 anos de bombeamento será dada por: Q (Dt)=15,042 m3/h/m . 25 m = 376 m3e /h Método do Teste de Produção em Múltiplas Etapas – Regime Transiente A determinação de vazões de explotação através desta metodologia é baseada na equação característica de funcionamento do poço (e, conseqüentemente, na sua curva característica), para o alcance desejado, e no rebaixamento máximo disponível. Expressando a equação característica (6.7.3) em termos do rebaixamento específico, obtém-se: s = B + CQn-1 (6.7.8) Q Partindo da hipótese de que as perdas de carga não lineares na equação (6.7.8) são proporcionais ao quadrado da vazão, então n = 2 e a equação (6.7.9) representa a reta de ordenada na origem B e coeficiente angular C (capítulo 6.6, figura 6.6.15). s = B + CQ (6.7.9) Q Para exemplificar o método, serão utilizadas as informações de um teste de produção realizado no Poço P-2-9, que capta os arenitos aqüíferos da Figura 6.7.6 - Ajustes de funções matemáticas aos pontos Formação Beberibe, em Paulista-PE. Foi realizado um plotados referentes aos pares capacidade específica versus teste de produção escalonado em 4 etapas, cujos tempo: (a) ajuste exponencial; (b) ajuste logarítmico. dados são apresentados na tabela 6.7.3. 622 Cap_6.7_FFI.indd 6 9/12/2008 22:09:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ETAPA 1 ETAPA 2 ETAPA 3 ETAPA 4 Com base na equação característica do poço para Q = 21,20 Q = 31,75 Q = 47,59 Q = 63,29 1 hora de bombeamento (equação 6.7.10), foram feitos (m3/h) (m3/h) (m3/h) (m3/h) os seguintes procedimentos: t (min) s (m) t (min) s (m) t (min) s (m) t (min) s (m) i) determinação da equação e da curva característica 4 8,54 62 13,38 122 20,83 183 29,72 do poço para um alcance de15 anos; 6 8,81 64 14,09 124 21,87 184 31,08 ii) determinação da vazão de explotação para um 8 8,88 66 14,30 126 22,32 186 31,53 alcance de 15 anos, de modo que o rebaixamento 10 9,00 68 14,46 128 22,57 188 31,77 disponível do poço, avaliado em 45 metros, não 15 9,21 70 14,53 130 22,67 190 31,97 seja ultrapassado. 20 9,30 75 14,69 135 23,17 195 32,41 A equação (6.7.10) é válida, apenas, para 1 hora 29 9,57 80 14,84 140 23,32 200 32,75 de bombeamento, portanto, foi preciso determinar a 30 9,64 85 14,97 145 23,54 205 32,85 equação característica para o alcance solicitado (15 40 9,82 90 15,08 150 23,65 210 33,20 anos). Inicialmente, foi calculado o valor de B para 15 50 9,97 100 15,28 160 24,05 220 33,41 anos. Para isto, utilizando–se os dados da primeira 60 10,05 120 15,45 170 24,23 230 33,90 etapa de bombeamento (tabela 6.7.3), foi construído 180 24,40 240 34,13 o gráfico s versus log t (figura 6.7.8). Como os dados de rebaixamento são do próprio Tabela 6.7.3 - Dados do teste de produção escalonado do poço bombeado, em geral, o valor de u é muito poço P-2-9-AL. pequeno e a aproximação logarítmica de Jacob é válida. Portanto, é possível ajustar uma reta aos pontos O primeiro passo foi utilizar os dados das quatro plotados e prolongá-la até o tempo correspondente a etapas de 1 hora de bombeamento, correspondentes 15 anos (figura 6.7.8). Tal procedimento permite avaliar aos tempos de 60, 120, 180 e 240 minutos, conforme o rebaixamento do nível potenciométrico devido às mostrado na tabela 6.7.3, e com eles construir o perdas lineares, supondo que o bombeamento da gráfico de rebaixamento específico versus vazão primeira etapa se prolonga por 15 anos nesse único (figura 6.7.7). O ajuste linear realizado apresenta poço e que o aqüífero tem extensão lateral infinita. Claro excelente precisão, com coeficiente de determinação que esta simplificação admite que as características igual a 0,996 e erro médio quadrático de 4,9.10-6. Com do aqüífero nas proximidades do poço bombeado, base nos valores dos parâmetros B e C, calculados, possam ser extrapoladas para todo o domínio, ou seja, e no valor atribuído para n (n = 2), a equação considera-se o meio homogêneo e isotrópico. característica de funcionamento do poço para 1 hora de De acordo com o gráfico da figura 6.7.8, o bombeamento, com a vazão em m3/h, é a seguinte: rebaixamento para 15 anos é 16,60 metros. Assim, utilizando-se a equação (6.7.6), supondo C sp = 0,4389Q + 0,001568Q 2 (6.7.10) (1 hora) constante, por questões de simplificação, obtém-se facilmente o valor de B, devendo-se ter o cuidado de observar as unidades: t (anos) s(t) CQ2 BQ B (s/m2) B (h/m2) 1,31.10-4 10,01 0,70 9,30 1580,04 0,4389 15 16,60 0,70 15,90 2699,20 0,7498 Figura 6.7.7 - Avaliação dos parâmetros da equação característica através de ajuste linear aos dados de Figura 6.7.8 - Avaliação do rebaixamento após 15 anos de rebaixamento específico do poço P-2-9-AL. bombeamento. 623 Cap_6.7_FFI.indd 7 9/12/2008 22:09:24 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços Os valores dos parâmetros são: Valor Parâmetro Símbolo Unidade 1 hora 15 anos Coeficiente de h/m2 0,4389 0,7498 B perda laminar s/m2 1580,04 2699,20 h2/m5 0,001568 0,001568 Coeficiente de C perda turbulenta h2/m5 20321.28 20321.28 Expoente da adimen- n 2 2 vazão sional Reescrevendo a equação característica do poço para 15 anos, com vazão em m3/s: sp = 2699,2Q + 20321,28Q 2 (6.7.11) Aplicando-se as equações características do poço, obtidas para 1 hora e 15 anos, é possível se obter Figura 6.7.9 - Curvas características do poço P-2-9. uma série de valores correspondentes de vazão (Q) e rebaixamento (sp), apresentados na tabela 6.7.4. Com esses valores foram construídas as curvas características O poço utilizado no exemplo aqui discutido foi do poço P-2-9, apresentadas na figura 6.7.9. testado novamente 15 anos depois de sua perfuração, Com esse gráfico, agora é possível determinar a mostrando que houve uma perda de eficiência de vazão do poço que não ultrapasse o rebaixamento cerca de 27%, ou seja, empregando-se a mesma disponível de 45 metros após 15 anos consecutivos vazão de 15 anos atrás, os rebaixamentos foram cerca de bombeamento, que, no caso, foi 55 m3/h, como de 27% maiores. mostrado na figura 6.7.9. É importante lembrar que, em geral, as curvas Cálculo das Propriedades Hidráulicas do características, são determinadas logo após a Aqüífero com Testes de Múltiplas Etapas perfuração do poço, quando os tubos utilizados para revestimento, os filtros e demais materiais e Transmissividade equipamentos empregados são novos. Com o passar As propriedades hidráulicas do aqüífero podem ser dos anos, irão ocorrer corrosões, incrustações e avaliadas conhecendo-se o valor do parâmetro B(t), desgastes que, certamente, alterarão as características através de testes em múltiplas etapas. iniciais do poço, modificando as condições em que No caso aqui estudado, usando-se a equação essas curvas foram determinadas. (6.7.10), com a vazão em m3/s, obtêm-se B(1 h) = 1.580,04 s/m2 e verifica-se, com os dados da 15 anos - Equação (6.7.7) 1 hora - Equação (6.7.6) primeira etapa do teste (Q = 21,2 m3/h), que as Q s Q s perdas turbulentas representam apenas 7 a 8% do p p (m3/h) (m3/s) (m) (m3/h) (m3/s) (m) rebaixamento total. Considerando este fato e em favor da segurança, 0 0,00 0,00 0,00 0,00 a transmissividade foi estimada considerando- 10 0,002778 7,79 10 0,002778 4,69 se o valor do rebaixamento como sendo 95% do 20 0,005556 15,65 20 0,005556 9,46 valor do rebaixamento observado (tabela 6.7.3), 30 0,008333 23,67 21,2(*) 0,005889 10,04 supostamente produzido apenas pelas perdas lineares. 40 0,011111 31,93 30 0,008333 14,38 Os resultados, ilustrados na figura 6.7.10, indicaram 50 0,013889 40,51 31,75(*) 0,008819 15,26 uma transmissividade de 8,86.10-4 m2/s. 60 0,016667 49,50 40 0,011111 19,54 Uma outra solução do mesmo problema, com a 70 0,019444 59,00 47,59(*) 0,013219 23,67 qual se obtém 95% de perdas lineares com a vazão de 80 0,022222 69,07 50 0,013889 25,03 21,2 m3/h da primeira etapa do teste, foi obtida através 60 0,016667 30,93 do algoritmo do anexo 6.1.2, a qual é a seguinte: 63,29(*) 0,017581 32,97 s = 0,448935Q + 0,001171Q2,00370 0,019444 37,33 p (6.7.12) 80 0,022222 44,31 Na equação (6.7.12), com n = 2,003, já se obtém, (*) - Valores de vazão utilizados no teste de produção para um tempo de 1 hora, um valor de B(t) = 1.616,17 2 Tabela 6.7.4 - Cálculo dos rebaixamentos para construção s/m . Portanto, a equação característica correta é a que das curvas características. aparece na figura 6.7.7, onde n = 2. 624 Cap_6.7_FFI.indd 8 9/12/2008 22:09:24 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações -4 2 = T = 8,86.10 m / sS = 1,13.10-4 (6.7.14) D 7,83 m2 / s Por fim, é importante ressaltar que o comportamento da evolução da superfície potenciométrica de um aqüífero em explotação pode ser perfeitamente modelado, tendo-se conhecimento das curvas características dos poços e dos parâmetros hidráulicos do aqüífero. Método do Teste de Produção em Múltiplas Etapas - Regime Estacionário Quando o regime de fluxo da água subterrânea para o poço atinge o regime estacionário, em geral, o procedimento utilizado para a determinação das vazões de explotação consiste na realização de três etapas de bombeamento, com Q1 < Q2 < Q3, até o alcance da estabilização do nível dinâmico em cada etapa de bombeamento. O gráfico construído com os Figura 6.7.10 - Cálculo da transmissividade do aqüífero usando apenas os valores das perdas lineares estimadas pares de valores Q versus Sm (rebaixamento máximo, com os dados da primeira etapa do teste, a partir da equação ou seja, rebaixamento do nível estabilizado)permite característica (6.7.10). estabelecer uma vazão de explotação com base no RD avaliado para o poço, conforme ilustrado na figura 6.7.11. Difusividade Embora não seja usual a determinação da difusividade hidráulica (D = T/S) a partir de dados do próprio poço bombeado, no presente exemplo isto foi possível graças ao conhecimento do valor do parâmetro B(t) e, sobretudo, ao fato de que somente foram usados dados de perdas lineares na avaliação da transmissividade do aqüífero. Foi considerado, ainda, o poço como totalmente penetrante e com diâmetro de 6” (raio de 0,0381 m), ou seja, admite-se que as perdas lineares são apenas aquelas que ocorrem no aqüífero, em função do fluxo radial da água para o poço. A difusividade pode ser calculada através da seguinte expressão: r2 D = p e4pTB(t) (6.7.13) 2,25 t Figura 6.7.11 - Relação vazão (Q) x rebaixamento máximo (sm) para o regime estacionário. No caso exemplificado, para o tempo de 1 hora: ( 20,0381) (4.p.8,86.10-04.1580,04D = e ) =7,83 m2 / s 6.7.4 Avaliação de Baterias de Poços 2,25.3600 Fundamentos Básicos Usando-se a aproximação logarítmica de Jacob, confirma-se que: Nos tópicos acima foram examinados métodos de avaliação da capacidade de produção de poços  = 1 2,25Dt  1  2,25.7,83.3600  B(1h) ln  = ln  isolados em meios homogêneos ou meios porosos 4pT   r 2  4.p.8,86.10-04  (0,0381) 2  clássicos, nos quais podem ser aplicadas as equações p  analíticas de fluxo como, por exemplo, a equação de B(1 h) = 1.580,04 s/m2 Theis, a equação de Hantush etc. Quando temos, entretanto, dois, três ou mais poços Coeficiente de Armazenamento próximos entre si e bombeando simultaneamente, A determinação do coeficiente de armazenamento não é mais possível tratá-los individualmente. O pode ser feita, com base nos valores de T e D, através bombeamento de um dado poço causa rebaixamentos da relação D = T/S. Assim, no caso presente: nos demais poços vizinhos e este, por sua vez, tem 625 Cap_6.7_FFI.indd 9 9/12/2008 22:09:25 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços seu nível rebaixado pelo bombeamento dos demais A figura 6.7.12a mostra um poço P1 bombeando poços situados nas suas vizinhanças. Costuma-se um aqüífero confinado, com uma vazão qualquer Q, dizer, na terminologia hidrogeológica, que cada poço menor que sua vazão máxima possível Qmax. Esta última causa interferências nos demais poços e, por sua vez, seria obtida se fosse imposto o rebaixamento máximo recebe as interferências devidas ao funcionamento disponível RD1, definido no item 6.7.2 deste capítulo. dos demais poços. Assim, o conjunto de poços Na parte (b) da figura 6.7.12, considera-se, deve ser tratado como uma unidade que designa-se agora, um segundo poço P2, próximo ao primeiro e bateria de poços. separado por uma distância r, sendo bombeado com Bateria de poços, em um aqüífero homogêneo, pode uma vazão qualquer Q’’. Nesta situação, verifica-se ser definida como um conjunto de poços no qual cada que existe interferência (si) em cada poço, causada unidade causa interferências significativas nas demais pelo bombeamento do outro. Como reflexo dessa unidades e sofre interferências significativas dessas interferência, o rebaixamento máximo disponível de P1, mesmas unidades. Assim, um poço mais afastado não em sua situação inicial RD1 (poço isolado), sofrerá uma faz parte de uma bateria de poços se seu bombeamento redução passando a RD2. Isso significa dizer que se não afetar os poços dessa bateria, embora ele próprio fosse imposto o rebaixamento máximo disponível RD2, possa ser afetado pelo bombeamento da bateria. Vista seria obtida uma vazão máxima possível para o poço por este ângulo, verifica-se que a operação de uma P1 (Q’max) inferior à sua vazão máxima possível (Qmax) bateria de poços num dado aqüífero pode provocar quando ele estava isolado. Este mesmo raciocínio interferências muito grandes em poços distantes. De pode ser aplicado ao poço P2. Portanto, em última acordo com Feitosa et al. (1990), a bateria de poços análise, se o poço P1 produz uma vazão máxima do Projeto Piloto do DNOCS no Vale do Gurguéia, no Qmax quando isolado, os dois poços juntos (parte b Piauí, constituída de 15 poços captando o Aqüífero da figura) produziriam uma descarga conjunta menor Cabeças, provocou rebaixamentos de cerca de 0,65 que 2Qmax. metros a 34 quilômetros de distância. Em condições Verifica-se facilmente, por extensão, que com o como essa, portanto, a avaliação da capacidade de aumento do número de poços, a descarga global da produção de poços isolados não pode deixar de bateria aumenta, mas a vazão individual de cada poço levar em conta o efeito da operação de baterias de diminui. Aumentando-se excessivamente o número de poços existentes na região. Nas baterias de poços, poços da bateria, a taxa de crescimento da descarga o rebaixamento em cada poço é constituído de duas global tende a se atenuar. Esse comportamento é mais parcelas bem distintas: acentuado ou menos acentuado, na dependência de (a) rebaixamento causado pelo bombeamento do um número de variáveis, tais como o espaçamento próprio poço; e entre os poços, o tipo de aqüífero, os parâmetros T e S desse aqüífero, as vazões dos poços e o regime (b) rebaixamento devido ao somatório das de bombeamento. Mas como regra geral, a partir de interferências dos demais poços. Nas baterias constituídas de muitos poços, a segunda parcela pode ser muito maior que a primeira. Por exemplo, na bateria do Projeto Piloto do DNOCS, no Vale do Gurguéia, as interferências em cada poço podem chegar a duas vezes o rebaixamento devido ao seu próprio bombeamento (Feitosa, 1990). Para uma bateria de 68 poços captando o Aqüífero Açu, na região de Mossoró, no Rio Grande do Norte, as interferências chegam a 8 vezes o rebaixamento devido ao bombeamento do próprio poço (Feitosa, 1997). É fácil verificar, pelos exemplos acima, que as interferências comprometem parte do rebaixamento máximo disponível dos poços, isto é, aquele rebaixamento máximo que se pode impor nos poços para se obter a vazão máxima possível. Em baterias constituídas de muitos poços, como no caso da região de Mossoró, acima citado, esse comprometimento pode ser muito severo, fazendo diminuir significativamente a vazão máxima possível de cada unidade. A figura 6.7.12 procura esclarecer o significado das interferências mútuas entre os poços e seus papéis na diminuição das vazões máximas possíveis de cada unidade. Figura 6.7.12 - Interferências entre poços. 626 Cap_6.7_FFI.indd 10 9/12/2008 22:09:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações certo número de poços, a descarga da bateria não • os rebaixamentos máximos permissíveis (Sk ≤ h0/3) mais cresce e tende, mesmo, a diminuir. Chega-se, e a não negatividade das vazões, ou seja: assim, ao seguinte contra-senso: perfurar mais poços (Q ≥ 0 ∀ i = 1,2,....,N) para obter menos água. Um exemplo de uma situação i desse tipo será mostrado adiante. são as restrições impostas em cada poço k, situado Programar baterias de poços e avaliar a capacidade no ponto (xk, yk), do domínio em estudo. de produção de baterias existentes são tarefas Em termos matemáticos, a formulação do problema freqüentemente demandadas ao hidrogeólogo. A íntima de otimização considerado, se faz da seguinte maneira: interdependência dos poços agrupados em bateria e o Função objetivo: significativo volume de cálculos necessários conferem a essa atividade uma razoável complexidade, senão Max z = Q1 + Q2 + .... + Qn (6.7.15) em termos de teoria, mas, ao menos, em termos de Sujeito a minuciosidade e tempo requerido. O desenvolvimento de modelos analíticos de simulação de baterias de  1sk(Q1, Q2, ... ,Qn ) ≤ h0k poços, como ferramentas de trabalho, deu-se, portanto,  3 (6.7.16) naturalmente, na esteira do surgimento das calculadoras Qi ≥ 0 ∀ (i = 1, 2, ..., N) programáveis, na década de 80. Na década de 90, a difusão dos microcomputadores tornou possível a Essa é a forma padrão usada em programação linear para a solução do problema de otimização através do ampliação e o refinamento desses modelos. Algoritmo Simplex. Esse algoritmo está disponível no Nos tópicos seguintes serão apresentados e programa Microsoft Excel, através da ferramenta de discutidos dois modelos de avaliação da capacidade análise denominada SOLVER, que permite solucionar de produção de baterias de poços. matrizes com até 200 variáveis. Ou seja, é capaz de permitir a solução de problemas de hidrogeologia Modelo Simplex envolvendo até 200 poços de bombeamento. Nos sites de programação linear da web, encontram-se O chamado método ou modelo Simplex é um programas comerciais para a solução de problemas algoritmo de programação linear (Dantzig, 1963), com maior número de variáveis. usado em hidrogeologia, especialmente na solução de A dependência funcional entre as vazões dos poços problemas de gestão de aqüíferos, através de modelos e os rebaixamentos é dada pelo modelo do aqüífero de otimização, cuja formulação é caracterizada por: através da chamada matriz de influência ou função • uma função objetivo, que define a quantidade a ser tecnológica Bik assim definida, para um aqüífero maximizada ou minimizada e a sua dependência confinado, homogêneo e isotrópico. funcional das variáveis de decisão; e Regime permanente - usando o modelo de Thiem, a • restrições das variáveis de decisão através das matriz de influência é dada por: quais se procura um ótimo. 1  r0 B = ln , r ≤ r Um exemplo clássico em hidrogeologia é o da ik 2pT r ik 0 (6.7.17) ik  determinação da vazão máxima explotável de uma bateria de N poços, com vazões Qi, em um aqüífero sendo r0 o raio de influência de cada poço e rik a matriz de espessura h0, para um rebaixamento, digamos, de de distâncias entre os poços. 1/3 da espessura saturada após um período de 50 Nesse caso, o rebaixamento total em cada ponto anos. As restrições exigem que em M pontos (x , y ) (xk, yk) é dado por:k k do aqüífero, as cargas hidráulicas não sejam inferiores N  Q   r  N a (2/3)h0. Neste caso, trata-se de um problema em s i 0 k(Q1,...,QN ) = ∑  ln  = ∑BikQi (6.7.18) regime transiente, mas que também pode ser estudado i=1 4pT   rik  i=1 em regime estacionário. O problema de otimização, se escreve: A identificação desse problema exemplo com o modelo de otimização acima formulado é feita Função objetivo mediante as seguintes correspondências:  N N ∑BikQi ≤ sk,max • a vazão explotável é a função objetivo, a ser Max z = ∑Qi Sujeito a  i=1 maximizada; i=1 Qi ≥ 0 • o modelo do aqüífero (que pode ser analítico ou Regime Transiente - no modelo de Theis, a matriz de numérico) caracteriza a dependência funcional das influência, considerando L intervalos de tempo (contados variáveis de decisão na função objetivo; de m = 1, 2,..., L), de Dt anos, cobrindo um período t = • as vazões Q , dos N poços são as variáveis de LDt (por exemplo, 5 intervalos de 10 anos, ou seja, um i decisão; período t = 50 anos) é dada por: 627 Cap_6.7_FFI.indd 11 9/12/2008 22:09:25 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços 1   r2S   r2  Simulação 1 Simulação 2 Coordenadas BL-m ik ikik = W4pT     - W   4T(L - m + 1)Dt    Poços s Q s Q  4T(L - m)Dt  (6.7.19) x y (m) (m3/h) (m) (m3/h) Os rebaixamentos nos pontos (x , y ), são dados P - 01 6 18.5 4,75 47 7,00 105,4k k pela expressão: P - 02 6 1.5 4,75 47 7,00 105,4 P - 03 12 18.5 5,00 28 7,00 61,9 L N m L-m P - 04 12 1.5 5,00 28 7,00 61,9sk(t) = ∑ ∑Qi Bki (6.7.20) P - 05 18 18.5 5,50 47 7,00 62,4 m=1 i=1 P - 06 18 1.5 5,50 47 7,00 62,4 P - 07 24 18.5 5,75 45 7,00 59,2 Simulação dos Rebaixamentos e Otimização das P - 08 24 1.5 5,75 45 7,00 59,2 Vazões P - 09 30 18.5 6,00 44 7,00 56,9 A utilização do modelo Simplex em problemas de P - 10 30 1.5 6,00 44 7,00 56,9 P - 11 36 18.5 6,50 68 7,00 55,6 simulação de rebaixamentos e otimização de vazões será P - 12 36 1.5 6,50 68 7,00 55,6 abordada através de dois estudos de caso considerando: P - 13 42 18.5 6,50 44 7,00 51,8 (1) regime estacionário e (2) regime transiente. P - 14 42 1.5 6,50 44 7,00 51,8 (1) Regime Estacionário P - 15 48 18.5 7,00 106 7,00 78,2 P - 16 48 1.5 7,00 106 7,00 78,2 Um problema de construção civil requer um P - 23 72 19.5 7,00 98 7,00 80,3 rebaixamento de 7 m do nível freático em um aqüífero P - 24 72 0.5 7,00 98 7,00 80,3 livre com 100 m de espessura, condutividade hidráulica P - 25 78 19.5 7,00 75 7,00 54,0 de 4.10-4 m/s, e nível estático de 2 m. Adotou-se um P - 26 78 0.5 7,00 75 7,00 54,0 P - 27 84 19.5 6,50 50 7,00 58,5 dispositivo de 30 poços de 25 m de profundidade, P - 28 84 0.5 6,50 50 7,00 58,5 revestidos em 6”, com 18 m de filtros de PVC P - 29 90 19.5 6,50 71 7,00 61,0 geomecânico (10% de área aberta). O sítio estudado se P - 30 90 0.5 6,50 71 7,00 61,0 encontra a uma distância de 300 m da linha costeira. P - 31 96 19.5 6,00 52 7,00 63,7 Depois de calculada a matriz de distância entre os P - 32 96 0.5 6,00 52 7,00 63,7 poços usando as coordenadas dos poços fornecidas P - 33 102 19.5 5,50 43 7,00 63,0 na tabela 6.7.5, a matriz de influência Bik foi calculada P - 34 102 0.5 5,50 43 7,00 63,0 com a equação 6.7.19, para um raio de influência de P - 35 108 19.5 5,00 47 7,00 106,7 P - 36 108 0.5 5,00 47 7,00 106,7 300 m, onde se encontra a fronteira de recarga que (m3/h) 1.732 2.038 limita o freático lateralmente. Vazão (L/s) 481 566 Finalmente, usando o modelo de Thiem (1906), com (m3/d) 41.559 48.900 a devida correção de penetração parcial, as vazões Tabela 6.7.5 - Vazões ótimas de bombeamento para o mínimas Qi necessárias para obter o rebaixamento Sk problema de otimização do regime permanente. desejado em cada poço, foram avaliadas solucionando a equação Sk = BikQi através da ferramenta Solver do Microsoft Excel. Os resultados são apresentados na tem-se uma condutividade hidráulica K = 2,5.10 -05 m/s tabela 6.7.5, para duas diferentes condições: e uma porosidade efetiva he= 0,08. A correção de Jacob de aqüífero livre para confinado deve ser feita Simulação 1 - rebaixamentos variáveis de 4,75 m, para permitir a utilização do modelo de Theis: nos poços extremos a, 7 m, nos poços centrais. A vazão mínima a ser bombeada dos 30 poços é de 1.732 m3/h, (h0 - hp )2 variando de 28 a 106 m3/h nos diferentes poços e com s = (h0 - hp ) - um valor médio de 58 m3/h por poço. 2h0 Simulação 2 - rebaixamento geral de 7 metros Desse modo, é possível verificar que em um poço em todos os poços. A vazão mínima a ser bombeada isolado, com vazão de 9 L/s, a perda da formação, após dos 30 poços é de 2.038 m3/h, variando de 51,8 a 50 anos, é de 10,22 m. Se forem instalados 24 m de 106,7 m3/h nos diferentes poços, e com uma vazão filtros, a perda devida à penetração parcial DS0 é igual média de 85 m3/h por poço. a 5,47 m e as perdas de entrada nos filtros D2= 0,79 m. Tem-se, assim, um rebaixamento total de 16,48 m. (2) Regime Transiente Restringindo-se, portanto, os rebaixamentos a 1/3 Em um aqüífero livre com espessura média saturada da espessura saturada, qual seria a vazão explotável de h = 50 m, o rebaixamento disponível (s = h - h ), durante um período de 50 anos, através de 49 poços 0 0 p correspondente a 1/3 da espessura saturada, é igual distribuídos, com distância regular de 750 m, numa a 16,67 m. Em média, admite-se nesse aqüífero área de 20,25 km2 (4,5 km de lado)? A resposta é uma a possibilidade de perfurar poços com 100 m de descarga total de 105,5 L/s, variando em cada poço, de profundidade, em diâmetro de 12”, com revestimento um mínimo de 0,6 L/s, a um máximo de 4,8 L/s, como e filtros em 6”. Como parâmetros hidráulicos médios mostrado na tabela 6.7.6. 628 Cap_6.7_FFI.indd 12 9/12/2008 22:09:25 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Vazão Ótima s Vazão Ótima s Na figura 6.7.13, é mostrado o fluxograma do Poço max Poço max Hm3/ano L/s (m) Hm3/ano L/s (m) modelo Planat-Labhid, isto é, a representação gráfica 1 0.151 4.8 16.67 26 0.020 0.6 16.67 do seu algoritmo. As principais passagens deste 2 0.104 3.3 16.67 27 0.035 1.1 16.67 fluxograma serão comentadas a seguir. 3 0.087 2.8 16.67 28 0.082 2.6 16.67 Entrada de Dados - os dados entram a partir do 4 0.082 2.6 16.67 29 0.087 2.8 16.67 teclado ou a partir de um arquivo de dados. No caso de 5 0.087 2.8 16.67 30 0.039 1.2 16.67 uma nova bateria, os dados entram, geralmente, a partir 6 0.104 3.3 16.67 31 0.024 0.8 16.67 do teclado e o programa gera um arquivo de dados 7 0.151 4.8 16.67 32 0.020 0.6 16.67 que pode ser lido em entradas posteriores. Os dados 8 0.104 3.3 16.67 33 0.024 0.8 16.67 dos poços são armazenados sob a forma de vetores 9 0.055 1.7 16.67 34 0.039 1.2 16.67 (variáveis indexadas). Tem-se, assim, os vetores das 10 0.039 1.2 16.67 35 0.087 2.8 16.67 vazões iniciais, dos rebaixamentos disponíveis, das 11 0.035 1.1 16.67 36 0.104 3.3 16.67 penetrações parciais e das características construtivas. 12 0.039 1.2 16.67 37 0.055 1.7 16.67 Essas últimas incluem os raios dos poços, as extensões 13 0.055 1.7 16.67 38 0.039 1.2 16.67 e os diâmetros dos filtros e as extensões e os diâmetros 14 0.104 3.3 16.67 39 0.035 1.1 16.67 dos revestimentos. As coordenadas UTM dos poços 15 0.087 2.8 16.67 40 0.039 1.2 16.67 são também introduzidas. 16 0.039 1.2 16.67 41 0.055 1.7 16.67 17 0.024 0.8 16.67 42 0.104 3.3 16.67 18 0.020 0.6 16.67 43 0.151 4.8 16.67 19 0.024 0.8 16.67 44 0.104 3.3 16.67 20 0.039 1.2 16.67 45 0.087 2.8 16.67 21 0.087 2.8 16.67 46 0.082 2.6 16.67 22 0.082 2.6 16.67 47 0.087 2.8 16.67 23 0.035 1.1 16.67 48 0.104 3.3 16.67 24 0.020 0.6 16.67 49 0.151 4.8 16.67 25 0.017 0.5 16.67 Sub- Sub- 1.671 53.0 1.654 52.5 total total TOTAL 3,32 Hm3/ano 105,5 L/s Tabela 6.7.6 - Vazões ótimas de bombeamento para o problema de otimização do regime transitório. Modelo Planat-Labhid O modelo aqui denominado Planat-Labhid é um modelo analítico de simulação de baterias de poços desenvolvido por hidrogeólogos, inicialmente da Planat - Consultoria em Recursos Naturais (período de 1975 a 1985) e, posteriormente, do Labhid/UFPE - Laboratório de Hidrogeologia da Universidade Federal e Pernambuco (a partir de 1986), instados por suas necessidades profissionais e dada a inexistência dessa ferramenta no mercado especializado formal. Seus primeiros esboços foram delineados em 1982 e 1983 e sua feição atual foi atingida em 1998. É forçoso esclarecer que não se trata de um modelo profissional, no sentido de que tenha sido ou possa ser, tal como se encontra, formalmente comercializado. É escrito na linguagem Turbo Basic da Borland International, ainda em ambiente DOS. Assim, o mérito da sua discussão no presente capítulo prende-se muito mais ao seu algoritmo, isto é, à sua concepção, estrutura e modo de operação, que à divulgação do modelo em si. Pretende-se, em realidade, submeter seu algoritmo à apreciação dos interessados, como contribuição ao refinamento posterior dessa importante ferramenta. Figura 6.7.13 - Fluxograma do modelo Planat-Labhid. 629 Cap_6.7_FFI.indd 13 9/12/2008 22:09:25 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços Alteração de Dados - os dados, salvos em arquivo, podem ser alterados a qualquer momento e novamente salvos, ao longo da utilização do programa. O programa admite, também, o intercâmbio de poços, bem como a eliminação de poços da bateria. Montagem da Matriz de Distâncias - o programa monta, a partir das coordenadas, uma matriz de distâncias entre os poços. Nessa matriz, cuja concepção é ilustrada na figura 6.7.14, r(i,j) é a distância do poço i ao poço j. É evidente que, pela própria natureza do problema, r(i,j) = r(j,i). Assim, o programa calcula apenas as distâncias r(i,j) da parte inferior da diagonal, Figura 6.7.14 - Matriz de distâncias. sendo a parte superior preenchida instantaneamente por simetria. A diagonal da matriz, onde ficariam os raios W(u)(i,j) dos poços (distância do poço para ele próprio), não é si(i, j) = B(i, j)⋅Q(i) sendo B(i, j) = (6.7.22)4pT utilizada. Os raios dos poços são armazenados num vetor, em separado, por conveniências computacionais, Generalizando o raciocínio acima, os valores do para o cálculo dos rebaixamentos s (i), que são os coeficiente B(i,j), para as quatro situações contempladas 0 rebaixamentos em cada poço, causados pelos seus no modelo, são apresentados na tabela 6.7.7. A matriz próprios bombeamentos. de coeficientes B(i,j), uma vez montada, pode ser visualizada como mostrado na figura 6.7.15. Regime de Bombeamento e Tipo de Aqüífero - o programa oferece opções quanto ao regime de bombeamento: contínuo ou alternado. Para bombeamento alternado, o usuário pode indicar o número de horas diárias de bombeamento para cada mês. Em cada uma das opções, bombeamento contínuo ou alternado, o modelo permite a abordagem de aqüíferos confinados drenantes e não drenantes em regime transitório. As opções para regime permanente e para aqüífero livre não estão ainda disponíveis. Montagem da Matriz de Coeficientes B(i,j) - considere-se, como exemplo, o estudo de uma bateria de poços em aqüífero confinado não drenante, em regime de bombeamento contínuo. O rebaixamento Figura 6.7.15 - Matriz de Coeficientes Bi,j. si(i,j) ou, mais precisamente, a interferência causada pelo poço i no poço j, é dada pela equação de Theis, Como já mencionado, por conveniências mostrada a seguir. computacionais, os coeficientes B(i, j), para i = j, não 2 são armazenados na diagonal da matriz da figura Q(i) = r(i, j) Ss (i, j) = W(u)(i,j) sendo u(i, j) 6.7.15. Eles são armazenados num vetor B(i), cuja i 4pT 4Tt(i) visualização poderia ser a seguinte (figura 6.7.16): Na equação acima, os elementos têm os seguintes significados: Q(i) é a vazão de bombeamento do poço i; T é a transmissividade do aqüífero (constante); S é o coeficiente de armazenamento do aqüífero (constante); r(i,j) é igual a distância do poço i ao poço j (constante); t(i) é o tempo de bombeamento do poço i (constante). Da equação de Theis, mostrada acima, esse Figura 6.7.16 - Vetor de Coeficientes Bi. rebaixamento si(i,j) pode ser escrito como: W(u)(i,j) O principal objetivo da simulação da operação si(i, j) = ⋅Q(i) (6.7.21)4pT da bateria é calcular que vazão máxima Q(i) pode ser autorizada no poço i, de maneira tal que os Considerando o significado das variáveis, acima rebaixamentos máximos disponíveis – o seu próprio discutido, verifica-se que a razão que multiplica e os dos demais poços – não sejam excedidos. Esse Q(i), na equação acima, é constante. Pode-se então objetivo, no método adotado, implica um cálculo iterativo escrever: em que os rebaixamentos totais sw(i, j), em cada poço, 630 Cap_6.7_FFI.indd 14 9/12/2008 22:09:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Aqüífero Equação utilizada W(u)(i,j) Confinado não drenante B(i, j) = 4pT W[(u)(i,j),r(i,j)/B)] Confinado drenante B(i, j) = 4pT Confinado não drenante, 1 bombeamento alternado B(i, j) = [W(u1)(i,j)-W(u2 )(i,j) + W(u3 )(i,j)-W(u4 )(i,j) + ......... + W(un )(i,j)]4pT Confinado drenante, 1 bombeamento alternado B(i, j) = [(W(u1)(i,j),r(i,j)/B)-(W(u2 )(i,j),r(i,j)/B) + (W(u3 )(i,j),r(i,j)/B)-(W(u4 )(i,j),r(i,j)/B) + ......... + (W(u4pT n )(i,j),r(i,j)/B)] Tabela 6.7.7 - Coeficiente B(i,j), para as quatro situações contempladas no modelo Planat-Labhid. são recalculados inúmeras vezes até que esta condição Perdas Construtivas - são rebaixamentos adicionais seja atendida. Como os valores de B(i,j) e de B(i) não que ocorrem no poço e em suas vizinhanças, em variam na mesma simulação, mantê-los armazenados função das características físicas dos poços. sob a forma de matriz e vetor, respectivamente, agiliza Com exceção das perdas por penetração parcial, muito os cálculos (s (i,j) = B(i,j).Q(i) e s (i) = B(i).Q(i), que esses rebaixamentos independem dos parâmetros i 0 são repetidos um grande número de vezes). hidrodinâmicos do aqüífero, sendo condicionados unicamente pela descarga bombeada e pelas Cálculo dos Rebaixamentos nos Poços - o características construtivas do poço. As perdas rebaixamento total em cada poço da bateria (sw), construtivas calculadas pelo modelo Planat-Labhid calculado pelo modelo Planat-Labhid, é a soma de cinco são as seguintes: parcelas: (1) rebaixamento causado pelo seu próprio bombeamento (s ); (2) somatório das interferências • Perdas por Penetração Parcial (∆s0) - representam 0 dos demais poços da bateria (Σsi); (3) perdas por o incremento de rebaixamento causado pelo penetração parcial (Ds ); (4) perdas não lineares por encurvamento das linhas de fluxo em direção à 0 fricção (D4); e (5) perdas por redução de diâmetro (J). seção filtrante de poços parcialmente penetrantes Pode-se, portanto, escrever (Huisman, 1975): Maiores detalhes sobre penetração parcial em poços são apresentados no item 6.4.7, capítulo sw = s0 +Σsi+Ds0+D4+J (6.7.23) 6.4, inclusive a expressão de Huisman (1975) adotada no modelo; As duas primeiras componentes do rebaixamento total s , na expressão acima, dizem respeito a • Perdas por Fricção (∆4) - uma vez ultrapassadas w perdas associadas unicamente ao fluxo na formação as aberturas dos filtros, a água sobe internamente aqüífera, enquanto que as três últimas são chamadas no poço, ao longo dos filtros e do revestimento, de perdas construtivas, condicionadas pelas em direção ao crivo da bomba. As perdas de características construtivas do poço. Embora estas carga que ocorrem por fricção neste trajeto perdas já tenham sido apresentadas em detalhe no dependem, fundamentalmente, das vazões e capítulo 6.6, aqui neste texto, será feito um resumo dos diâmetros e extensões de tubos e filtros. Elas sobre elas, em prol de uma melhor compreensão do podem ser bastante significativas em poços muito modelo apresentado. profundos, particularmente quando os diâmetros são reduzidos. Essas perdas são dadas pela Perdas na Formação - são resultantes do fluxo expressão (Huisman, 1975): na formação aqüífera e dependem da vazão bombeada, das características hidráulicas do  n h r 2s(i) l(i)  v aqüífero (T e S) e do tempo de bombeamento. D4 = 0,013∑ + 0,02∑ +2 . (6.7.24) i=1 Df (i) i=1 Dr (i)  2g São também chamadas de perdas teóricas, pelo fato de serem previsíveis pelas funções analíticas sendo v a velocidade vertical da água no interior de fluxo. No modelo Planat-Labhid, essas perdas dos filtros e do revestimento e g a aceleração da foram divididas em duas partes: (a) perdas gravidade (9,81 m/s2). devidas ao bombeamento do poço (s0), que são Substituindo-se v por Q/(p/4.D2) e g pelo seu decorrentes do bombeamento do próprio poço; e valor, chega-se à expressão utilizada no modelo, (b) perdas por interferência (si), que são decorrentes mostrada a seguir. O programa, em realidade, do bombeamento dos demais poços da bateria, monta um vetor de coeficientes de perda de carga provocando rebaixamentos adicionais no poço (CPF(i)) e usa-o para calcular as perdas D4(i) para considerado. as diferentes vazões utilizadas. 631 Cap_6.7_FFI.indd 15 9/12/2008 22:09:26 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços  n n ∑ hs(i) + ∑ l(i)  0,013 0,02 D (i)5 D 5  D = i=1 i=10,08263  f r (i)  4 .Q 2 (6.7.25)  n  + 12∑   i=1 D(i)4  D4 = CPF.Q 2 em que D4 são as perdas por fricção (m), n é o número total de diâmetros de completação, Df(i) é o diâmetro i de filtros, Dr(i) é o diâmetro i de revestimento, D(i) é o diâmetro i, não importa se filtro ou revestimento, hs(i) é a extensão de filtros i com diâmetro Df(i) (m), l(i) é a extensão de tubos i com diâmetro Dr(i) (m), Q é a vazão do poço (m3/s) e CPF é o coeficiente de perda de carga por fricção (m-3.s2). • Perdas por Ampliação de Diâmetro (J) - as ampliações de diâmetro causam quedas súbitas de velocidade às quais se associam perdas de carga adicionais. Essas perdas são sempre pequenas, podendo, muitas vezes, ser Figura 6.7.17 - Cálculo dos rebaixamentos totais. desprezadas, sobretudo em face das perdas por fricção em poços profundos. O modelo utiliza a seguinte expressão para calcular essas perdas Teste da Condição s (i) ≤ RD(i) e Ajuste das Vazões e montar um vetor de coeficientes de perda w- uma vez obtido, para cada poço, o rebaixamento de carga, CPD(i). Esse vetor é utilizado para total sw(i) para o alcance considerado, esse valor calcular as perdas J(i) para as diferentes vazões é comparado com o rebaixamento disponível do utilizadas. respectivo poço RD(i). Se este último for maior ou igual  1,919n-1 ao rebaixamento calculado, a vazão inicial proposta é J = 0,080758 ∑ 1 - 1( ) .Q1,919 mantida. Em todos os poços em que esta condição  i=1 D(i)2 D(i+1)2  (6.7.26) não for satisfeita, entretanto, esta vazão é reduzida J = CPD .Q1,919 de 2%. O processo é, então, reiniciado calculando- se novamente o rebaixamento total em cada poço, sendo J a perda por ampliação de diâmetro (m), e prossegue até nenhum rebaixamento disponível D(i) o diâmetro menor (metros), D(i+1) o diâmetro ser excedido. As vazões finais que satisfazem esta maior (m), n o número de diâmetros, Q a vazão condição são consideradas, em princípio, como as do poço (m3/s) e CPD o coeficiente de perda de vazões de explotação dos poços da bateria. A soma carga por ampliação de diâmetro (m-3,838.s1,919). dessas vazões, por sua vez, é a capacidade global de A estratégia adotada no modelo para o cálculo do produção da bateria. rebaixamento total sw em cada poço, pode ser visualizada na figura 6.7 17. Nesta figura, é mostrado o caso de uma Estudos de Caso bateria de n poços, cada um bombeando uma vazão O modelo Planat-Labhid pode ser utilizado em duas diferente, porém constante. Na primeira coluna da situações distintas. A primeira delas é para análise de esquerda (contador i, variando de 1 a n), estão indicados uma bateria de poços existente, visando à avaliação os poços produtores e suas respectivas vazões de das vazões de explotação de cada poço e, em última bombeamento. Na primeira linha (contador j, variando análise, à capacidade de produção global da bateria. de 1 a n), são mostrados os mesmos poços, mas, aqui, A outra situação é a simulação da operação de uma como alvo das interferências devidas ao funcionamento bateria projetada, para verificar a viabilidade das da bateria. Assim, s(1,2) será o rebaixamento causado vazões pretendidas, do espaçamento entre os poços no poço P2 pelo poço P1 bombeando a vazão Q(1), e das profundidades das câmaras de bombeamento. enquanto que s(1,3) será o rebaixamento causado no Trata-se aqui, enfim, de eleger as características poço P3 pelo mesmo poço P1 bombeando a mesma técnicas da bateria a ser construída, de modo a se obter vazão Q(1) e, assim, sucessivamente. Enquanto a parte a maior descarga possível, otimizando os recursos superior da matriz ilustra o cálculo das interferências, empregados. a parte inferior, colorida em amarelo, mostra as cinco Será apresentado, brevemente, a seguir, um parcelas do rebaixamento total, em cada poço, e a soma exemplo de cada uma dessas utilizações do modelo delas que é o s . aqui enfocado.w 632 Cap_6.7_FFI.indd 16 9/12/2008 22:09:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Análise de Bateria Existente - Em 1998, a Poço CPF Q (m3/h) RD (m) s (m) s (m) t(anos) s (m) ND (m) Secretaria de Recursos Hídricos do Rio Grande do i w P-1 76,4 150,00 15,00 11,04 0,24 0,0 11,29 41,79 Norte construiu uma bateria de 7 poços, no Município de P-2 71,0 150,00 13,00 11,03 0,26 0,0 11,29 40,69 São José do Mipibu. Essa bateria visava à garantia da P-3 80,3 80,00 17,00 6,70 0,10 0,0 6,80 40,80 continuidade do suprimento hídrico de várias cidades P-4 75,7 150,00 18,00 11,96 0,47 0,0 12,43 45,73 do extremo oriental do Estado, caso o manancial P-5 88,9 120,00 18,00 11,35 0,55 0,0 11,90 44,90 principal, a Lagoa do Bonfim, sofresse rebaixamento P-6 88,9 100,00 26,00 8,96 0,02 0,0 8,97 40,17 excessivo do espelho líquido. O aqüífero captado é a P-7 82,7 96,09 8,67 8,60 0,05 0,0 8,65 42,65 porção inferior do Grupo Barreiras. Testes de aqüífero CPF=coeficiente das perdas D s=Interferências bem controlados, realizados nos poços da bateria, 4 iQ = vazão de bombeamento sw = rebaixamento total permitiram a obtenção dos parâmetros hidrodinâmicos RD=rebaixamento disponível ND=nivel dinâmico com boa confiabilidade. Foram realizadas várias s=s0+ Ds0+ D4+J simulações com o modelo Planat-Labhid, tendo sido Horas diárias de bombeamento (mes 1 = fevereiro) adotadas as seguintes condições: Mês 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 • aqüífero confinado drenante, com coeficiente de Horas 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 drenança B de 1.000 metros, transmissividade T Descarga Global da Bateria = 846,09 m3/h de 4,8.10-3 m2/s e coeficiente de armazenamento Tabela 6.7.8 - Saida do Modelo Planat-Labhid. S de 3,3.10-4; • foram considerados quatro diferentes regimes de Alcance de 10 anos Alcance de 20 anos bombeamento: 8/24 horas; 12/24 horas; 18/24 Poço 8/24 12/24 18/24 24/24 8/24 12/24 18/24 24/24 horas e 24/24 horas; e (h) (h) (h) (h) (h) (h) (h) (h) • foi atribuída a cada poço da bateria uma vazão P-1 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 inicial, como proposta de vazão de explotação. As P-2 144,0 138,0 133,0 130,0 144,0 138,0 138,0 130,0 vazões foram as seguintes: P-3 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 P-4 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 Poço P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-7 P-5 120,0 120,0 120,0 120,0 120,0 120,0 120,0 120,0 Vazão (m3/h) 150,0 150,0 80,0 150,0 120,0 100,0 120,0 P-6 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 P-7 83,0 80,0 77,0 75,0 83,0 80,0 80,0 75,0 Os resultados obtidos foram os seguintes: Total 827,0 818,0 810,0 805,0 827,0 818,0 818,0 805,0 • a tabela 6.7.8 mostra o resultado de uma das Tabela 6.7.9 - Descargas da Bateria do Bonfim (m3/h). simulações, para um alcance de 10 anos; • chamam a atenção, na tabela 6.7.8 os baixos • do exposto, verificou-se que as simulações da coeficientes das perdas D4, ο que atesta as boas operação da bateria do Bonfim permitiram indicar, características construtivas dos poços. Nota-se, como aceitável, a alternativa de bombeamento também, que apenas a vazão do Poço 7 foi reduzida contínuo. A descarga global da bateria, neste caso, 3 de 120,00 m3/h para 96,09 m3/h, por causa do seu foi de 805 m /h ou 223 L/s, o que permitia atender pequeno rebaixamento disponível. A bateria era integralmente à demanda prevista para o projeto recém-construída na época do estudo, não tendo, em estudo na época (229 L/s); portanto, histórico de bombeamento, o que explica • as simulações realizadas com o modelo, ao definir o valor nulo para o tempo de operação dos poços. a vazão de explotação de cada poço da bateria e • a tabela 6.7.9 mostra as vazões obtidas para os prognosticar seus níveis dinâmicos, provêem valioso alcances de 10 e 20 anos e para vários regimes de auxílio no dimensionamento das bombas requeridas bombeamento alternado; e no posicionamento adequado dos seus crivos. • a generosa recarga, via drenança vertical, expressa A tabela 6.7.10 mostra, como resultado final do pelo baixo valor do coeficiente B, se traduz nos estudo, as condições de operação recomendadas seguintes comportamentos favoráveis, evidenciados para os poços da bateria do Bonfim. nos resultados mostrados na tabela 6.7.9: Análise de Bateria Projetada - Em 1988, o então  ao final de dez anos de bombeamento ou, Ministério da Irrigação desenvolvia no Vale do Gurguéia, provavelmente, bem antes disso, é de se no Piauí, o chamado Projeto de Irrigação do Gurguéia. esperar que os níveis estivessem praticamente Esse projeto previa a construção de várias baterias de estabilizados; poços captando o aqüífero Cabeças, escalonadas ao  em decorrência disso, os diferentes regimes de longo de 100 km de vale. Para a bateria do Trombetas, bombeamento acarretam variações de descarga na região de Cristino Castro, havia sido programada pouco significativas. Assim, em regime contínuo inicialmente a perfuração de 28 poços. Foram feitas de bombeamento, perde-se apenas 22,0 m3/h várias simulações da operação da futura bateria, com em relação ao regime de 8/24 horas. o auxílio do modelo Planat-Labhid. 633 Cap_6.7_FFI.indd 17 9/12/2008 22:09:26 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços Poço Vazão (m3/h) N.Din.Previsto (m) Prof.Crivo (m) 6.7.5 Avaliação de Vazões de P-1 150,0 44,60 50,00 Explotação de Poços Tubulares em P-2 130,0 42,26 48,00 Meios Heterogêneos P-3 80,0 43,29 49,00 P-4 150,0 48,96 54,00 Existem muitos modelos de fluxo para poços em P-5 120,0 47,88 53,00 meios heterogêneos na literatura, como por exemplo: P-6 100,0 41,61 47,00 modelos de fraturas discretas; modelos de redes de P-7 75,0 42,65 48,00 fraturas estatisticamente homogêneas; modelos de meios contínuos fraturados, de simples e de dupla porosidade Tabela 6.7.10 - Condições de operação da bateria do (Barenblat et al. 1960, Boulton & Streltsova, 1972). Os Bonfim. modelos de dupla porosidade admitem uma porosidade As vazões consideradas como iniciais foram da matriz dos blocos rochosos delimitados pelas fraturas aquelas possíveis de serem obtidas nos poços e a porosidade das próprias fraturas. Estabelecem individualmente. A primeira simulação, para os 28 equações para o rebaixamento em poços bombeados poços previstos, indicou uma descarga global de e em poços de observação, baseadas nas hipóteses de 6.680 m3/h. Foi eliminado um poço da bateria e a nova meio contínuo para o rebaixamento. simulação indicou uma descarga global maior, igual a Nos meios heterogêneos, representados por rochas 6.840 m3/h. Foi eliminado um segundo poço e nova cristalinas fraturadas, os sistemas de água subterrânea simulação foi realizada, e assim por diante. Na última são constituídos por conjuntos de fraturas interconectadas que formam zonas tridimensionais de condutos hidráulicos simulação foram considerados apenas 17 poços na de geometria desconhecida, que podem ser chamadas bateria. Os resultados obtidos com essas simulações zonas aqüíferas fraturadas. Essas zonas aqüíferas, são mostrados na figura 6.7.18. além de espacialmente descontínuas, possuem extensão Observa-se que a descarga global da bateria cresce limitada, permeabilidade muito variável e não há como com o número de poços até um máximo de 22 poços. mapeá-las. Por conseguinte, não é possível estimar o A partir daí, a perfuração de novos poços não traria volume de água armazenado como reserva permanente, qualquer aumento da descarga global e, a partir de 24 a exemplo do que acontece nos meios homogêneos. poços essa descarga começa a decrescer de forma O fluxo para um poço em meio heterogêneo fraturado é decidida. Desta forma, exemplifica-se o contra-senso anisotrópico, possui componentes horizontais e verticais e de fazer mais poços para obter menos água. é totalmente governado pela rede de fraturas constituintes A expl icação para esse comportamento, da zona aqüífera fraturada, durante o seu avanço na aparentemente contraditório, reside nas interferências direção das “entradas de água” do poço. É, portanto, geradas pelos poços. No caso em análise, a magnitude muito diferente do fluxo radial circular que vigora nos meios das interferências, a partir de 22 poços, compromete homogêneos e isotrópicos dos aqüíferos granulares. grande parte dos rebaixamentos máximos disponíveis, Por esta razão, na prática, nenhum dos modelos limitando severamente as vazões máximas possíveis conhecidos de fluxo para poços em meios fraturados tem de cada unidade. O aumento do número de poços se mostrado satisfatório. Pelo contrário, a experiência tem agrava significativamente esse comprometimento demonstrado uma inconsistência recorrente nas previsões e a conseqüente limitação das vazões individuais, de evolução do rebaixamento no espaço e no tempo, acarretando a redução da descarga da bateria. feitas a partir das equações teóricas propostas pelos A análise acima mostrada (Feitosa et al.,1999) modelos conhecidos. Um exemplo típico é o de poços levou a limitar em 21 o número de poços que deveria de observação que mesmo estando bem próximos do constituir a bateria do Trombetas, evitando-se, assim, poço bombeado, não reagem ou apresentam pequeno grande desperdício de tempo e dinheiro. rebaixamento, enquanto que poços observados a maiores distâncias apresentam rebaixamentos significativos. Método da Capacidade Específica Como já mencionado, a capacidade específica dos poços, por definição, na ausência de recarga oriunda de fontes externas, decresce com o tempo, já que é inversamente proporcional a um rebaixamento que cresce com o tempo. Isto acontece tanto em meio homogêneo quanto em meio heterogêneo. Em meio heterogêneo, todavia, a taxa de variação do rebaixamento com o tempo, não se ajusta a nenhuma regra. Um método aproximado é apresentado, Figura 6.7.18 - Descarga da bateria versus número de poços. adotando as seguintes hipóteses: 634 Cap_6.7_FFI.indd 18 9/12/2008 22:09:26 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • os reservatórios de água subterrânea em meio Parâmetro Símbolo Unidade Valor fraturado apresentam extensão limitada; Coeficiente linear da reta logarítmica C 3,808 • os efeitos dos limites, a priori, são imprevisíveis, Coef. angular da reta logarítmica m 0,6778 podendo se manifestar sobre as curvas de Tempo igual a dia t hora 24 rebaixamento a qualquer tempo, dependendo 1Tempo igual a 10 dias t hora 240 da distância em que se encontram do poço 10Rebaixamento disponível RD m 27 bombeado; Vazão sustentável de 1 dia Q1 m3/h 11,93 • admite-se que a tendência inicial, retilínea, da curva Vazão sustentável de 10 dias Q10 m3/h 2,50 dilog de vazão específica versus tempo, se ajusta Vazão explotável Qexp m3/h 11,93 a uma lei do tipo: Regime de bombeamento Regime h/dia 5 Q log   = - mlog(t) + logC (6.7.27) s  t É importante ressaltar que em regime contínuo de bombeamento, o nível dinâmico sempre irá alcançar o crivo da bomba, ou em outras palavras, sempre ocorrerá um colapso do bombeamento. O tempo necessário para isso depende da vazão bombeada. Etapas do Método i) Construção do gráfico de rebaixamento versus tempo em horas, em escala linear, e observação dos eventuais desvios indicativos de heterogeneidades do meio, como revelam exemplos mostrados adiante. Notar que é possível ajustar uma reta tangente à curva de rebaixamento nos instantes iniciais do teste. ii) Construção do gráfico de vazão específica versus tempo, em escala dilog, e sobre os pontos iniciais da curva efetuar um ajuste de potência para avaliação dos parâmetros C e m (equação 6.7.27). Colocar ao lado da curva de rebaixamento, para fins comparativos. iii) Cálculo do rebaixamento disponível RD, do nível estático ao crivo da bomba (o crivo da bomba deve estar sempre acima da fenda produtora). iv) Avaliação da vazão em função do tempo usando a equação Q(t)=RD . C(t)-m. v) Avaliação de duas vazões de explotação: Q1, de 1 dia e Q10, de 10 dias, respectivamente. vi) A vazão recomendada para explotação é igual a Q1, em regime igual a 24x(Q10/Q1) horas de bombeamento por dia. Figura 6.7.19 - Poço 3510, no granito Meruoca, na locali- dade de Santo Antônio dos Camilos, com vazão explotável Exemplo 6.7.1 - Trata da vazão de explotação de um poço em de 11,93 m3/h em regime de 5 horas por dia. granito, a partir de um teste de 88 horas de bombeamento, no qual a vazão se manteve entre 10,8 m3/h e 10,2 m3/h, nas primeiras 72 horas, caindo de 10 m3/h para 7,5 m3/h no intervalo de 76 a Exemplo 6.7.2 - Corresponde a um teste de produção 88 horas, quando o teste foi encerrado. realizado em três etapas das quais apenas as duas etapas mais Os gráficos de rebaixamento versus tempo e capacidade significativas, com duração de 6 horas e vazões de 1,6 m3/h e 3,5 específica versus tempo são mostrados na figura 6.7.19. Notar, m3/h, foram consideradas (figura 6.7.20). Como se nota, nenhuma no gráfico de rebaixamento, a queda do nível de água após irregularidade se manifesta na curva de rebaixamento devido ao as 72 horas de bombeamento e a irregularidade na curva de curto período de tempo do bombeamento. capacidade específica, já a partir de 10 horas de bombeamento, As vazões de explotação foram calculadas, para cada uma das sugerindo uma recarga de drenagem retardada que, depois de etapas, usando o método proposto e adotado o valor médio, cessar, culminou com a queda brusca de vazão do poço. conforme é mostrado a seguir: 635 Cap_6.7_FFI.indd 19 9/12/2008 22:09:26 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços O gráfico dilog de capacidade específica com o tempo exibe um Parâmetro Símbolo Unidade Valor1 Valor 2 Média pequeno trecho retilíneo sobre o qual foi ajustada a reta logarítmica Coeficiente linear da C h2/m2 0,708 0,593 0,6505 do modelo proposto. A partir daí, os pontos se desviam e a taxa reta logarítmica de variação da capacidade específica com o tempo parece Coeficiente angular influenciada por fluxos verticais do tipo drenagem retardada. m adim. 0,6246 0,637 0,6308 da reta logarítmica Essa suposta drenagem parece cessar depois de completadas Tempo igual a dia t hora 24 24 24 8 horas de testes, dando lugar a uma queda acentuada do nível 1 dinâmico nas últimas 3 (três) horas de bombeamento. Tempo igual a 10 dias t10 hora 240 240 240 Os resultados da análise, apresentados na tabela abaixo, indicam Rebaix. disponível RD m 34 34 34 uma capacidade de produção para o poço de apenas 0,11 m3/h, Vazão de 1 dia Q1 m 3/h 3,31 2,66 2,98 em regime de funcionamento de 3 horas por dia. Vazão de 10 dias Q10 m 3/h 0,78 0,61 0,70 Vazão explotável Q m3/h 3,31 2,66 2,98 Parâmetro Simbolo Unidade Valorexp Regime de bomb. Regime h/dia 6 6 6 Coef. linear da reta logarítmica C m2/h2 0,0472 Coef. angular da reta logarítmica m adim. 0,8453 Tempo igual a dia t1 hora 24 Tempo igual a 10 dias t10 hora 240 Rebaixamento disponível RD m 34 Vazão de 1 dia Q1 m3/h 0,11 Vazão de 10 dias Q10 m3/h 0,02 Vazão explotável Qexp m3/h 0,11 Regime de bombeamento Regime h/dia 3 Figura 6.7.20 - Teste em poço no granito Meruoca, na localidade de Jordão, CE, do qual foi deduzida uma vazão explotável da ordem de 3 m3/h, em regime de bombeamento de 6 horas/dia. Exemplo 6.7.3 - Teste de produção em duas etapas no poço 3501, no granito Meruoca. Na primeira etapa, com duração de 6 horas, a vazão bombeada variou de 0,92 a 0,69 m3/h. Na segunda etapa, a variação foi de 1,5 para 1,15 m3/h. O gráfico de rebaixamento com o tempo na primeira etapa não mostra nenhuma descontinuidade para o tempo de 6 horas. Na segunda etapa, com duração de 11 horas, após cerca de 8 horas de bombeamento ocorre uma queda muito forte de rebaixamento, indicativa de descontinuidade no meio fraturado Figura 6.7.21 - Poço no granito Meruoca, na localidade de ou interferências produzidas por outros poços existentes na área Jordão–CE, com capacidade de produção de apenas 0,11 m3/h em estudo (figura 6.7.21). em regime de funcionamento de 3 horas/dia. 636 Cap_6.7_FFI.indd 20 9/12/2008 22:09:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 6.7.6 Poços de Grande Diâmetro – Teoria do Método Método de Porchet Porchet (1926) concebeu um método em regime transitório para avaliar a capacidade de produção de As equações diferenciais de fluxo subterrâneo um cacimbão, através da avaliação da contribuição q em meio poroso, e suas soluções, que são as do aqüífero captado. funções analíticas, consideram o poço como uma Seja, com efeito, um cacimbão de secção S (figura entidade pontual desprovida de dimensões e, portanto, 6.7.22) no qual se efetua um bombeamento com desprovida de volume armazenado. Em se tratando de vazão Q constante. A vazão Q é escolhida de modo a poços tubulares de pequeno diâmetro, essa condição provocar um significativo rebaixamento no nível d’água é aproximada satisfatoriamente, uma vez que é muito do cacimbão, ou seja, de modo a ser, durante a maior pequeno o volume de água neles armazenado. Na parte ou durante todo o bombeamento, maior que operação desses poços, esse volume é rapidamente a contribuição q do aqüífero. Obtém-se, assim, em esgotado, nos primeiros minutos de bombeamento, e o escala aritmética, a curva de rebaixamento OR (figura aqüífero logo é solicitado, estabelecendo-se o regime de 6.7.23), cuja inclinação se atenua ao longo do tempo de fluxo subterrâneo descrito pelas funções analíticas. Essas bombeamento, em função do aumento da contribuição funções podem, assim, ser utilizadas, tanto para se fazer do aqüífero. No ponto R, o bombeamento é interrompido previsões de rebaixamentos, quando se conhecem os e a curva de recuperação RT é registrada. parâmetros hidrodinâmicos T e S, como para a obtenção Num intervalo de tempo infinitesimal dt (figura 6.7.23), desses parâmetros, em testes de aqüífero. 1ocorre um rebaixamento de nível ds. Os equivalentes de No caso de poços de grande diâmetro, como os ds e de dt1, no cacimbão, são mostrados na figura 6.7.22. cacimbões, também chamados de poços amazonas, Nesse intervalo de tempo, considerando que parte da entretanto, isso não acontece, porque o volume neles descarga bombeada é proveniente do aqüífero, o volume armazenado não é desprezível. Quando se bombeia de água retirado do cacimbão pelo bombeamento pode um poço de grande diâmetro, com efeito, toda a água ser traduzido pela expressão abaixo, que é a equação produzida procede do volume armazenado durante diferencial do segmento curvilíneo OR: um apreciável período de tempo. Ultrapassado esse período, os gradientes hidráulicos no entorno do S ⋅ ds = (Q - q)dt1 (6.7.28) cacimbão, gerados pelo bombeamento, começam Após a interrupção do bombeamento, ocorrerá uma a induzir fluxo subterrâneo radial na direção da recuperação do nível d’água no cacimbão, comandada captação. Assim, a descarga bombeada Q passará unicamente pela vazão q proveniente do aqüífero, graças a ser constituída de duas parcelas: (a) uma parcela ao gradiente hidráulico dh/dl criado pelo bombeamento. Q’ procedente do armazenamento no cacimbão; A recuperação da mesma altura ds demandará agora e (b) uma parcela q procedente do aqüífero (figura um tempo dt (figuras 6.7.22 e 6.7.23). O volume d’água 6.7.22). Mantida a constância da descarga bombeada 2reposto ao cacimbão pelo aqüífero pode ser traduzido Q, a contribuição q do aqüífero cresce com o tempo, pela expressão abaixo, que é a equação diferencial do acarretando uma correspondente diminuição da retirada segmento curvilíneo RT Q’ do armazenamento no cacimbão. Este mecanismo traduz-se por uma progressiva atenuação no ritmo de S ⋅ ds = q ⋅ dt2 (6.7.29) rebaixamento do nível d’água no cacimbão, o qual Igualando-se (6.7.28) e (6.7.29) obtém-se a relação: poderá, eventualmente, ser estabilizado, se a contribuição do aquífero se tornar igual ao bombeamento Q. (Q - q)dt1 = q ⋅ dt2 Figura 6.7.22 - Cacimbão: elementos utilizados no método de Porchet. 637 Cap_6.7_FFI.indd 21 9/12/2008 22:09:27 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços Figura 6.7.24 - Características construtivas do cacimbão. Figura 6.7.23 - A Curva de Porchet. A aplicação do método de Porchet implica o que pode ser escrita como: interesse de se manter um certo nível dinâmico no dt interior do cacimbão ao longo da sua explotação, o que q = Q 1 dt + dt equivale a dizer que se pretende explotar uma descarga 1 2 compatível com as possibilidades do reservatório Dividindo-se o numerador e o denominador da aqüífero, em regime permanente. Adota-se, para fins expressão acima por ds, obtém-se: de raciocínio, um certo rebaixamento, chamado de RD ou rebaixamento disponível, tal que a zona filtrante dt1 dsq = Q (6.7.30) permaneça submersa (figura 6.7.24). O rebaixamento dt1 ds + dt2 ds disponível é igual à diferença entre o nível estático e o Examinando-se, agora, a figura 6.7.23, vê-se que nível dinâmico que se pretende manter. as razões dt1/ds e dt2/ds representam as tangentes, As seguintes etapas devem ser seguidas para a respectivamente, no ponto B da curva de rebaixamento aplicação do Método de Porchet: e no ponto C da curva de recuperação. Ora, essas i) o cacimbão deve ser bombeado a uma vazão tangentes se cruzam no ponto A. Se for levantada uma Q constante. Recomenda-se a utilização de um perpendicular a partir desse ponto até o segmento BC, dispositivo de medição de vazão que permita têm-se os triângulos retângulos BHA e CHA. Nesses mantê-la constante durante todo o bombeamento, triângulos, verifica-se de imediato que: tal como um escoadouro de orifício circular; HB HC dt ds = e dt ds = ii) registra-se a curva de rebaixamentos e, após 1 HA 2 HA a parada da bomba, registra-se a curva de E, finalmente, após alguns passos algébricos, recuperação. As duas curvas, juntas, em escala (6.7.30) torna-se: aritmética, constituem o que se chama de curva de Porchet; q = ⋅ BHQ (6.7.31) iii) assinala-se, no eixo das ordenadas da curva de BC Porchet, o rebaixamento disponível escolhido. Em particular, no ponto R de interrupção do A partir desse ponto, traça-se uma paralela ao bombeamento, teremos: eixo dos tempos, interceptando as curvas de B'H' rebaixamento e recuperação nos pontos B e C, q = Q ⋅ (6.7.32) B'C' respectivamente (figura 6.7.25); iv) traçam-se as tangentes às curvas de rebaixamento Teste de Produção e recuperação, nos pontos B e C, respectivamente, O método de Porchet, tal como descrito acima, prolongando-as, até elas se encontrarem no ponto é utilizado essencialmente em testes de produção de intersecção A; realizados em poços de grande diâmetro, para se v) a partir da intersecção A, traça-se uma vertical que avaliar sua capacidade de produção. Na figura 6.7.24, definirá o ponto H no segmento BC. são indicadas as características construtivas de um vi) finalmente, a contribuição q do aqüífero é dada cacimbão qualquer, levadas em conta na programação por Q.(BH/BC), sendo Q a vazão constante de e na realização de um teste de produção. bombeamento. 638 Cap_6.7_FFI.indd 22 9/12/2008 22:09:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações dado instante e nas condições em que os mesmos se encontram. Assim, a vazão de produção q, obtida com o método de Porchet, deve ser confrontada com outras características, tais como extensão do reservatório aqüífero, espessuras saturadas e regime de chuvas, para se obter uma idéia mais realista da potencialidade aqüífera e da produtividade das captações na área de interesse. Referências ATKINSON, L. C. et al. New insight into the step- drawdown test in fractured-rock aquifers, Applied Hydrogeology, v.2, n.1, p.9-18, 1994. BEAR, J. Dynamics of Fluids in Porous Media. New Figura 6.7.25 - Utilização da curva de Porchet. York: American Elsevier, 1972. ______. Hydraulics of Groundwater. USA: McGraw Análise Crítica Hill Book Company, 1979. A intenção básica do método de Porchet é definir BOULTON, N. S.. The flow pattern near a gravity well uma vazão q que possa ser fornecida pelo aqüífero de in a uniform water-bearing medium. Journal of the forma sustentável. Em sequência, são apresentadas Institution of Civil Engineers, London, v. 36, p. 534- as condições necessárias para isso. 550,1951. O aqüífero deve ter grande extensão lateral, de modo a dispor de uma reserva não exaurível ou não COOPER, H. H.; JACOB, C. E. A generalized graphi- facilmente exaurível. Ora, os cacimbões são, via de cal method for evaluating formation constants and regra, construídos em depósitos aluviais, os quais, summaring weel filed story. Transactions American pela própria natureza, são geralmente de dimensões Geophysical, v. 27. p. 526-534, 1946. limitadas. Dessa forma, a expectativa de se obter COSTA, J. A. da; MORENO, E. F. Manual de Méto- uma vazão “sustentável”, nessas condições, deve ser dos Cuantitativos en el Estudio de Aguas Subte- encarada com reservas, particularmente no Nordeste rráneas - Organización y Realizaçión de Pruebas do Brasil, onde os rigores climáticos comprometem de Acuíferos, Métodos e Ejemplos. 2. ed. Mexico: freqüentemente a recarga. Centro Regional de Ayuda Tecnica/ Agencia para el O nível estático do aqüífero não deve variar para Desarrollo Internacional (A.I.D.), 1996. menos ao longo do tempo, de modo que o rebaixamento disponível considerado não seja comprometido. Ora, os CUSTODIO, E. ; LLAMAS, M. R. Hidrología Subter- rigores climáticos, acima citados, causam significativas ránea. 2. ed., Barcelona: Ed. Omega, 1983 variações no nível freático das aluviões. Em situações DEGLEE, G. J. On groundwater currents through climáticas críticas, os reservatórios aluviais podem draining by means of wells. 1930. Thesis - Technische mesmo secar, levando as captações ao colapso total. Hogeschool Delft, Delft, 1930. É recomendável, quando possível, testar os cacimbões em sua situação mais desfavorável, isto é, no período DEWIEST, RJ.M. Geohydrology. New York, John de estiagem, quando o nível freático está em sua Wiley & Sons, 1965. 365p. posição mais baixa. Esse procedimento nos leva à DRISCOLL, F. C. Groundwater and wells. 2. ed., obtenção de uma vazão “sustentável” de produção q, Minnesota: Johnson Division, 1986. tida como pessimista e, portanto, com uma margem de segurança. DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ. Physical and A discussão acima já deve ter levado o leitor a Chemical Hydrogeology. New York: John Wiley & perceber que a vazão de produção q avaliada pelo Sons, 1990. método de Porchet, embora ofereça certo diagnóstico FEITOSA, E. C. Parecer sobre as Causas do da potencialidade do reservatório subterrâneo, Aprofundamento dos Níveis de Bombeamento não deve ser considerada de forma absoluta. O em Mossoró. Natal, SERHID/RN - Secretaria de comportamento das curvas de rebaixamento e Recursos Hídricos do Rio Grande do Norte, 1997. recuperação, acima descritas, traz embutidas conjuntamente as características construtivas do FEITOSA, E. C. et. al. O Aqüífero Cabeças no Vale cacimbão e as condições do meio aqüífero captado, ou do Gurguéia: atualização dos conhecimentos - Rela- seja, testa-se cacimbão e aqüífero conjuntamente, num tório Final. Recife: UFPE / ATEPE / DNOCS,1990. 3 v. 639 Cap_6.7_FFI.indd 23 9/12/2008 22:09:27 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços FEITOSA, F. A. C. Estudo Hidrogeológico do Aqüífero LENNOX, D. H.. Analysis and application of step- Cabeças no Médio Vale do Rio Gurguéia/PI. 1990. drawdown tests. Journal of the Hydraulics Division, Dissertação (Mestrado em Geociências) Departamento v. 92, n. HY6. p. 25-48, 1966. de Geologia-Universidade Federal de Pernambuco, MANOEL FILHO, J. Elementos de hidrogeologia Recife,1990. prática. 2. ed, Recife: SUDENE, 1972. (Hidrogeolo- FEITOSA, F. A. C. Testes de Bombeamento em Po- gia, 13) ços Tubulares. Belo Horizonte: ABAS, 2008. 117 p. MARTINEZ, M. V. ; LOPEZ, A. I. Poços e acuiferos: Curso Técnico/ Apostila. tecnicas de evaluacion mediante ensayos de bom- FEITOSA, F. A. C.; MANOEL FILHO, J. (Coord.) Hi- beo. Madrid: Instituto Geologico y Minero de Espana, drogeologia: conceitos e aplicações. Fortaleza, 2. 1984. ed. CPRM-LABHID, 2000. 391 p. NORRIS, S. E. Change in drawdown caused by en- FEITOSA, F. A. C.; DEMETRIO, J. G. A. Hidráulica de larging a well in a dolomite aquifer. Ground water, v. Poços. In: GONÇALES, V. G. ; GIAMPÁ, C. E. Q. (Ed.) 14, n. 4, p.191-193, 1976. Águas subterrâneas e poços tubulares profundos. POLUBARINOVA-KOCHINA, P. Ya. Theory of São Paulo, 2006. Cap. 11, p. 305 - 351. groundwater movement. Princeton Univ. Press, FETTER, C. W.. Applied Hydrogeology. 3. ed. New Princeton, N. J. 1962. Original em Russo, Gostekhiz- York: Macmillan Publishing Company, 1994. dat, Moscow, 1952; FORCHHEIMER, P.. Hydraulik. Berlin: B.G. Teubner PORCHET, M. Essai sur une méthode de détermina- Verlagsgesellschaft, 1930. tion du débit d’un puits. Ministère de l’Agriculture, Dir. Gén. Eaux et Forêts, Paris, Ann. n. 56, 307-323, FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A. Groundwater. Engle- 1926. wood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1979. SÃO PAULO (Estado) - INSTITUTO DE PESQUISAS HANTUSH, M. S. Hydraulics of Wells. In: ADVANCES TECNOLÓGICAS. Manual de métodos para in- IN HYDROSCIENCE, New York, V. T. Chow, 1964. terpretação de ensaios de aqüíferos. São Paulo, _________. Analysis of data from pumping tests in 1988. 259 p. Relatório Técnico n. 25.699. leaky aquifers. Transactions American Geophysical THEIS, C. V. The relation between the lowering of Union, v. 37 n. 6, p. 702-714, 1956. the piezometric surface and the rate and duration HANTUSH, M. S.; JACOB, C. E. Non-steady radial of discharge of a well using ground-water storage. flow in an ininfinite leaky aquifer. Transactions Ameri- Transactions American Geophysical Union, 1935. can Geophysical Union, v. 36, n. 1, p. 95-100, 16th Ann. Meeting, part 2. 1966. THIEM, A. Die ergiebigkeit artesischer bohrlocher, HUISMAN, L. Groundwater Recovery. New York: schachtbrunnen, und filtergallerien. J. Gasbeleuch- The Macmillan Press, 1975. tung Wasserversorgung, Munich: v. 14, 1870. JACOB, C. E. On the flow of water in an elastic arte- THIEM, G. Hydrologische Methody Leipzig: 1906. sian aquifer. Transactions American Geophysical 56 p. Union, pt. 2, p. 574-586, 1940. TODD, D. K.. Groundwater hidrology. 2. ed. Califor- _ ______. Correlation of groundwater levels and nia: John Wiley, 1960. precipitation on Long Island, N.Y. Water Power and TOLMAN, C. F. Ground water. New York: McGraw Control Comm. Bull. GW-14, 1945. Hill, 1937. 593p. _______.Radial flow in a leaky artesian aquifer. Trans- WALTON, W. C. Groundwater resource evaluation. actions American Geophysical Union, v. 27, n. 2, Kogakusha: McGraw - Will, LTD, 1970. p.198-208, 1946. _______. Selected analytical methods for well and ________. Drawdown test to determine effective ra- aquifer evalution. Illinois Statewater Survey, Urbana, dius of artesian well. Proceedings of the American 1962. p. 81. Society of Civil Engineers, v. 112, 1947 KRUSEMAN, G. P.; DERIDDER, N. A. Analysis and evaluation of pumping test data. 2. ed. Nether- lands, International Institute for Land Reclamation and Improvement Wageningen,1970. LOHMAN, S. W. Hidraulica Subterranea. Barcelona: Editorial Ariel, 1977 640 Cap_6.7_FFI.indd 24 9/12/2008 22:09:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Anexos Q1 < Q2 < Q3 Anexo 6.7.1 Cálculo dos Parâmetros B, C e n No sistema (A.1.5), subtraindo a segunda da primeira equação, a terceira da segunda e a terceira Dedução da Equação Fundamental da primeira, obtemos o sistema (A.1.6), no qual não A clássica equação: mais aparece o parâmetro B: s = BQ + CQn s s(A.1.1) p2 - p1p = CQn-12 - CQ n-1 Q Q 12 1 para o rebaixamento em um poço bombeado com vazão s s constante Q, foi estabelecida por Rorabaugh (1953) p3 - p2 = CQn-1 - CQn-13 2 (A.1.6) como uma generalização da fórmula mais simples: Q3 Q2 sp = BQ + 2 s sCQ (A.1.2) p3 - p1 = CQn-1 n-1 Q 3 - CQ1 3 Q1 desenvolvida por Jacob (1947) para o rebaixamento total produzido em um poço bombeado em aqüífero Para eliminar o coeficiente C, divide-se, no sistema confinado. Quanto aos termos que aparecem no (A.1.6), a diferença entre a terceira e a primeira segundo membro dessas equações, o primeiro (linear), equações, pela diferença entre a terceira e a segunda corresponde às perdas devidas ao fluxo laminar e o equações, o que conduz à equação (A.1.7), na qual a segundo (não linear) representa perdas causadas pelo única incógnita é o expoente n. fluxo não laminar. E ainda, Q é igual a vazão constante, bombeada no poço [L3/T], B é igual a coeficiente de  s s   s s  p3 - p1  -  p2 - p1  perdas laminares [T/L2], C é igual a coeficiente de  Q Q   Q Q  n-1 n-1 3 1   2 1  Q - Q3 2 perdas turbulentas, de dimensão [T2/L5] na equação M = = n-1 n-1 (A.1.7) s s   s s  Q - Q (A.1.2) e de dimensão [Tn/L3n-1] na equação (A.1.1).  p3 - p1  -  p3 p2 2 1   -  Na equação (A.1.1) os coeficientes B e C assumem  Q Q   Q Q3 1 3 2  valores diferentes com o tempo. Se houver necessidade de investigar o comportamento desses coeficientes Ou seja: com o tempo, a equação (A.1.2) deve ser escrita: MQn-1 - MQn-1 n-1 n-12 1 = Q3 - Q2 sp(t) = B(t)Q + C(t)Q n (A.1.3) (M + 1)Qn-12 - MQ n-1 n-1 1 - Q3 = 0 (A.1.8) No caso, porém, interessa conhecer o parâmetro n Dividindo (A.1.8) por Q n-1: e os coeficientes B e C para um tempo determinado, 1 a partir de três etapas de teste de mesma duração Dt,  n-1 n-1Q2   Q3  com vazões diferentes, Q1 < Q2 < Q3 , constantes em (M + 1)  - M -   = 0 (A.1.9) Q Q cada etapa. Isso leva a escrever a equação (A.1.3), para  1   1  cada uma das etapas de bombeamento (excluindo os Por hipótese argumentos das variáveis com o tempo), sob a forma do seguinte sistema: Q3 Q> 2 Q1 Q1 sp1 = BQ1 + CQ n 1 n O que permite fazer: sp2 = BQ2 + CQ2 (A.1.4)  Q3   Qn log  = K log 2  sp3 = BQ + CQ 3 3  Q1   Q1  Para eliminar B do sistema (A.1.4), trabalha-se com Assim o valor do parâmetro K fica determinado pela os rebaixamentos específicos de cada etapa de teste equação (A.1.10) e obtém-se o sistema (A.1.5):  Q   Q  sp1 - K = log 3  log 2  (A.1.10) = B + CQn 1 1  Q  Q 1  Q  1  1 s Fazendo a substituição proposta na forma da p2 = B + CQn-12 (A.1.5) equação (A.1.10), em (A.1.9), obtém-se:Q2 K s n-1 n-1p3  = B + CQn-1  Q2   Q2  Q 3 (M + 1)  - M -    = 0 (A.1.11) 3  Q1   Q 1    Por hipótese: Fazendo, em (A.1.11) 641 Cap_6.7_FFI.indd 25 9/12/2008 22:09:27 Capitulo 6.7 - Capacidade de Produção de Poços (Q2 / Q1) n-1 = Z (A.1.12) O coeficiente C é obtido somando membro a membro as equações do sistema (A.1.6), o que conduz Chega-se à equação (A.1.13), cuja solução fornece à equação (A.1.15): por iteração o parâmetro Z, a partir do qual encontra-se facilmente o expoente n usando a equação (A.15).  s s s s s s  p2 - p1       +  p3 - p2  +  p3 - p1  ZK - (M + 1)Z + M = 0 (A.1.13)  Q Q   Q Q 2 1 3 2   Q Q 3 1  (A.1.15) Da equação (A.1.13), usando logaritmos, obtém-se: ( = C Qn-1 - Qn-1 + Qn-1 - Qn-1 + Qn-1 - Qn-1 2 1 ) ( 3 2 ) ( 3 1 ) logZ = (n - 1)log(Q2 / Q1) O coeficiente B é obtido somando membro a e finalmente calcula-se n usando: membro as equações do sistema (A.1.5), o que leva à equação (A.1.16): = logZn +1 Q (A.1.14) 1 sp1 sp2 sp3 n-1 n-1 log 2 B =  + + - C Q + Q + Q n-1  (A.1.16) Q 3  Q1 Q2 Q ( 1 2 3 ) 3 1  Anexo 6.7.2 Código do Algorítmo Computacional Os parâmetros B, C e n podem ser calculados usando o código a seguir, escrito em Visual Basic Excel. Option Explicit Sub CQN() ‘ =============================================================== ‘ Macro CQN - ANALISE DE TESTES EM 3 etapas: PERDAS SINGULARES ‘ AUTOR: João Manoel Filho original asyst(12.04.01) v.2 abr 2001 ‘ CONVERSÃO para Visual Basic Excel em (27.04.08) v.3 abr 2008 ‘ DADOS DE ENTRADA NAS COLUNAS A,B,C ‘ Linha 1 cabeçalho: A1=Tempo(h); B1=Vazão m3/h ; C1=Rebaixamento(m) ‘ Linhas 2 a 4: valores (obtidos em cada etapa de bombeamento): ‘ Tempo na coluna A; ‘ Vazão na coluna B; ‘ Rebaixamento na coluna C. ‘ ================================================================ ‘ DECLARAÇÕES Dim i As Integer, maxiter As Integer Dim x1 As Double, x2 As Double, x3 As Double, zz As Double Dim q1 As Double, q2 As Double, q3 As Double Dim s1 As Double, s2 As Double, s3 As Double Dim eme As Double, ene As Double, ka As Double Dim a1 As Double, a2 As Double, a3 As Double Dim rs1 As Double, rs2 As Double, rs3 As Double Dim bb As Double, cc As Double ‘ATRIBUIÇÕES maxiter = 100 ‘ CABEÇALHO DE SAÍDA Cells(1, 4) = “B” Cells(1, 5) = “C” Cells(1, 6) = “n” Cells(1, 7) = “M” Cells(1, 8) = “K” Cells(1, 9) = “s/Q” Cells(1, 10) = “sp calc” Cells(1, 11) = “%Erro” Worksheets(1).Activate ‘ Leitura dos dados q1 = Cells(2, 2).Value 642 Cap_6.7_FFI.indd 26 9/12/2008 22:09:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações q2 = Cells(3, 2).Value q3 = Cells(4, 2).Value s1 = Cells(2, 3).Value s2 = Cells(3, 3).Value s3 = Cells(4, 3).Value ‘ Verifica a consistência dos dados rs1 = s1 / q1 rs2 = s2 / q2 rs3 = s3 / q3 If (rs1 >= rs2 Or rs2 >= rs3) Then Beep MsgBox “Dados inconsistentes: Respeite a condição s1/q1< s2/q2 AMERICAN PETROLEUM INSTITUT. No-purge EUROPEAN COMISSION. Common Strategy on the ground water sampling: an approach for long term Implementation of Water Framework Directive. Stra- monitoring. API Soil and GroundWater Task Force tegic document. 2001. Disponível em: AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION; AMERI- FAGUNDO, J. R. Química del Agua Kárstica. In: FA- CAN WORKS ASSOCIATION AND WATER POLLU- GUNDO, J. R.; RODRÍGUEZ, J. E.; VALDÉS, J. J.. TION CONTROL FEDERATION. Standard Methods Hidroquímica del Karst. Universidad de Granada, for the Examination of Water and Wastewater. 20. 1996. p. 13-124. ed. Washington: APHA;AWWA;WPCR, 1999. 1457 p. FETTER, C. W. Applied Hidrogeology. New Jersey: AUGE, M. Métodos Y Técnicas para el monitoreo: Prentice-Hall, 2001. 598 p. estado del arte en América Latina. In: SIMPÓSIO LATINO-AMERICANO DE MONITORAMENTO DAS FOSTER, S. et al. Groundwater Quality Protection: ÁGUAS SUBTERRANEAS, 1, 2006, Belo Horizonte. a guide for water utilities, municipal authorities and Anais... Belo Horizonte, ABAS, 2006. CD-ROM. environmental agencies. Washington: The World Bank. 2002. Disponível em: ter Monitoring and Remediation, [S. l.] v. 25, n.1, p. 52-62, 2005. FOSTER, S.; GOMES, C. D. Monitoreo de la calidad de las aguas subterraneas: una evaluation de meto- CODO, G. S. Sondagem, amostragem de solo e ins- dos y costos. Lima: Centro Panamericano de Ingenieria talação de poços de monitoramento. In: SIMPÓSIO Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), 1989. 111 p. LATINO-AMERICANO DE MONITORAMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÊNEAS, 1, 2006, Belo Horizonte. GIBBS, J.; SCHULLER, R.; GRIFFIN, R. Procedures Anais... Belo Horizonte, ABAS, 2006. CD-ROM. for the collection of representative water quality data from monitoring wells. Cooperative Ground Water CPRM – Serviço Geológico do Brasil. Mapa Geodi- Report 7. Champaingn, Illinois State Water Survey versidade do Brasil: escala 1:2.500.000 - legenda and Illinois State Geological Survey, 1981. expandida. Brasília: CPRM; SGM; MME, 2006. 68 p. HIRATA R.; FERNANDES A. Monitoramento das CULLEN, J. S. Vadose zone monitoring: Experiences águas subterrâneas: um grande desafio para países and Trends in the United States. In: COSTA RICAN emergentes. In: SIMPÓSIO LATINO-AMERICANO DE CONFERENCE - Summer GWMR, 1996. p. 136-143. MONITORAMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, DIAS, C. L. et al. O atual estágio do monitoramento 1, 2006, Belo Horizonte. Anais... Belo Horizonte, das águas subterrâneas no Estado de São Paulo. ABAS, 2006. CD-ROM. In: SIMPÓSIO LATINO-AMERICANO DE MONITO- LOPEZ-VERA F. Estado actual del monitoreo en la RAMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 1, 2006, Unión Europea. In: SIMPÓSIPO LATINO-AMERICA- Belo Horizonte. Anais... Belo Horizonte, ABAS, 2006. NO DE MONITORAMENTO DAS ÁGUAS SUBTER- CD-ROM. RÂNEAS, 1., 23-26 abr. 2006, Belo Horizonte. Anais. DOCE - DIRECTIVA 2000/60/CE, del Parlamento Belo Horizonte, ABAS, 2006. CD-ROM. Europeo y del Consejo, de 23 de octubre de 2000, MESTRINHO, S. S. P. Investigações na Zona Não Satu- por la que se establece un marco comunitario de rada. In: WORKSHOP SOBRE IMPACTOS AMBIENTAIS actuación en el ámbito de la política del agua. Diário E AS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS NO BRASIL, 1997, Rio Oficial de las Comunidades Europeas, 22 dec. de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: ABAS, 1997. 11p. 2000. Disponível em: ______. Projeto de Pesquisa para o Apoio ao De- senvolvimento de Tecnologia Agropecuária para o EUROPEAN COMISSION. Common Implementation Brasil (PRODETAB) - Estudo para o Planejamento Strategy for the Water Framework Directive 2000/60/ Integrado do Uso e Conservação dos Recursos EC. Guidance Document n.7. Monitoring under Hídricos da Bacia do Rio Itapicuru–Bahia. Relató- the Water Framework directive. Luxembourg, 2003. rio Técnico PRODETAB / EMBRAPA 055-01/01. 2008. EUROPEAN COMISSION. Posición Común aproba- ______. Qualidade das Águas. In: Águas subterrâne- da por el Consejo con vistas a la adopción de la as e poços tubulares profundos. In: GONÇALES, V. 684 Cap_7.2_FFI.indd 12 9/12/2008 22:15:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações G.; GIAMPÁ, C. E. Q. (Ed.) Águas subterrâneas e poços tubulares profundos. São Paulo: Ed. Signus, 2006, Cap. IV. p. 99-136. ______. Monitoramento das águas subterrâneas em diferentes ambientes hidrogeoquímicos. In: SIMPÓSIO LATINO-AMERICANO DE MONITORAMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 1, 2006, Belo Horizonte. Anais... Belo Horizonte, ABAS, 2006. CD-ROM. MESTRINHO, S. S. P.; GUIMARÃES, J. A. da L. Aná- lise exploratória espacial e temporal dos dados de poços tubulares da bacia do rio Itapicuru-Ba. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂ- NEAS, 13, 2004, Campo Grande. Anais... Campo Grande, ABAS, 2004. p. 20. MESTRINHO, S. S. P. et al. Groundwater Protection: planning and Implementation. In: MANAGEMENT SUPPLY OF GROUNDWATER IN URBAN AREAS. Advanced International Training Programme. Göteborg, Sweden, 2003. NIELSEN D. M. Practical handbook of ground- water monitoring. Lewis Publishers, Inc. Michigan U.S.A. 1991. 717p. PULS, R. ; BARCELONA, M. J. Low-flow (minimal drawdown) ground-water sampling procedures - USEPA/ORD EPA/540/S-95/504. Washington, DC; US Environmental Protection Agency, Apr. 1996.12p. SÃO PAULO (Estado) - COMPANHIA DE TECNOLO- GIA DE SANEAMENTO AMBIENTAL. Guia de coleta e preservação de amostras de água. São Paulo, CETESB,1987. 150 p. VRBA, J. SOBLSEK, P. Groundwater monitoring Geology and the Environment: an international manual in three volumes. UNESCO. UNEP, 1988. p. 54-76. WERLANG, J. L.; SANTOS, P. R. P.; VILELA, G. M. Monitoramento das águas subterrâneas na região do Pólo Industrial de Camaçari–BA. In: SIMPÓSIO LATINO-AMERICANO DE MONITORAMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 1, 2006, Belo Horizonte. Anais... Belo Horizonte, ABAS, 2006. CD-ROM. 685 Cap_7.2_FFI.indd 13 9/12/2008 22:15:37 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 7.3 APLICAÇÃO DE MODELOS EM HIDROGEOLOGIA Jaime J. da Silva Pereira Cabral José Geilson Alves Demetrio 7.3.1 Introdução Os aqüíferos podem ser classificados de acordo com as características da camada geológica onde Os modelos, de um modo geral, são ferramentas a água está armazenada, podendo ser um aqüífero fundamentais para o planejamento e previsão poroso, fissural ou cárstico. Os modelos mostrados de situações reais. Um exemplo simples neste capítulo aplicam-se a aqüíferos porosos, é o mapa rodoviário, que é o modelo em papel da podendo, eventualmente, ser aplicados a aqüíferos malha viária de uma determinada região. Através muito fraturados, desde que se possa utilizar o conceito do exame de um mapa rodoviário, pode-se planejar de uma porosidade equivalente. previamente diversas rotas (simulações) para se alcançar É importante sempre ter em mente os objetivos que determinado destino. Para cada rota é possível saber se pretende com o uso dos modelos computacionais. previamente a quilometragem, tipo de estrada, cidades Geralmente, os modelos podem ter dois objetivos: etc. Estas informações serão tanto mais precisas quanto previsão e interpretação. No primeiro caso, o mais detalhado for o mapa. Portanto, modelos são modelo é usado para prever a resposta do aqüífero representações simplificadas de uma situação real, e a determinadas ações. No segundo caso, procura-se como tal, têm suas limitações. Um modelo matemático entender o funcionamento do aqüífero e sistematizar é uma representação através de equações matemáticas. as informações. No caso da hidrogeologia, são utilizadas as equações Os modelos podem ser divididos em modelos de que regem o fluxo subterrâneo. fluxo e modelos de transporte de massa. Os primeiros Nos dias de hoje, modelos matemáticos fazem simulações do escoamento da água levando em computacionais são extremamente úteis para realizar conta os fluxos naturais dos aqüíferos, suas recargas e análises complexas dos aqüíferos e expandir a os bombeamentos a que está submetido. Os modelos capacidade do hidrogeólogo de entender e gerenciar de transporte de massa analisam o transporte e os recursos hídricos subterrâneos. O uso de modelos espalhamento de uma substância poluente que atingiu ajuda a sistematizar as informações de campo e um aqüífero (ver também o capítulo 5.3). identificar áreas onde maiores informações são No presente capítulo, são apresentados, de forma necessárias. Além disso, pode alertar sobre detalhes esquemática, os princípios básicos para utilização de não considerados previamente e oferecem uma modelos computacionais de fluxo de água subterrânea, das melhores maneiras de fazer previsões sobre as visando fornecer os fundamentos para o uso adequado. conseqüências das ações que serão realizadas sobre O uso de modelos matemáticos é um pouco de ciência os recursos hídricos subterrâneos. e um pouco de arte. Cabe ao modelador, com os seus Os modelos matemáticos computacionais na conhecimentos de hidrogeologia e com sua experiência hidrogeologia tiveram um avanço considerável a partir prática, desenvolver sua habilidade para montar os da década de 60, quando os computadores se tornaram modelos de forma correta, criativa e produtiva. velozes e com capacidade de memória suficiente para o tamanho dos sistemas de equações lineares envolvidos 7.3.2 Tipos de Modelos nos modelos de fluxo subterrâneo. Atualmente, os modelos matemáticos hidrogeológicos estão cada De acordo com o tipo, os modelos podem ser vez mais acessíveis, graças ao desenvolvimento classificados como físicos e matemáticos. Os modelos da informática, pois os microcomputadores têm físicos foram usados por um bom tempo, mas foram capacidade e velocidade que chegam a superar em suplantados pelos modelos matemáticos. No entanto, muito os grandes computadores da década de 60, ainda têm muita utilidade em laboratórios de pesquisa, além de preços reduzidos. Portanto, a modelagem para análise de fenômenos e processos que ainda tornou-se uma ferramenta essencial para auxiliar, tanto não puderam ser descritos de uma forma matemática na avaliação, como no planejamento e gestão dos adequada. Os principais modelos físicos são os recursos hídricos subterrâneos. tanques de areia, a célula de Hele-Shaw (formada 687 Cap_7.3_FFI.indd 1 9/12/2008 22:17:28 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia por duas placas paralelas colocadas próximas uma • Quanto às probabilidades de ocorrência: da outra com óleo viscoso entre elas) e os modelos - determinístico - considera que os eventos não analógicos elétricos, que usam a analogia entre a lei dependem da teoria das probabilidades; e de Darcy para escoamento subterrâneo e a lei de Ohm - estocástico - atribui uma probabilidade de ocor- para fluxo elétrico. rência a cada evento. Os modelos matemáticos podem ser classificados como analíticos e numéricos (quadro 7.3.1). Os modelos • Quanto às equações: analíticos utilizam soluções matemáticas deduzidas - linear - pode ser aplicado o princípio da super- para situações simplificadas, por exemplo a solução posição; e de Theis para bombeamento transiente em um aqüífero - não linear. homogêneo e isotrópico. Em alguns casos práticos simples, modelos analíticos podem ser utilizados com A modelagem de aqüífero envolve diversas etapas sucesso, sem haver a necessidade da utilização de em que a simulação computacional é apenas um dos modelos numéricos mais sofisticados. Modelos analíticos passos, que deve ser realizado de acordo com uma podem ser resolvidos com algum conhecimento de seqüência envolvendo desde a definição dos objetivos matemática e com o uso de máquinas de calcular. até a apresentação dos resultados (figura 7.3.1). No entanto, na maior parte das vezes, os aqüíferos Modelo Conceitual - após a definição dos não são homogêneos e os seus contornos não são objetivos, conforme visto anteriormente, parte-se para polígonos regulares, de modo que fica difícil ou a elaboração do modelo conceitual no qual se procura impossível obter-se uma solução analítica. Surgiram, estabelecer a geometria do sistema com suas camadas então, os métodos numéricos, em que as equações geológicas, seus contornos, suas interconexões diferenciais do fluxo subterrâneo são resolvidas hidráulicas, suas recargas e bombeamentos. utilizando-se técnicas de aproximação numéricas obtidas através de discretização do aqüífero e da Escolha do Pacote Computacional - o passo solução de um sistema de equações com as incógnitas seguinte é a formulação matemática do problema a ser obtidas da discretização. analisado e a escolha do pacote computacional. Nos Os modelos matemáticos também podem ser classificados de acordo com as características a seguir apresentadas. • Quanto à variação no tempo: - permanente (steady-state) - as cargas hidráulicas não variam ao longo do tempo; e - transiente - as cargas hidráulicas variam ao longo do tempo. MODELO CONCEITUAL Entendimento dos conceitos físicos do problema. MODELO MATEMÁTICO Equações matemáticas e condições iniciais e de contorno para descrever o fenômeno físico. MODELO ANALÍTICO MODELO NUMÉRICO Simplificação das As equações equações são aproximadas de modo que a solução numericamente, resultando possa ser obtida por em um sistema de métodos analíticos. equações. Figura 7.3.1 - Etapas da Modelagem (adaptado de Anderson Quadro 7.3.1 - Modelos matemáticos. & Woessner, 1992). 688 Cap_7.3_FFI.indd 2 18/12/2008 09:50:04 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações últimos anos, este passo tem ficado cada vez mais fácil • identificação das condições de contorno; porque já existem no mercado muitos pacotes de fácil • levantamento dos valores dos parâmetros interação com o usuário (user-friendly), em que os menus hidrogeológicos; e são auto-explicativos e de fácil aprendizagem. • levantamento das entradas e saídas hídricas Esquematização do Modelo - inclui as atividades (recargas e descargas). de escolha da discretização do problema, da seleção do intervalo de tempo de simulação (time-step), Para a elaboração de um modelo conceitual, do estabelecimento das condições de contorno, são necessárias informações sobre os seguintes da seleção inicial dos parâmetros do aqüífero e da parâmetros e variáveis: verificação das recargas e bombeamentos. • geometria - cota da base e topo e localização dos Calibração e Verificação - é a fase de ajuste dos limites; parâmetros do modelo para reproduzir as cargas • variáveis externas - recargas, condições de hidráulicas e fluxos medidos no campo. Quando contorno, condições iniciais, carga piezométrica, se dispõe de medições ao longo de vários anos, vazão de poços; pode ser feita a calibração com parte dos anos de • variáveis de estado - velocidade, concentração, observação e a partir dos parâmetros calibrados temperatura, área de recarga e descarga, relações roda-se o modelo, para verificar o ajuste com os anos entre aqüíferos, conexão com água superficial, restantes dos dados. coeficiente de armazenamento, transmissividade; Previsão - fornece a resposta que se precisa • parâmetros - condutividade hidráulica, capacidade para entender o funcionamento do sistema aqüífero de infiltração, resistência hidráulica (camada submetido a futuros bombeamentos e recargas. semiconfinante), viscosidade; Verificação a Longo Prazo - a rigor, a modelagem • constantes - massa específica, coeficiente de não deve parar com a entrega dos resultados ao cliente. compressibilidade, aceleração da gravidade. É importante que se continue monitorando os aqüíferos O quadro 7.3.3 mostra como obter informações sobre e que as simulações sejam repetidas sistematicamente, o meio físico e o quadro 7.3.4 indica as informações do ao longo do tempo, à medida que novos dados de meio hidrogeológico. A figura 7.3.2 mostra um exemplo campo sejam obtidos, corrigindo, assim, as imprecisões de modelo conceitual aplicado ao sistema aqüífero da cometidas nas modelagens anteriores (quadro 7.3.2). planície do Snake River (Lindholm, 1986). • A análise de cada caso indicará o modelo mais Classificação de Modelos Conceituais adequado. • A qualidade dos resultados será tão boa quanto a Os modelos conceituais podem ser classificados qualidade dos dados de campo. como: tridimensional, bidimensional horizontal, bidimensional vertical e quase tridimensional. • É fundamental a análise da coerência dos resultados. Modelo Tridimensional - o modelo conceitual pode Quadro 7.3.2 - Observações sobre modelos. ser tridimensional quando as componentes de fluxo vertical são importantes e torna-se necessário levá-las em consideração na modelagem. Os modelos tridimensionais, 7.3.3 Modelo Conceitual em geral, são mais trabalhosos de serem aplicados e Após a definição dos propósitos e objetivos da necessitam de computadores com mais capacidade modelagem, procede-se a elaboração do modelo conceitual, como forma esquemática de representação • Mapa geológico e seções verticais mostrando a do aqüífero, camadas confinantes, interconexões espessura da área e contornos do sistema; hidráulicas, recargas, descargas etc. O objetivo do modelo conceitual é simplificar as informações de • Mapa topográfico mostrando os corpos d’água campo, para permitir a implementação do modelo superficial e os divisores d’água; computacional. No modelo conceitual, procura-se • Mapas de contorno mostrando a elevação de base dos conciliar a representação da realidade hidrogeológica, aqüíferos e camadas confinantes; da forma mais fiel possível, com algumas simplificações • Mapas geológicos mostrando a espessura dos aqüíferos que facilitem a aplicação do modelo numérico. e das camadas confinantes; Na elaboração do modelo conceitual, devem ser • Mapas mostrando a extensão e espessura dos observados os seguintes passos: sedimentos de lagos e de rios. • identificação dos sistemas aqüíferos; Quadro 7.3.3 - Informações do meio físico (adaptado de • identificação das fronteiras do modelo; Moore, 1979). 689 Cap_7.3_FFI.indd 3 9/12/2008 22:17:29 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia As equações também podem sofrer algumas • Nível freático e mapas potenciométricos para todos os aqüíferos. modificações, de acordo com o funcionamento hidráulico do aqüífero. Os modelos podem ser • Hidrogramas de carga de água subterrânea e níveis aplicados para os seguintes tipos de aqüíferos: de água superficial e taxa de descarga. • confinado - quando o topo e a base do aqüífero são • Mapas e seções verticais, mostrando as propriedades impermeáveis; de armazenamento dos aqüíferos e camadas confinantes. • confinado drenante (também chamado de “semiconfinado”) - quando o topo e/ou a base do • Mapas e seções verticais mostrando a condutividade hidráulica e/ou distribuição de transmissividade. aqüífero é formado por camadas semipermeáveis, que permitem conexão hidráulica com os aqüíferos • Valores de condutividade hidráulica e sua distribuição adjacentes; para leitos de sedimentos de lagos e rios. • livre - (também chamado de aqüífero não confinado • Distribuição espacial e temporal de taxas de ou freático) - quando não existe camada confinante evapotranspiração, recarga de água subterrânea, superfície superior e o nível da camada saturada varia de de interação de água superficial - água subterrânea e taxa acordo com as recargas e descargas; de bombeamento de água subterrânea. • misto - quando o aqüífero é formado pela Quadro 7.3.4 - Informações do meio hidrogeológico combinação de alguns dos três tipos anteriores (adaptado de Moore, 1979). (figura 7.3.3). Modelo Bidimensional Vertical - quando as características físicas e hidrogeológicas são constantes ao longo de uma direção, pode ser utilizado com sucesso um modelo vertical perpendicular à direção das características constantes. Como exemplo de modelos verticais, temos o escoamento em drenos agrícolas, percolação em barragens e intrusão marinha (figura 7.3.4). Figura 7.3.2 - Perfil geológico e modelo conceitual elaborado de forma adequada para modelagem numérica (modificado de Snake River, Lindholm, 1986). de memória e maior velocidade de processamento. No entanto, a maior dificuldade reside no tempo e recursos necessários para obtenção de uma maior quantidade de dados para alimentar o modelo tridimensional. Modelo Bidimensional Horizontal - os modelos bidimensionais horizontais têm sido os mais utilizados. Nestes modelos considera-se que não há variações significativas na direção vertical e utilizam-se Figura 7.3.3 - Aqüífero misto, parte livre e parte confinado: equações baseadas apenas nas variáveis X e Y. (a) geologia - corte vertical; (b) modelo horizontal. 690 Cap_7.3_FFI.indd 4 9/12/2008 22:17:29 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações estrutural. Através da análise das informações obtidas por estes meios é que se poderá definir a área de ocorrência e a forma do aqüífero, profundidades, espessuras, estreitamentos, alargamentos, aprofundamentos etc. Os parâmetros hidrodinâmicos do aqüífero, transmissividade, armazenamento e condutividade hidráulica são obtidos por meio de testes de aqüífero. Para a realização destes testes e para que se possa obter todos os parâmetros, é necessário que durante o teste haja pelo menos um poço de observação. É importante salientar que os valores obtidos durante um teste de aqüífero são válidos para as imediações do poço testado, as quais são função da duração do teste e do tipo de aqüífero (capítulos 6.3 e 6.4). Pode, também, ser feita uma estimativa do coeficiente de armazenamento através dos valores do armazenamento específico. A tabela 7.3.1 mostra uma faixa de variação do armazenamento específico para diferentes litologias. Valores médios de condutividade hidráulica podem também ser obtidos com slug test. Valores de condutividade obtidos com permeâmetros algumas vezes podem ser bem menores que os medidos in situ e devem ser evitados (White, 1988). Valores de porosidade efetiva podem ser obtidos em laboratório. Apesar das medições em laboratórios apresentarem discrepâncias devido ao rearranjo dos Figura 7.3.4 - (a) Modelo vertical para análise de drenagem grãos no processo de amostragem, em geral, a faixa de agrícola; (b) Modelo vertical para análise de intrusão marinha variação da porosidade é pequena e as discrepâncias (adaptado de Cabral & Wrobel, 1993). não são significativas. Recarga e perdas por evapotranspiração são difíceis de avaliar. Podem ser utilizados lisímetros para Modelo Quase Tridimensional - os modelos do medir estes valores ou podem ser feitas estimativas tipo quase-tridimensional simulam uma seqüência de aproximadas baseadas nos valores da hidrologia aqüíferos superpostos com intercalações de outras de superfície, geralmente disponíveis nas estações camadas semipermeáveis (figura 7.3.5). Não se leva em meteorológicas. Alguns valores podem ser obtidos consideração as cargas hidráulicas nem a capacidade de e/ou ajustados através de calibração do modelo, no armazenamento das camadas confinantes. Calcula-se as caso do aqüífero estar sendo monitorado ao longo de transferências entre aqüíferos de acordo com a resistência um certo tempo. hidráulica da camada confinante semipermeável. Newman & Witherspoon (1969) recomendam utilizar este tipo de modelo apenas se a condutividade da camada semiconfinante for pelo menos 100 vezes menor do que a condutividade das camadas aqüíferas. Em caso contrário, recomenda-se o uso do modelo completamente tridimensional. 7.3.4 Obtenção de Dados Conforme visto anteriormente, os dados necessários para alimentar o programa são do tipo físico e do tipo hidrogeológico. Dados físicos correspondem à geometria do aqüífero, incluindo extensão e espessura. Dados hidrogeológicos incluem informações sobre porosidade, condutividade hidráulica, cargas hidráulicas, fluxos e coeficiente de armazenamento. Para a definição da geometria, o modelador terá que se valer de todos os perfis litológicos disponíveis obtidos por Figura 7.3.5 - Vista esquemática de um modelo quase tridimen- meio de sondagens diretas, mapas e perfis geológicos sional. As propriedades de drenança das camadas confinantes e geofísicos, mapas de isópacas e mapas de contorno são usadas para conectar os aqüíferos 1, 2 e 3. 691 Cap_7.3_FFI.indd 5 9/12/2008 22:17:29 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia Armazenamento Específico Material S (m-1s ) Argila mole 2,0 x 10-2 - 2,6 x 10-3 Argila dura 2,6 x 10-3 - 1,3 x 10-3 Argila média 1,3 x 10-3 - 9,2 x 10-4 Areia fofa 1,0 x 10-3 - 4,9 x 10-4 Areia densa 2,0 x 10-4 - 1,3 x 10-4 Cascalho arenoso compacto 1,0 x 10-4 - 4,9 x 10-5 Rocha fissurada 6,9 x 10-5 - 3,3 x 10-6 Rocha sã < 3,3 x 10-6 Tabela 7.3.1 - Faixa de variação do armazenamento específico para diferentes materiais (Domenico,1972). A tabela 7.3.2 mostra a faixa de valores da condutividade hidráulica que podem ocorrer, na prática, para diversos tipos de rochas e materiais não Figura 7.3.6 - Quatro combinações possíveis de hetero- consolidados. Os valores indicados são para a água na geneidade e anisotropia: (a) homogêneo e isotrópico; (b) temperatura de 15 oC. Para outros fluidos ou para água homogêneo e anisotrópico; (c) heterogêneo e isotrópico; a outras temperaturas, devem ser utilizados fatores de (d) heterogêneo e anisotrópico (adaptado de Freeze e correção. Alguns aqüíferos podem apresentar variações Cherry, 1979). de condutividade hidráulica de uma direção para outra (anisotropia horizontal ou anisotropia vertical). Devido ao próprio processo de sedimentação das camadas Porosidade EfetivaMaterial ao longo de sua idade geológica, é comum encontrar he anisotropia vertical, podendo, em alguns casos, a Argila 0,00 - 0,05 razão entre a condutividade vertical e a condutividade Argila arenosa 0,03 - 0,12 horizontal estar na proporção de até 1:1.000. Nos casos em que não existe variação da condutividade, Silte 0,03 - 0,19 o material é considerado isotrópico e considera-se Areia fina 0,10 - 0,28 um único valor para a condutividade hidráulica. Além Areia média 0,15 - 0,32 disso, a condutividade pode variar de uma posição Areia grossa 0,20 - 0,35 do aqüífero para outra devido à heterogeneidade do material poroso. A figura 7.3.6 mostra um diagrama Areia com cascalho 0,20 - 0,35 exemplificando heterogeneidade e anisotropia. Cascalho fino 0,21 - 0,35 A simulação de aqüíferos não confinados requer o Cascalho médio 0,13 - 0,26 conhecimento da posição da base, da condutividade hidráulica e da porosidade efetiva do aqüífero. A tabela Cascalho grosso 0,12 - 0,26 7.3.3 mostra as faixas de valores mais comuns de Tabela 7.3.3 - Porosidade efetiva para diferentes materiais porosidade efetiva. (Johnson, 1967). K 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 (cm/s) Permeabilidade Permeável Semipermeável Impermeável Não tem propriedades Aqüífero Bom Pobre aqüíferas Cascalho Areia pura ou areia Areia muito fina, silte puro com cascalho Solo Argila não intemperizada Solo Argila orgânico estratificada Calcário, Rocha Rocha petrolífera Arenito Granito dolomita k -3 2 10 10 -4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 (cm ) Tabela 7.3.2 - Faixas de variação da condutividade hidráulica e da permeabilidade intrínseca para diferentes materiais (adaptado de Freeze e Cherry, 1979). 692 Cap_7.3_FFI.indd 6 9/12/2008 22:17:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações 7.3.5 Condições de Contorno Anteriormente, foi visto que a equação geral do fluxo em meio poroso é uma equação diferencial parcial. Para resolvê-la, é necessário conhecer as condições de contorno e para o caso de problemas transientes é preciso, também, conhecer as condições iniciais. O estabelecimento das condições de contorno é um passo crítico na modelagem. Condições de contorno mal estabelecidas podem levar a sérios erros na solução do problema. As condições de contorno podem ser do tipo físico ou hidráulico. Figura 7.3. 7 - Divisor de água. Não existe fluxo transversal ao divisor de água. Contorno Físico - é devido à presença física de características que influenciam o escoamento. Por exemplo, rochas impermeáveis, falhas geológicas e corpos d’água superficiais. Contorno Hidráulico - é formado devido às condições do escoamento. Os mais comuns são divisores de água e linhas de corrente (ou linhas de fluxo). Em ambos os casos citados, considera-se que o fluxo na direção perpendicular ao contorno é nula. Do ponto de vista matemático, as condições de contorno podem ser de três tipos: carga hidráulica especificada; fluxo especificado; e fluxo dependendo da carga hidráulica. Carga Hidráulica Especificada (Condição de Dirichlet) - neste caso, a carga hidráulica é especificada. Por exemplo, se o aqüífero tem Figura 7.3.8 - Linhas de fluxo podem ser utilizadas como contorno conexão com um lago, a carga é conhecida. da região. Neste caso, o fluxo é nulo na direção transversal. Fluxo Especificado (Condição de Neumann) - o fluxo é especificado, podendo ser nulo ou não. É considerado nulo num contorno impermeável, numa linha de simetria ou de corrente. Não é nulo quando, através do conhecimento do gradiente hidráulico, tem-se condições de avaliar o fluxo. Se ao longo de todo contorno a condição é do tipo Neumann, o problema fica indeterminado e é necessário, pelo menos, especificar um ponto com potencial conhecido. Fluxo Dependendo da Carga Hidráulica (Condições mistas ou condições de Robin ou de Cauchy) - ocorrem em contorno semipermeável e obtém-se uma expressão que é função linear da Região AB - rocha impermeável - fluxo nulo carga hidráulica e do fluxo. Região BC - supondo que o rio passa acima do aqüífero As figuras 7.3.7, 7.3.8 e 7.3.9 exemplificam algumas e que existe uma camada semipermeável entre o aqüífero e o rio - condição mista. condições de contorno. Em problemas bidimensionais, é necessário colocar as condições de contorno ao longo Região CD - supondo que o lago seja bem mais profundo que o rio e apresente conexão com o aqüífero - carga de toda a linha que circunda a região em estudo. Em hidráulica especificada. problemas tridimensionais, as condições de contorno Região DE - linha de corrente - fluxo nulo. devem ser estabelecidas ao longo de toda a superfície que envolve o volume em estudo, incluindo os lados Região EA - região de recarga do aqüífero (fluxo conhe- cido). O fluxo é obtido através do gradiente hidráulico na do aqüífero, o topo e a base. Sempre que possível, base da montanha. é aconselhável utilizar os contornos físicos como condições de contorno do problema, já que eles são Figura 7.3.9 - Condições de contorno num estudo mais estáveis. bidimensional. 693 Cap_7.3_FFI.indd 7 9/12/2008 22:17:30 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia A seguir são apresentados alguns comentários em relação a diferentes tipos de condições de contorno: • a camada impermeável da base do aqüífero entra como condição de contorno de fluxo nulo nos problemas tridimensionais ou verticais bidimensionais; • um rio ou um lago pode entrar como carga constante, se estiver em contato direto com o aqüífero (figura 7.3.10), ou como fluxo dependente da carga hidráulica, se houver uma camada de separação semipermeável (figura 7.3.11); Figura 7.3.11 - Existe uma camada semipermeável • quando todas as condições de contorno de um separando o aqüífero do rio. A condição de contorno é do aqüífero forem do tipo de fluxo especificado, pode fluxo dependendo da carga hidráulica. haver problemas de indeterminação na resolução das equações do sistema. Neste caso, é preciso indicar pelo menos 1 ponto com carga hidráulica especificada; • contorno distante - quando os contornos do aqüífero são distantes dos cones de depressão dos poços de bombeamento, pode ser adotada a condição de carga hidráulica especificada com um valor constante; • refinamento de malha - quando se deseja refinar uma parte da região de estudo, o resultado do modelo não refinado pode servir como condição de contorno para a região refinada (figura 7.3.12). Figura 7.3.12 - Refinamento do modelo. Os resultados do Como já foi dito anteriormente, a definição das modelo não refinado servem como condição de contorno, do condições de contorno é de suma importância, e tipo hidráulico, para a região que será refinada (modificado definições incompletas ou inconsistentes levariam a de Townley & Wilson, 1980). resultados não desejados. A seguir, são mostrados mais dois exemplos com contornos físicos e contornos hidráulicos. A figura 7.3.13 mostra diferentes tipos de linha AB’, porque o modelo simplifica o aqüífero a limites físicos de um aqüífero. um retângulo. Então, a carga ao longo da linha AB’ A figura 7.3.14 mostra a seção transversal de será a altura do nível da água, que é aproximada um aqüífero (Toth, 1962 apud Wang & Anderson, por uma reta tracejada. Finalizando, a figura 7.3.15 1982), para exemplificar a aplicação da equação de sintetiza o esquema de informações necessárias para Laplace. Analisando-se essa figura, nota-se que os a alimentação de um modelo computacional para limites à direita, parte mais alta topograficamente, e à problemas de hidrogeologia. esquerda, vale do rio, funcionam como limites de fluxo nulo, pois, mesmo não havendo barreiras físicas, são divisores de água subterrânea. O limite inferior também 7.3.6 Método das Diferenças Finitas é de fluxo nulo, pois o embasamento é considerado Entre os métodos numéricos mais usados impermeável. O limite superior é representado pela atualmente para resolução de equações diferenciais, o Método das Diferenças Finitas é o mais antigo, o mais divulgado, e, provavelmente, o mais bem entendido pelos geólogos e engenheiros em geral. Ao contrário dos modelos analíticos, cujas funções são válidas para qualquer ponto do domínio modelado, os modelos numéricos só têm as funções definidas para determinados pontos do modelo. A escolha dos pontos é feita aleatoriamente, tanto em posição como em quantidade. Esta ação denomina-se discretizar e cada ponto escolhido é chamado de nó. Cada nó Figura 7.3.10 - O rio está em contato direto com o aqüífero, representa uma porção limitada do aqüífero a ser logo, a condição de contorno será de carga hidráulica modelado, de modo que os parâmetros atribuídos a um especificada. nó, são considerados constantes para a região que ele 694 Cap_7.3_FFI.indd 8 9/12/2008 22:17:30 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 7.3.13 - Diferentes tipos de limites numa bacia. 1 - Limite de fluxo conhecido; 2 e 3 - Limite de fluxo nulo (externo); 4 e 5 - Limite de fluxo constante (interno); 6 - Limite de carga constante (externo); 7 - Nível freático (modificado de Boonstra & Ridder, 1981). representa (célula ou quadrícula). Deste modo, quanto maior o número de pontos, mais próximo da realidade estará o modelo. No caso da hidrogeologia, os modelos numéricos em diferenças finitas têm por objetivo o cálculo do valor da carga hidráulica em cada nó. Geralmente, neste método, a região é aproximada por uma malha formada por retângulos. Os espaçamentos podem ser constantes, podem variar ao longo de cada eixo ou podem variar de um eixo para outro. A figura 7.3.16 mostra um exemplo de aplicação do método de Diferenças Finitas. Em cada nó, cada derivada da função matemática do problema é aproximada por uma expressão Figura 7.3.14 - Secção transversal de um aqüífero para algébrica com referência aos nós adjacentes. A exemplificar a aplicação da equação de Laplace. Os limites expressão algébrica utilizada para representar a à direita e à esquerda (parte alta e o vale) funcionam como variação em cada eixo pode ser do tipo diferença limites de fluxo nulo, pois são divisores de águas subterrâneas progressiva (a derivada é calculada usando o ponto (modificado de Toth, 1962 apud Wang & Anderson, 1982). em estudo e um ponto à frente), diferença regressiva (usa o ponto em estudo e um atrás) e diferença central (usa um ponto na metade do intervalo à frente e outro na metade do intervalo atrás). dh h Diferença progressiva: ≈ i+1 − hi (7.3.1) dx i ∆x dh h − h Diferença regressiva: ≈ i i−1 dx i ∆ (7.3.2) x dh h − h Diferença central: ≈ i+1/2 i−1/2 (7.3.3) dx i ∆x De acordo com a posição onde se colocam os pontos a serem utilizados na análise numérica, a malha pode ser centrada no meio da célula ou centrada nas esquinas das células (figura 7.3.17). Na prática, em relação ao estudo de água subterrânea, a malha centrada no meio da célula é, geralmente, preferida, porque a programação computacional pode ser feita de maneira mais eficiente (Kinzelbach, 1986). Além disso, a conceituação física Figura 7.3.15 - Informações para alimentar o modelo fica melhor representada quando se usa o nó no computacional: (a) problema permanente (não varia com o meio para quantificar as características médias de tempo); (b) problema transiente (varia com o tempo). cada célula. 695 Cap_7.3_FFI.indd 9 9/12/2008 22:17:31 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia Quando se usa refinamento, é importante evitar distorções. Uma regra prática que se usa é considerar cada célula não maior que uma vez e meia a célula vizinha. Além disso, para evitar retângulos muito alongados, recomenda-se que o comprimento da célula não seja maior que 10 vezes sua largura. A figura 7.3.18 mostra uma aplicação com refinamento de malha em Dane County, Wisconsin (USA). Figura 7.3.16 - Malha em diferenças finitas para estudo bidimensional. Figura 7.3.18 - Exemplo de malha irregular em Diferenças Finitas. O espaçamento pequeno da malha no interior da região é para representar melhor a bateria de poços para abastecimento municipal. Dane County, Wisconsin, USA, (modificado de McLeod, 1975). A transmissividade média entre duas células pode Figura 7.3.17 - (a) malha centrada no meio da célula; (b) ser obtida através da média dos valores nodais da malha centrada no canto da célula. transmissividade de cada uma. Quando a transmissividade não sofre grandes variações, pode ser utilizada a média aritmética, mas, a rigor, deve ser utilizada a média Refinamento da Malha harmônica (Huyakorn, 1983, Kinzelbach, 1986): Atualmente, a maior parte dos programas 1 1 = 1 + 1  computacionais permite a utilização do refinamento T 2  T T m  i−1 i  da malha. Na escolha do refinamento devem ser observados os seguintes critérios: ou 2TT • quanto menor a célula, mais acurados serão os T = i i−1m resultados do cálculo; e Ti + Ti−1 • quanto menor a célula, maior a quantidade de onde, Tm é a transmissividade média entre dois nós e T é a equações a serem resolvidas, maior o tempo de transmissividade em cada nó. processamento e maior a necessidade de espaço Quadro 7.3.5 - Variação de transmissividade em células na memória do computador. vizinhas - Transmissividade média. Em geral, procura-se refinar a malha nos locais de maior interesse e deixa-se a malha mais espaçada nos LEMBRETE locais distantes da região de interesse. Locais que, • Em malhas irregulares, cada célula não deve ser maior que usualmente, requerem refinamento são trechos onde 1,5 vezes a célula vizinha. se espera elevados gradientes hidráulicos, trechos com rios de pouca largura ou pontos de descontinuidade • Em cada célula, o comprimento não deve ser maior que geológica ou hidrológica. 10 vezes a largura. 696 Cap_7.3_FFI.indd 10 9/12/2008 22:17:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Condições de Contorno Equações Diferenciais Nos problemas de malha centrada no meio da célula, Variação no Espaço consegue-se melhor precisão colocando-se o limite da célula coincidindo com o limite do aqüífero, para o caso Usando a diferença central, a primeira derivada da de fluxo especificado (contorno impermeável é do tipo carga hidráulica é dada por: fluxo especificado igual a zero) e colocando-se o meio da célula no limite do aqüífero, para o caso de carga ∂h h − h≈ i,j+1/2 i,j−1/2 (7.3.4) hidráulica especificada (figura 7.3.19). ∂ x ∆x Logo, a segunda derivada será: ∂ h − h2h 1 ≈ i,j+1 i,j h − i,j − hi,j−1  ∂ x2 ∆x ∆x ∆ x (7.3.5)  Portanto: ∂2h h≈ i,j+1 − 2hi,j + hi,j−1 7.3.6) ∂x2 (∆x)2 Analogamente, é definida uma expressão semelhante para o eixo y. Para o exemplo de um problema bidimensional, homogêneo, isotrópico, permanente e sem recarga, teremos: hi,j+1 − 2hi,j + hi,j−1 h+ i−1,j − 2hi,j + hi+1,j = 0 Figura 7.3.19 - Colocação do contorno da malha de acordo (∆ 2x) ( (7.3.7)∆ )2y com as condições de contorno do aqüífero (Kinzelbach, 1986). Ou seja, transformou-se a equação diferencial parcial em uma equação algébrica. Para cada nó REGRAS PRÁTICAS interno da malha, aplica-se a equação acima e, depois, Coeficiente de Armazenamento resolve-se o sistema de equações. Para tornar o programa o mais geral possível, os pontos com potencial constante podem ser considerados como Variação no Tempo tendo um coeficiente de armazenamento extremamente Quando o problema não é permanente, discretiza- grande, por exemplo, 1030. Desta forma, um nó deste se o tempo, visto que a carga hidráulica e outras contorno pode ceder ou receber grande quantidade grandezas são dependentes desta variável. De acordo d’água com variação desprezível de carga hidráulica. com a forma de discretizar o tempo, o problema pode Aqüífero livre (não confinado) ser classificado em explícito ou implícito, e é necessário, No aqüífero livre, a transmissividade é função da em cada caso, observar as características de carga hidráulica e deve ser explicitada baseando-se na convergência e estabilidade do processo numérico. condutividade hidráulica. No método explícito, o valor da carga hidráulica ( ) num certo instante depende, apenas, do valor no Tij =Kij hij −bij instante anterior, considerado já conhecido. No onde b é a cota da base do aqüífero no nó i,j. entanto, como o método explícito pode apresentar i,j É importante observar que h não pode decrescer problemas de estabilidade, vários outros métodos abaixo de b. Quando isto acontece, a célula está seca foram desenvolvidos colocando a carga hidráulica em e a transmissividade deveria ser modificada para zero. função dos valores da carga em nós vizinhos no tempo No entanto, isto acarretaria problemas quando o nível atual e no tempo passado. Com isto, não se tem mais voltasse a subir, porque a célula com transmissividade simplesmente uma equação, porém, um conjunto de nula não iria receber água. Uma das maneiras que tem equações que devem ser resolvidas simultaneamente. sido utilizada para modelar este caso é adotar uma Em problemas com heterogeneidade, a entrada de transmissividade residual muito pequena, sempre que o dados do programa, além de apresentar a leitura da nível da água chegar abaixo de um valor (b + e), onde e geometria do aqüífero e da formação da malha, deve é um valor pequeno. conter os valores do coeficiente de armazenamento Quadro 7.3 .6 - Regras práticas usadas na elaboração do e da transmissividade para cada sub-região ou para programa. cada célula. 697 Cap_7.3_FFI.indd 11 9/12/2008 22:17:31 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia Se, além disso, houverem também situações de ordem de alguns segundos para garantir a estabilidade. anisotropia, a transmissividade deve ser indicada para Se é do interesse simular vários anos de explotação, o cada direção ou pode ser indicada nos pontos onde tempo de processamento torna-se bastante elevado. houver variação. Método Implícito - no método implícito, a derivada Método Explícito - usando a aproximação por é avaliada em algum ponto entre um intervalo de diferença progressiva para o tempo, teremos: tempo atual e o intervalo seguinte, usando uma média ponderada. A equação passa a ser: ∂h hn+1 n≈ i,j − hi,j (7.3.8) ∂ t ∆t ∂ 2h hn+1 − 2hn+1 n+1≈ α i,j+1 i,j + hi,j−1 + ∂ x2 (∆ 2x) Aplicando na equação bidimensional de um aqüífero hn − 2hn + hn (7.3.13) homogêneo e isotrópico, já conhecida, como por (1− α) i,j+1 i,j i,j+12 exemplo: (∆x) 2 2 Para simplificar a expressão, considere-se a ∂ h + ∂ h + R = S ∂h (7.3.9) seguinte notação: ∂ x2 ∂ y2 T T ∂ t hni,j ≈ h n + hn n ni−1,j i+1,j + hi,j−1 + hi,j+1 (7.3.14) Chega-se a: A equação de um modelo bidimensional de um hn − 2hn n n n ni,j+1 i,j + hi,j−1 hi−1,j − 2h+ i,j + hi+1,j R+ i,j = aqüífero homogêneo e isotrópico, com malha de (∆ )2x (∆ 2y) T espaçamento constante (∆x = ∆y), fica então: S  hn+1 ni,j − hi,j  (7.3.10)   hn+1 − 4hn+1 hn − 4hn T  ∆t  α i,j i,j + (1− α) i,j i,j R+ i,j  = (∆x)2 (∆x)2 T Os índices subescritos referem-se às coordenadas (7.3.15) hn+1 − hn  espaciais e os índices sobrescritos referem-se ao S  i,j i,j tempo. Desta maneira, o valor da variável h no tempo T  ∆t    n+1 pode ser explicitado em função dos valores do tempo n considerados já conhecidos. Se for adotado Na equação do método implícito, aparecem, um valor do intervalo de tempo (∆t) muito grande, o agora, cinco incógnitas no intervalo n+1, que são a erro de aproximação por diferenças finitas poderá carga hidráulica no nó e as cargas hidráulicas nos crescer muito e o problema tornar-se-á numericamente nós acima, abaixo, à direita e à esquerda, também instável. Em um problema explícito, uma condição para no intervalo n+1. Desta forma, em cada intervalo é que a solução seja estável é que a razão (T∆t)/S(∆y)2 necessário resolver um sistema pela aplicação da seja menor que determinado valor. Para problema equação a todos os nós da malha. Para α = 0, a unidimensional, este valor é 0,5. expressão reduz-se à equação do método explícito. Para α = 1, considera-se que a melhor aproximação T∆t < para a derivada espacial é a do step futuro e o método 0,5 (∆ )2 (7.3.11)S y é chamado completamente implícito. Em geral, α é tomado entre 0 e 1 e um dos valores usados é α = Para problemas bidimensionais, pode ser usada a ½, que é o chamado esquema de Crank-Nicholson, mesma expressão, com o menor dos dois valores ∆y que se apresenta como incondicionalmente estável ou ∆x. No entanto, outros autores adotam o limite para a e é, geralmente, o mais usado nos modelos de água estabilidade neste caso igual a 0,25 (Rushton & Redshaw, subterrânea. 1979) e no lugar de ∆y é utilizado o valor da hipotenusa O modelo completamente implícito também é da quadrícula: incondicionalmente estável, porém, ao se usar algum método iterativo para resolução do sistema de equações, T∆t exige, geralmente, bem maior número de iterações que o < 0,25 2 2 (7.3.12) Crank-Nicholson para a mesma tolerância.S (∆x) + (∆y)  A título de ilustração é apresentado na tabela 7.3.4, o resultado da simulação, realizada por diversos métodos, A razão básica para instabilidade é que o método entre eles o método analítico de Theis, do bombeamento explícito considera que as características do escoamento de um poço em um aqüífero confinado, com descarga permanecem inalteradas durante todo o intervalo de constante de 83,3 m3/h, transmissividade de 3,47x10-3 tempo entre t e t + ∆t. Muitas vezes, para uma malha m2/s, coeficiente de armazenamento igual a 0,002 e com espaçamento entre 10 e 100 metros em modelos alcance de 13,12 dias. A malha de discretização é regionais, obtém-se que o intervalo de tempo deve ser da quadrada com ∆x=∆y= 100 m. 698 Cap_7.3_FFI.indd 12 9/12/2008 22:17:31 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações t ∆t Explícito Crank-Nicolson Implícito (h0- h) (dias) (dias) (h0- h) (h0- h) Num. de (h0- h) Num. de solução para α=0 para α=1/2 Iterações P/ α=1 Iterações p/ Theis 0,01 0,01 0,00 0,05 4 0,06 4 0,04 0,05 0,02 0,46 0,41 5 0,38 6 0,42 0.13 0,05 0,83 0,88 7 0,82 9 0,86 0,49 0,17 0,22.103 1,55 14 1,49 19 1,51 1,13 0,38 0,27.106 1,98 22 1,92 31 1,94 5,12 1,95 0,60.1014 2,81 59 2,71 74 2,80 13,12 4,38 0,10.1020 3,26 101 3,10 114 3,23 Tabela 7.3.4 - Resultados de simulações para verificar o rebaixamento causado por um poço bombeado em um ponto situado a 100 metros (observe que a partir do quarto intervalo de tempo, o método explícito ficou instável e os resultados ficaram fora da realidade). 7.3.7 Noções de Modelos de Trans- Dispersão porte de Poluentes A dispersão hidrodinâmica do poluente deve-se à Nos últimos anos aumentou consideravelmente a dispersão mecânica e à difusão molecular. Dispersão preocupação com a poluição da água subterrânea. mecânica ocorre devido às variações de velocidades No Brasil, já foram observados alguns casos de nos poros, causadas pela resistência das superfícies sólidas, pelos diferentes tamanhos dos poros e pelo vazamentos industriais e poluição por lixões, de modo desvio do fluido ao redor dos grãos do subsolo que existe interesse dos órgãos públicos, bem como (capítulo 2.2). Difusão molecular ocorre devido ao de indústrias e empresas de consultoria, em avaliar a movimento oscilatório das moléculas e as partículas do propagação de poluentes. poluente movem-se das áreas de maior concentração São classificados em miscíveis ou imiscíveis, para as áreas de menor concentração. A dispersão de acordo com sua propriedade de se misturar hidrodinâmica pode ser representada por: com a água. Fluidos miscíveis diluem-se, formam uma solução com a água e propagam-se na água ∂2C ∂2C ∂2C subterrânea devido ao seu movimento e à dispersão Dxx +D2 yy +D2 zz 2 (7.3.16)∂ x ∂ y ∂ z do poluente. Fluidos imiscíveis mantêm-se separados e a pluma de poluente propaga-se, mantendo a onde, C é a concentração de poluente e D é o interface de separação com a água, e a análise é feita coeficiente de dispersão. A rigor, o coeficiente de considerando escoamento bifásico. dispersão é um tensor, mas, na equação acima Para o caso de fluidos miscíveis, o poluente pode utilizou-se só as direções principais. propagar-se no meio poroso por advecção (devido ao próprio movimento da água) ou por dispersão hidrodinâmica (que inclui a dispersão mecânica e a difusão molecular). Na realidade, propagação de poluentes em meio poroso é um assunto extremamente complexo e ainda existem muitos problemas não resolvidos relacionados com a dispersão, sorção e reações dos poluentes. Estes assuntos continuam sendo objeto de muitas pesquisas em diversos países do mundo. Para aplicação dos modelos de transporte de poluentes, é necessário conhecer o campo de velocidades de um aqüífero, que, geralmente, é obtido aplicando-se previamente um modelo de fluxo. Existem, no entanto, alguns casos mais complexos, em que a concentração dos poluentes é grande e chega a modificar o escoamento. Neste caso, é necessário resolver conjuntamente as equações de fluxo e transporte de massa. A figura 7.3.20 mostra um esquema simplificado dos modelos de transporte de soluto. Este tema é discutido com mais detalhe no capítulo 5.3, portanto, aqui apenas serão citados os principais fatores Figura 7.3.20 - Esquema simplificado dos tipos de modelos que influenciam o transporte de poluentes. de transporte de poluentes. 699 Cap_7.3_FFI.indd 13 9/12/2008 22:17:31 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia Desprezando-se a d i fusão molecu la r e Para resolver esta equação, é necessário conhecer considerando-se o movimento da água na direção as condições iniciais e as condições de contorno. x, o coeficiente de dispersão pode ser representado Condição inicial é a situação da concentração ao como: longo do aqüífero no tempo t=0. As condições de contorno, de maneira análoga ao caso da equação Dxx = aL v ; Dyy = aT v ; Dzz = aT v (7.3.17) de fluxo, podem ser: onde, aL é a dispersividade longitudinal e aT é a dis- • concentração especif icada (condição de persividade transversal. Dirichlet); Grande parte dos modelos de transporte de • fluxo de massa especificado (condição de poluentes utilizam esta formulação para a dispersão, Newmann); e no entanto, o grande problema é o cálculo da • fluxo de massa dependente da concentração dispersividade, que depende da escala de observação (condição mista, de Robin ou Cauchy). do problema. Diversos pesquisadores têm estudado este assunto e observado que quando se passa da Alguns programas computacionais utilizam a escala local para a escala regional, a dispersividade equação (7.3.19) para o cálculo do transporte de aumenta, talvez pelo fato do poluente encontrar mais poluente. No entanto, alguns inconvenientes ainda heterogeneidades no aqüífero. existem e é necessário ter isto em mente ao modelar um caso de poluição. Estes inconvenientes são: Decaimento • os mecanismos de dispersão e de reações químicas dos poluentes ainda não são completamente Alguns poluentes podem decair com o tempo. entendidos e a equação utilizada é uma simplificação Considerando um decaimento de primeira ordem: da situação que de fato ocorre; dC • é difícil avaliar os parâmetros da equação, de modo = −λC (7.3.18) dT que muitas vezes se adota estimativas grosseiras 1/2 dos seus valores; e onde, λ é a constante de decaimento de primeira • a equação do transporte de poluente é bem ordem, cujo valor é igual a ln 2/T , e T é a meia-vida mais difícil de resolver do que a equação de 1/2 1/2 do poluente. Exemplos de decaimento são poluentes fluxo. Algumas vezes podem ocorrer problemas radiativos e casos de biodegradação. de dispersão numérica e de oscilações dos resultados. Retardamento Modelo Advectivo Retardamento é o fenômeno em que a velocidade de propagação do poluente é menor que a da água Levando em conta o exposto anteriormente, subterrânea. As causas do retardamento vêm sendo alguns modeladores preferem só analisar o transporte pesquisadas e entre elas encontram-se a absorção advectivo. A modelagem fica bem mais simples e, e a adsorção do poluente pelos grãos do material para os casos em que a advecção é dominante, os poroso do aqüífero. O retardamento geralmente resultados são bem satisfatórios. Uma das formas é representado por um fator R que na equação da de analisar o transporte advectivo, é seguir a trilha da modelagem será multiplicado pelos termos ∂C/∂T. partícula (particle tracking) e estabelecer as linhas de caminhamento dos poluentes. Neste método, após Equação do Transporte de Poluente em resolver as equações de fluxo, analisa-se o movimento um Aqüífero de partículas imaginárias infinitamente pequenas colocadas no campo de velocidades do aqüífero. Reunindo todos os termos descritos anteriormente, a equação bidimensional do transporte de poluente 7.3.8 Método de Elementos Finitos num aqüífero homogêneo e anisotrópico com velocidade constante e uniforme será: O Método de Elementos Finitos vem sendo bastante usado, nos últimos anos, em diversas áreas ∂ 2C ∂2 C ∂C D +D − v −RλC + C' W = de desenvolvimento tecnológico, como, por exemplo, xx ∂ x2 yy ∂ y2 ∂ x na indústria automobilística e na indústria aeronáutica. (7.3.19) ∂C Em termos de água subterrânea, já existem alguns R ∂ t pacotes computacionais disponíveis no mercado utilizando Elementos Finitos. Apesar do método de onde, W é uma fonte ou sumidouro e C’ é a Elementos Finitos ser mais trabalhoso para implantação concentração do poluente na fonte (ou sumidouro). computacional, ele apresenta as seguintes vantagens: 700 Cap_7.3_FFI.indd 14 9/12/2008 22:17:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • flexibilidade para diferentes tipos de problema; Esta função de aproximação não satisfaz à equação • facilidade para modelar contornos irregulares; e original de uma forma exata e, então, haverá um • capacidade de representar meios heterogêneos e resíduo. Este resíduo é forçado a ser nulo em média, através de um fator de ponderação. No método de anisotrópicos. elementos finitos, o bombeamento ou recarga com O método dos elementos finitos (MEF) consiste em poços é associado ao nó se a posição do poço se dividir a região que está sendo estudada num certo coincidir com a posição do nó, ou, então, a vazão é número de pequenos elementos (não infinitesimais), dividida proporcionalmente aos nós adjacentes, no que são conectados a um conjunto de nós, geralmente caso do poço estar dentro do elemento. Em diferenças colocados nos vértices ou nas arestas dos elementos. No finitas, a água é extraída ou recarregada na célula, ao caso unidimensional, estes elementos são segmentos. invés de ser no nó, o que aumenta as imprecisões. Em No caso bidimensional os elementos podem ter a forma geral, os dois métodos dão resultados semelhantes, de qualquer tipo de polígono, embora o mais difundido mas, nas proximidades de poços o MEF dá resultados seja o elemento triangular. No caso tridimensional, pode mais próximos dos valores reais. ser usado qualquer tipo de poliedro. A figura 7.3.21 mostra uma aplicação de elementos LEMBRETE finitos no caso bidimensional com a discretização do Uma das características que torna o Método dos aqüífero Beberibe, no estado de Pernambuco. Nesta Elementos Finitos (MEF) mais preciso que o Método aplicação foram utilizados elementos triangulares. das Diferenças Finitas (MDF), é que no primeiro, a carga Dentro de cada elemento, a variável dependente, hidráulica é aproximada por uma solução contínua por geralmente a carga hidráulica, é aproximada por uma partes ao longo de todo o domínio, enquanto que no função de interpolação que pode ser de diversos tipos, segundo, a carga é definida apenas nos nós. sendo que as mais usadas são funções lineares ou quadráticas. Esta função de interpolação é definida Método de Elementos Finitos com a Técnica em relação aos valores que a carga hidráulica assume de Resíduos Ponderados nos nós associados com cada elemento. O problema original é, então, transformado numa integração onde Considere-se como exemplo a equação de um todos os elementos são combinados, formando-se aqüífero bidimensional, homogêneo e isotrópico, um sistema de equações onde as incógnitas são os num escoamento permanente e sem recarga: valores da carga hidráulica nos nós. ∂2h ∂2h A formulação composta por integrais, característica + = 0 2 2 (7.3.20) do MEF, pode ser obtida através de cálculo variacional ∂ x ∂ y ou através do método de resíduos ponderados. Apesar de se poder chegar à mesma equação final A carga hidráulica pode ser aproximada por uma por qualquer dos métodos, geralmente, no caso de função e o resíduo será: água subterrânea e de outros problemas do tipo da   ∂2h ∂2h   ∂2h ∂2h  teoria do potencial, tem-se utilizado mais o método Resíduo =  +  −  +2 2 2 2  (7.3.21) dos resíduos ponderados.  ∂ x ∂ y   ∂ x ∂ y  A idéia fundamental do método de elementos finitos consiste em substituir-se a solução exata de O processo consiste em aplicar-se ao resíduo uma uma equação diferencial parcial por uma solução função de ponderação w(x,y), forçando-se o erro a aproximada contínua por partes. anular-se no domínio D. Assim:    ∂2h + ∂ 2h  ∫∫  w (x,y)dxdy = 02 2 (7.3.22)D  ∂ x ∂ y   A função de aproximação h é expressa como uma relação de um conjunto de funções linearmente independentes, associadas a cada nó da discretização. n  h = ∑hiΦi i=1 onde, n é o número total de nós no domínio e Φi são as chamadas funções de interpolação. As funções de peso ou ponderação podem ser de Figura 7.3.21 - Aqüífero Beberibe (Pernambuco). Região diversos tipos, sendo que as mais comuns são a função discretizada em elementos finitos (Cirilo e Cabral, 1989). delta de Dirac, quando se usa a técnica de colocação, a 701 Cap_7.3_FFI.indd 15 9/12/2008 22:17:32 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia função unitária, quando se usa a técnica do subdomínio 7.3.9 Estudo de Caso - Aqüífero e as próprias funções de interpolação Φ, de acordo com a técnica de Galerkin. Geralmente adota-se funções de Cabeças no Vale do Gurguéia - PI interpolação Φ que assumam o valor 1 no nó i e o valor O aqüífero Cabeças, na região do vale do Gurguéia, zero em qualquer outro nó. Desta forma, os valores de hi além de fornecer água para o abastecimento público já são as incógnitas procuradas. de comunidades e propriedades particulares, também A figura 7.3.22 mostra uma aplicação de elementos é utilizado para irrigação. finitos no aqüífero subjacente ao delta do Nilo, no Com o propósito de irrigar 1.700 ha (Projeto Piloto), Egito, realizada por Townley & Wilson (1980). Chama na margem direita do rio Gurguéia, sul do Piauí, foram atenção o bom ajuste do modelo ao contorno do perfurados, pela CPRM para o DNOCS, 16 poços, aqüífero e o refinamento da malha nos pontos de totalmente penetrantes na Formação Cabeças, com maior gradiente hidráulico. vazões de explotação em torno de 420 m3/h. A conclusão Em elementos finitos devem ser evitados elementos da perfuração desta bateria de poços foi em 1978. muito alongados, para evitar distorções. Em aqüíferos Em 1986, o DNOCS resolveu ampliar a área irrigada isotrópicos, o uso de elemento triangular eqüilátero na região do vale do Gurguéia, com a implantação de ajuda a melhorar a precisão. Alguns autores sugerem mais duas novas baterias de poços, Colônia do INCRA que a relação entre o comprimento numa direção e na e UNIFOR, e ampliar a bateria do Projeto Piloto. direção transversal nunca ultrapasse 5. Para materiais Para auxiliar na definição das novas baterias e avaliar anisotrópicos, as dimensões dos elementos devem ser o impacto das mesmas no manancial subterrâneo, baseadas na transformação para um meio isotrópico bem como a interferência entre elas, utilizou-se, entre equivalente. Devem, também, ser evitados elementos outras metodologias, uma importante ferramenta que grandes junto de elementos pequenos. É importante foi a modelação matemática em diferenças finitas do que haja uma variação gradativa de região com malha aqüífero Cabeças, na região do vale do rio Gurguéia. refinada para a região com malha espaçada. A localização da área estudada é mostrada na figura 7.3.23. Geologicamente, a área situa-se quase que em sua totalidade sobre os sedimentos da bacia do Parnaíba (Piauí-Maranhão), sendo representada, na área modelada, pelas formações Serra Grande, Pimenteiras, Cabeças, Longá e Poti-Piauí, que, por sua vez, representam do Siluriano ao Carbonífero da bacia. Estruturalmente, a bacia do Parnaíba é monótona, perturbada apenas em alguns locais por “intrusões máficas em forma de diques e soleiras, provavelmente do Jurássico Superior” (Sudene, 1979). Os falhamentos são raros, pelo menos na área estudada. Os principais passos na elaboração do modelo são descritos sucintamente a seguir. Discretização - a área foi dividida em 608 células retangulares, sendo 32 linhas e 19 colunas. Como o modelo considerou apenas o aqüífero Cabeças, tem-se na vertical uma única camada (figura 7.3.24). A discretização foi feita por células com tamanhos variando entre 3,5 x 4 km e 20 x 20 km. O espaçamento irregular foi feito de modo que, a área do Projeto Piloto, considerada de maior interesse, além de ser o local com o maior número de informações disponíveis, tivesse um adensamento da malha. Condições nos Limites - os limites utilizados foram de dois tipos: limites de fluxo nulo e limites de fluxo conhecido (ou fluxo constante - figura 7.3.24). Os limites de fluxo nulo foram usados nas células que limitam o aqüífero e naquelas onde as linhas piezométricas são perpendiculares ao limite da área discretizada. As demais células, onde as linhas piezométricas são paralelas ao limite da área discretizada, foram consideradas como Figura 7.3.22 - Malha de elementos finitos aplicada ao aqüífero limite de fluxo conhecido. O fluxo escoado por este limite do delta do Nilo (modificado de Townley & Wilson, 1980). foi calculado com base no fluxo natural. 702 Cap_7.3_FFI.indd 16 9/12/2008 22:17:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 7.3.23 - Localização da área estudada. A área modelada tem a forma de um retângulo, medindo 361,64 x 213,34 km, perfazendo um total de 77.152,27 km2, cujo lado maior está na direção NE-SW. Abrangeu todo o vale do rio Gurguéia, que vai desde o município de Redenção do Gurguéia até Floriano, estado do Piauí (modificado de Demetrio, 1990). Figura 7.3.24 - Limites e discretização da área modelada na região do vale do Gurguéia. Foram utilizados dois tipos de limites: limites de fluxo nulo e limites de fluxo conhecido (modificado de Demetrio, 1990). 703 Cap_7.3_FFI.indd 17 9/12/2008 22:17:32 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia Parâmetros Ut i l izados - os parâmetros Simulações Realizadas - definido o modelo, foram hidrodinâmicos do aqüífero Cabeças disponíveis eram realizadas mais 10 simulações, nas quais analisou-se escassos em relação às dimensões da área estudada. diversos cenários possíveis de utilização do aqüífero Totalizavam 16 informações extraídas do Inventário Cabeças. O melhor arranjo conseguido, que permitiria Hidrogeológico Básico do Nordeste, folha 18, e mais irrigar cerca de 4.700 hectares, foi o seguinte: 20, da última programação de perfuração de poços. Vale salientar que a quase totalidade das informações • a bateria do INCRA não sofreria alterações; disponíveis estavam alinhadas mais ou menos na • a bateria do Projeto Piloto só seria operada com direção norte-sul, acompanhando o rio Gurguéia, entre apenas 9 poços; as cidades de Cristino Castro e Eliseu Martins, numa • a bateria da Unifor seria acrescida de mais 2 poços, extensão aproximada de 110 km. Os dados teriam sido passando a funcionar com 8 poços; mais úteis se estivessem espalhados aleatoriamente • a bateria Barrocão, pertencente a particulares, nas pela área. As transmissividades utilizadas variaram proximidades da cidade de Bom Jesus, não seria entre 2.10-2 a 2.10-3 m2/s. A partir destes valores, foram alterada; e sendo feitos ajustes para as áreas sem informações, a • seriam implantadas duas novas baterias de poços, fim de obter-se uma superposição entre a piezometria cada uma com 12 poços, sendo uma localizada observada e a piezometria calculada pelo modelo. nas cercanias de Canavieiras e a outra, próxima a O coeficiente de armazenamento utilizado para a Redenção do Gurguéia. área de confinamento foi, no geral, de 0,0003, porém, com base nos testes de aqüíferos realizados, foram Análise do Modelo Utilizado - todo o estudo utilizados os valores de 5,69.10-4, para a área em torno foi realizado considerando-se o aqüífero Cabeças da Bateria da Unifor, 3,5.10-4, para as proximidades como confinado e sem drenança. Isto por não se do Projeto Piloto, e 2.10-4, em torno da Bateria do ter evidenciado qualquer sinal de recarga nos 23 INCRA, enquanto que para a área de afloramento, não testes de aqüífero realizados, testes esses que confinada, o valor utilizado foi de 0,02. tiveram, na sua maioria, duração de 72 horas Os dados de infiltração utilizados foram obtidos de bombeamento. Admite-se, no entanto, que a através do cálculo do volume escoado naturalmente, intensificação dos bombeamentos na região e o onde foram tomadas as linhas isopiezométricas de 260 conseqüente rebaixamento regional dos níveis e 240 metros (figura 7.3.24). piezométricos, poderá provocar um desequilíbrio Foi admitido que o aqüífero Cabeças é alimentado de cargas entre os aqüíferos, principalmente, entre apenas pela infiltração na sua zona de recarga, pois o sistema Poti-Piauí e o aqüífero Cabeças. Como até o momento não havia qualquer informação que a Formação Longá apresenta variações laterais autorizasse considerar efeitos de drenança. Dividindo- de fácies, a exemplo da predominância arenosa se, então, a descarga natural total pela área de atravessada pelos poços do Projeto Piloto, é possível afloramento, encontrou-se um valor para infiltração que possa haver um processo de drenança vertical anual da ordem de 10,5 mm/ano, porém, para as descendente do sistema Poti-Piauí para o Cabeças. necessidades de ajuste foi utilizada uma infiltração Outra possibilidade de atenuação dos rebaixamentos média de 7,5 mm/ano, com pequenas variações. na região do Projeto Piloto do DNOCS, em função da Calibração do Modelo - como não se dispunha de aglomeração de poços, é a perfuração de novos poços, séries históricas de observação de níveis e descargas, ou aprofundamento de alguns existentes, para captar a calibração consistiu em reproduzir a piezometria conjuntamente as Formações Cabeças e Serra Grande observada, tendo como base os parâmetros mencionados (Feitosa & Demetrio, 1989). anteriormente, exceto o coeficiente de armazenamento, pois as simulações para a calibração (ajuste) foram 7.3.10 Considerações Finais feitas em regime de fluxo permanente, porque estava-se buscando reproduzir o escoamento natural, que, por A aplicação matemática e computacional não hipótese, estaria em regime de equilíbrio. está muito propensa a erros, mas o conhecimento A calibração teve como diretriz mestra o ajuste geológico e hidrológico da região é que corre o risco de das linhas isopiezométricas de 260 e 240 metros, pois imprecisão ou má interpretação. Portanto, a preparação eram as linhas melhor apoiadas pelas informações de um modelo conceitual válido e completo é essencial disponíveis. O ajuste foi obtido por tentativas. Era para uma boa modelagem. fornecida uma série de valores para os parâmetros do A calibração de um modelo de transporte de modelo, comparava-se o resultado com o observado, poluentes é muito mais trabalhosa que de um modelo repetindo-se a operação até encontrar um resultado de fluxo. Person & Konikov (1986), através de análises satisfatório, ou seja, quando as diferenças entre as estatísticas de dados de campos, verificaram que eram cargas hidráulicas observadas e as calculadas pelo necessários 4 anos de dados para calibrar um modelo modelo ficassem em valores aceitáveis - no caso foi de transporte de poluente, enquanto um ano de dados considerado ± 5 m. era suficiente para calibrar um modelo de fluxo. 704 Cap_7.3_FFI.indd 18 9/12/2008 22:17:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Para analisar a validade de uma solução numérica, BEAR, J; DAGAN, G. Moving interface in coastal podem ser feitas algumas verificações tais como: aquifers. Journal of the Hydraulics Division of • checar a sensibilidade da solução: em relação à A.S.C.E., New York, v. 90 (HY4), p 193-216, 1964. malha (refinamento); em relação ao erro tolerado; BOONSTRA, J.; RIDDER, N. A. Numerical modelling e em relação ao intervalo de tempo; of groundwater basins. [Wageningen]: International • checar o balanço de massa, verificando: que a Institute for Land Reclamation and Improvement, quantidade de água deve ser conservada; e que 1981. 250 p. a variação no armazenamento deve ser igual à CABRAL, J. J. S. P.; WROBEL, L. C. Numeri- quantidade que entra menos a quantidade que sai. cal analysis of saltwater intrusion using B-spline É notória a evolução da tecnologia, principalmente boundary elements. International Journal for Nu- no campo da informática. Hoje é possível manipular merical Methods in Fluids, Chichester, N.Y., v. 16, modelos numéricos em microcomputadores, em nossos n. 11, p. 989-1005, 1993. escritórios de trabalho, fato que seria inimaginável, por exemplo, há 20 anos. Apesar das facilidades CABRAL, J. J. S. P.; CIRILO, J. A. Salt-water - fresh- tecnológicas serem uma realidade, a modelação water interface motion in leaky aquifer. In: BOUNDARY numérica de aqüíferos no Brasil ainda é uma ferramenta element techniques: aplications in fluid flow and com- pouco usada pelos hidrogeólogos, e isto deve- putational aspects. Southampton, U. K. Computa- se, basicamente, à qualidade e à quantidade dos tional Mechanics Publications, 1997. dados disponíveis. Um passo imprescindível para a CABRAL, J. J. S. P. Simulação computacional de solidificação de um modelo de fluxo é a reprodução do água subterrânea utilizando métodos de elementos comportamento do aqüífero, mediante informações de de contorno. R. Águas Subter., ABAS, São Paulo, v. uma série histórica de níveis piezométricos e descargas 1, n. 14, dez. 1995. dos poços. Entretanto, são raríssimas as séries disponíveis. Em geral, quando existem, são feitas de CIRILO, J. A.; CABRAL, J. J. S. P. Modelos de água modo esporádico, sem continuidade e por curto período subterrânea. In: SILVA, Rui Vieira da (Ed.). Métodos de tempo. Falta aos responsáveis pela explotação numéricos em Recursos Hídricos. Rio de Janeiro: de aqüíferos, a sensibilidade da importância dessas ABRH, 1989. p. 303-379. (Métodos numéricos em informações, pois o conhecimento hidrogeológico é feito recursos hídricos, 1). de forma dinâmica, construído a cada novo teste, a cada CLEARY, R. W. Águas subterrâneas. In: RAMOS, F. et novo perfil litológico disponível, a cada estudo geofísico al. (Org.). Engenharia hidrológica. Rio de Janeiro: realizado, a cada novo dado de observação do nível ABRH; Ed. UFRJ, 1989. p. 291-404. (Coleção ABRH piezométrico de poço em função de suas descargas. de Recursos Hídricos, v. 2.). Portanto, não adianta que se disponha de computadores supervelozes e que todas as dificuldades matemáticas CLEARY, R. W. Qualidade da água subterrânea. In: estejam resolvidas, se os dados que irão alimentar os PORTO, R. L. (Org.). Hidrologia ambiental. São modelos forem precários e escassos. Paulo: ABRH; EDUSP, 1991. p. 211-296. (Coleção Como se vê, quanto mais informações se dispõe para ABRH de Recursos Hídricos, v. 3). alimentar um modelo, mais confiável ele será, porém, é CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología Subter- importante lembrar que por maior que seja o número de dados disponíveis, um modelo numérico de um aqüífero ránea. Barcelona : Ed. Omega, 1983. v. 2 . sempre será uma simplificação do aqüífero real, portanto, DEMÉTRIO, J. G. A. Modelo numérico em dife- sempre será limitado e estará sujeito a falhas. renças finitas do aqüífero Cabeças no Vale do Gurguéia - PI. 153 f. Dissertação (Mestrado em Referências Geociências)-Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 1990. ANDERSON, M. P.; WOESSNER, W. W. Applied DEWISTE, R. J. M. Geohydrology. New York: John groundwater modeling: simulation of flow and ad- Willey & Sons, 1965. 366 p. vective transport. San Diego: Academic Press, 1992. 381 p. DOMENICO, P. A. Concepts and models in ground- water hydrology. New York: McGraw-Hill, 1972. 405 p. BEAR, J. Dynamics of fluids in porous media. New York: American Elsevier,1972. 764 p. (Environmental DEPARTAMENTO NACIONAL DE OBRAS CONTRA Sciences Series). AS SECAS. Estudos de reconhecimentos Vale do Gurguéia, Teresina-PI. [Brasília], 1973. BEAR, J. Hydraulics of groundwater. London: McGraw-Hill International Book, 1979. 567 p. DEPARTAMENTO NACIONAL DE OBRAS CONTRA (McGraw-Hill Series in Water Resources and Environ- AS SECAS. Vale do Gurguéia: Plano Diretor, Teresi- mental Engineering). na. [Brasília], 1976. 705 Cap_7.3_FFI.indd 19 9/12/2008 22:17:32 Capítulo 7.3 - Aplicação de Modelos em Hidrogeologia FEITOSA, E. C.; DEMETRIO, J. G. A. Hidráulica de Hydrological Forecasting. Chichester: John Wiley, captação conjunta dos aqüíferos Serra Grande e 1985. Cabeças na bacia do Parnaíba. In: SIMPÓSIO DE KREYSZIG, E. Matemática superior. Rio de Janeiro: HIDROGEOLOGIA DO NORDESTE, 2., 1989, Natal. Livros Técnicos e Científicos, 1976. v. 1. Anais.... Natal: ABAS, 1989. LINDHOLM, G. F. Snake River Plain regional aquifer- FEITOSA, E. C. et al. Fronteiras detectadas em testes system study. In: REN, Jen Sun (Ed.). Regional de aqüíferos na Formação Cabeças/PI. In: SIMPÓ- Aquifer-System Analisys Program of the U.S. SIO DE HIDROGEOLOGIA DO NORDESTE, 2., 1989, Geological Survey, summary of projects, 1978-84. Natal. Anais... Natal: ABAS, 1989. Reston, VA: USGS, 1986. p. 88-106. (U. S. Geological FRANÇA, H. P. M. et al. Análise preliminar do com- Survey Circular 1002). portamento hidrodinâmico e da intrusão marinha na MCDONALD, M. G.; HARBAUGH, A. W. A. modular região metropolitana norte do Recife. In: SIMPÓSIO three-dimensional finite-diference ground-water flow DE ÁGUA SUBTERRÂNEA DO NORDESTE, 1., 1987, model (MODFLOW). Reston, VA: U. S. Geological Sur- Recife. Atas... Recife: ABAS, 1987. vey, 1988. Book 6, chapter A1. U.S. Geological Survey FREEZE, R. A.; CHERRY, J. A. Groundwater. Engle- Techniques of Water-Resource Investigation, 06-A1). wood Cliffs : Prentice Hall, 1979. 604 p. MCLEOD, R. S. A. Digital-computer model for esti- HERRLING, B., HECKELE, A. Management of mating hydrologic changes in the aquifer system groundwater systems by application of finite ele- in Dane County. Madison, WI: Wisconsin Geologic ment and optimization methods. In: INTERNATIONAL and Natural History Survey, 1985. p. 30-40 (Informa- CONFERENCE ON FINITE ELEMENTS IN WATER tion Circular). RESOURCES, 6., 1986, Lisbon. Proceedings... Lis- MONTENEGRO, A. A. A.; RIGHETTO, A. M. Modela- bon: [Universidade Técnica de Lisboa], 1986. ção do manancial subterrâneo de Ribeirão Preto, HUBBERT, M. K. The theory of ground water motion. 2: modelação matemática. São Carlos : Escola de Journal of Geology, [S.l.], v. 48, n. 8, p. 785-944, 1940. Engenharia de São Carlos (USP), 1988. Comunica- HUYAKORN, P. S.; PINDER, G. F. Computational ção Interna. methods in subsurface flow. New York : Academic MONTENEGRO, S. M. G. L. Estudo do fluxo em di- Press, 1983. 473 p. reção a drenos não apoiados para determinação de HUYAKORN, P. S.; GUVANASEN, V.; WAPSWORTH. espaçamento. In: SIMPÓSIO DE RECURSOS HÍDRI- Three-dimensional techniques for simulating uncon- COS DO NORDESTE, 1., 1992, Recife. Atas...Recife : fined flow with seepage faces. In: INTERNATIONAL UFPE; GRH; ABRH, 1992. CONFERENCE ON FINITE ELEMENTS IN WATER MOORE, J. E. Contribution of groundwater modeling RESOURCES, 6., 1986, Lisbon. Proceedings... Lis- to planning. Journal of Hydrology, Amsterdam, v. bon: [Universidade Técnica de Lisboa], 1986. 43, n. 1-4, p. 121-128, oct. 1979. JAVANDEL, I.; DOUGHTY, C.; TSANG, C. Ground- NEUMAN, S.P.; WITHERSPOON. P. A. Theory of flow water transport: handbook of mathematical models. in a confined two-aquifer system. Water Resources Washington, D.C.: American Geophysical Union, Research, Washington, v. 5, n. 4, p. 803-816, 1969. 1984. 228 p. (Water Resources Monograph, 10). NUTTING, P. G. Physical analysis of oil sands. Ameri- JENSEN, K. H. The value of groundwater models for can Association Petroleum Geologists Bulletin, planers and decision makers. Paris: Unesco, 1987. Tulsa, OK, n. 14, p. 1337-1349, 1930. JOHNSON, A. I. Specific yield: compilation of specific PERSON, Mark; KONIKOW, L. F. Recalibration and yields for various materials. U.S. Geological Survey predictive reliability of a solute-transport model of an ir- Water Supply Paper, n. 1662-D, Washington, D.C., rigated stream-aquifer system. Journal of Hydrology, p. 74, 1967. Amsterdam, v. 87, n. 1-2, p. 145-165, oct. 1986. KEMBLOWSKY, M. A. Review of boundary element PESSOA, M. D. Inventário hidrogeológico básico models of saltwater intrusion. In: TOPICS in Boundary do Nordeste: folha nº 18 - São Francisco-NE. Recife: Element Research. [S.l.:s.n.], 1987. v. 4. SUDENE, 1979. 238 p. il. (Série: Brasil. SUDENE. KINZELBACH, Wolfgang. Groundwater modeling: Hidrogeológia, 59). an introduction with sample programs in BASIC. RUSHTON, K. R.; REDSHAW, S. C. Seepage and Amsterdam: Elsevier, 1986. 333 p. (Developments in groundwater flow. Chichester: Wiley, 1979. 339 p. Water Science, 25). TOWNLEY, L. R.; WILSON, J. L. Description of and KONIKOW, L. F.; PATTEN JR., E. P. Groundwater user’s manual for a finite element aquifer flow forecasting. In: ANDERSON, M.G.; BURT, T.P. (Ed.). model AQUIFEM -1. Cambridge, MA: Massachusetts 706 Cap_7.3_FFI.indd 20 9/12/2008 22:17:32 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Institute of Technology, 1980. 294 p. (Technology adaptation Program Report, n. 79-3). VERRUIJT, A. Theory of groundwater flow. 2. ed. London : Macmillian Press, 1982. 144 p. WALTON, C. W. Groundwater resource evaluation. [New York]: McGraw-Hill, 1970. WANG, H. F.; ANDERSON, M. P. Introduction to groundwater modelling. San Francisco: W. H. F., 1982. WHITE, I. Comment on: “A natural gradient experiment on solute transport in a sand aquifer: spatial variability of hydraulic conductivity and its role in the dispersion pro- cess” by E. A. Sudicky. Water Resources Research, Washington, D.C., v. 24, n. 6, p. 892-894, 1988. 707 Cap_7.3_FFI.indd 21 9/12/2008 22:17:32 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 7.4 CartografIa HIdrogeológICa Albert Mente 7.4.1 Introdução mas, também, para os não-especialistas como administradores, economistas e engenheiros, na Acartografia hidrogeológica é reconhecida área de planejamento urbano e/ou rural, agrônomos como uma ferramenta útil no planejamento, no e técnicos agrícolas, na área de agricultura, assim desenvolvimento e na proteção dos recursos como, professores e outros indivíduos interessados hídricos subterrâneos, em quase todos os países do de modo geral. mundo. Conseqüentemente, existem inúmeros mapas Os mapas hidrogeológicos têm por finalidade hidrogeológicos disponíveis, que variam no modo de a representação da ocorrência e variações da apresentação, principalmente, conforme a escala, as potencialidade da água subterrânea, considerando finalidades e os usuários alvo. aspectos quantitativos e qualitativos, em função No presente capítulo procura-se esclarecer os da diversidade dos fatores geológicos e climáticos conceitos básicos dos mapas hidrogeológicos, existentes. Neles devem figurar, numa base topográfica apresentar uma orientação na preparação dos mesmos, adequada, os elementos indicativos sobre a extensão descrever as escalas e elementos representáveis, das principais ocorrências de água subterrânea, a normalmente adotados, e mencionar as diversas escassez de água subterrânea em outras áreas, a categorias de mapas existentes. Mas, sobretudo, ocorrência ou possível presença de bacias artesianas, sugere-se a utilização de uma legenda que possa as áreas com água subterrânea salinizada e outras contribuir para uma uniformização de apresentação, com água de potabilidade adequada. Além disso, de acordo com padrões internacionalmente aceitos. nos mesmos devem constar, também, de acordo Os padrões aqui apresentados foram adaptados da com a escala, informações de caráter local, tais como Legenda Internacional para Mapas Hidrogeológicos as perfurações, os pontos de água (poços e fontes) da UNESCO/IAHS/Institute of Geological Sciences - e outras obras de captação existentes, os níveis de London (ANON, 1970; 1983). superfície piezométrica (ou configuração dos níveis Mundialmente, os mapas hidrogeológicos mais d’água), a direção do fluxo subterrâneo, e as variações recentes (pós década de 80), que seguiram a Legenda na qualidade de água. Internacional, se assemelham muito em aparência De um modo geral, os mapas devem proporcionar, e apresentação, facilitando, sobremaneira, a leitura na dependência da escala adotada, quaisquer e compreensão, independentemente dos idiomas in fo rmações que poss ib i l i tem uma melhor agregados. Este capítulo é encerrado com alguns compreensão da existência, do movimento, da exemplos desses mapas hidrogeológicos. quantidade e da qualidade das águas subterrâneas. As informações normalmente apresentadas estão 7.4.2 Conceituação de Mapa Hidro- relacionadas à precipitação, evaporação, hidrologia geológico de superfície, dados geométricos dos aqüíferos, hidroquímica e a disponibilidade d’água. Além disso, A l e g e n d a i n t e r n a c i o n a l p a r a m a p a s dados geológicos, em quantidade suficiente, devem hidrogeológicos da UNESCO, acima referida, define contribuir para uma boa compreensão das condições mapas hidrogeológicos como mapas nos quais são hidrogeológicas existentes. Porém, é necessária apresentadas as extensões dos aqüíferos, junto com uma apresentação discreta dos dados geológicos, quaisquer feições de caráter geológico, hidrogeológico, de modo a não se sobrepor ao objeto principal meteorológico e hidrológico de superfície, necessárias (hidrogeologia) do mapa. para propiciar uma boa compreensão da ocorrência da Em síntese, mapas hidrogeológicos podem água subterrânea. A mesma Legenda destaca, logo ser definidos como representações sinóticas de em seguida, a importância dos mapas hidrogeológicos fenômenos hidrogeológicos, em forma planar, de para os usuários em potencial, que são hidrogeólogos, acordo com uma determinada escala referente à pesquisadores e especialistas em água subterrânea, superfície da terra. 709 Cap_7.4_FFI.indd 1 9/12/2008 22:19:36 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica 7.4.3 escalas e elementos dos Mapas ilustrar características gerais como precipitação, Hidrogeológicos relevo e determinados aspectos químicos de água subterrânea. São relativamente pequenas as áreas escalas cobertas por mapas de grande escala, que envolvem, muitas vezes, áreas específicas de projetos ou Segundo a escala , os mapas podem ser programas em execução. classificados em três categorias: mapas de pequena escala (1:1.000.000 ou menor); mapas de média escala A escolha de determinada escala para um mapa (entre 1:1.000.000 e 1:200.000); e mapas de grande hidrogeológico depende tanto da finalidade do mapa escala (de 1:200.000 ou maior). como da quantidade de informações disponíveis e a serem incluídas conforme planejado. Deve-se Mapas de pequena escala - apresentam, levar em conta de que não haverá sentido escolher apenas, a localização e disposição dos aqüíferos e uma escala grande para um mapa de uma área com não-aqüíferos, assim como as grandes feições da extrema escassez de informações. Por outro lado, é drenagem superficial. Em alguns casos, é possível igualmente inconveniente querer impor uma profusão apresentar, também, um número reduzido de outros de dados num mapa de pequena escala, a ponto aspectos, tais como os contornos gerais dos níveis de tornar ilegível qualquer distinção dos elementos piezométricos, referentes aos principais aqüíferos. representados. O gráfico da figura 7.4.1, elaborado Porém, a introdução de feições mais detalhadas, pela Organização Meteorológica Mundial - OMM geralmente, é pouco produtiva, não havendo sentido em 1977, mostra o inter-relacionamento entre área nesses mapas de pequena escala. As áreas cobertas mapeada, escala e tipo de mapas hidrológicos e que, pelos mapas de pequena escala, se referem às com ligeiras modificações, pode ser adotado, também, grandes regiões de um país ou países inteiros e, em para os mapas hidrogeológicos. escalas menores ainda (1/5.000.000 ou 1/10.000.000), até a superfícies continentais. elementos dos Mapas Hidrogeológicos Mapas de média escala - em muitas ocasiões, circunstâncias requerem, em função dos dados Os elementos que normalmente são incorporados disponíveis e atendimento às demandas, a apresentação aos mapas hidrogeológicos podem ser distinguidos em de mapas de escala intermediária entre pequena diversas categorias. Estas categorias, em sua essência e grande. Nesses casos, haverá possibilidade e em linhas gerais, serão descritas a seguir, devendo-se mais ampla de introduzir feições mais detalhadas, levar em conta de que cada categoria consiste de muitos comparativamente às do mapa em pequena escala, detalhes que poderão ser encontrados na Legenda contudo, não chegam ao alcance das possibilidades Internacional para Mapas Hidrogeológicos (ANON, de apresentação oferecidas pelos mapas de grande 1970;1983 revisado) e outros documentos específicos escala. As áreas cobertas pelos mapas de média existentes (LEAL, 1974; REBOUÇAS et al., 1969). escala, são relativamente grandes, podendo incluir Informações de fundo do mapa - correspondem, territórios municipais ou porções de um estado. na maioria, às feições topográficas como rodovias Mapas de grande escala - nestes mapas pode- principais, ferrovias, grandes aglomerações urbanas se apresentar uma gama significativa de dados. etc. A topografia geralmente é excluída para não Outrossim, estes dados podem ser ampliados pelo mascarar o detalhamento hidrogeológico, porém, uso de mapas de encarte de pequena escala, visando eventualmente, a mesma pode aparecer num mapa figura 7.4.1 - Inter-relacionamento entre área, escala e tipo de mapa hidrológico (modificado de OMM, 1977). 710 Cap_7.4_FFI.indd 2 9/12/2008 22:19:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações de encarte. O uso da malha internacional (projeção grUPo Cor UTM - Universal Transversal Mercator) é recomendado, mas qualquer outro sistema de malha nacional pode 1. Água subterrânea, inclusive fontes. violeta ser utilizado se as linhas de latitude e longitude forem visíveis. De um modo geral, as informações de fundo 2. Qualidade e temperatura das águas laranja do mapa são impressas em cinza e a malha ou linhas subterrâneas. de coordenadas geográficas, em preto. As toponímias 3. Águas de superfície e hidrografia de regionais e os nomes de cidades podem ser impressos azulkarst. também em preto, mas deve-se tomar o cuidado de formatá-las diferentemente das indicações usadas para 4. Perfurações, poços,outras obras e mudanças do regime natural de água vermelho os símbolos estratigráficos. subterrânea aqüíferos e não aqüíferos - as camadas 5. Diversos contornos, isópacas, isoietas aflorantes que aparecem no mapa, relacionadas verde escuroetc. a aqüíferos ou a não-aqüíferos, são apresentadas 6. Informações geológicas e estrati- numa determinada cor simples. Os aqüíferos são pretográficas diferenciados em aqüíferos granulares e aqüíferos fissurados. Os aqüíferos granulares são indicados tabela 7.4.1 - Grupo de dados específicos com as cores com a cor azul simples e os aqüíferos fraturados com sugeridas e internacionalmente adotadas (adaptado da a cor verde simples. Em ambos os casos, a cor (azul Legenda Internacional para Mapas Hidrogeológicos, ou verde) escura é reservada para os aqüíferos de 1970;1983 revisado). grande extensão e altamente produtivos. A cor (azul ou verde) menos escura pode ser utilizada para outros estratigrafia - embora considerada de importância aqüíferos. Os não-aqüíferos são indicados com a secundária em mapas hidrogeológicos, é, pelo menos, cor marrom de tonalidade clara. As outras camadas, conveniente se ter uma indicação aproximada da idade com pouco rendimento de água subterrânea ou com das camadas apresentadas. Na Legenda Internacional produção restrita e localizada, são apresentadas em para Mapas Hidrogeológicos (ANON, op. cit.), marrom escuro. Caso seja necessário apresentar sugere-se o uso de símbolos em preto dos principais a continuidade de um aqüífero por baixo de uma períodos geológicos. Nos mapas hidrogeológicos camada não-aqüífero fina, mas extensa, utiliza- de grande escala, aconselha-se a utilização dos se a cor apropriada (azul ou verde) do aqüífero, símbolos indicativos locais, ao invés dos internacionais. porém, adicionada com listras verticais discretas da Neste caso, a simbologia indicada é a adotada pelo cor marrom apropriada. Será interessante indicar Serviço Geológico do Brasil - CPRM, em função da na legenda, a espessura máxima da camada de necessidade de compatibilidade com os mapas cobertura. geológicos existentes. litologia - as diversas camadas aqüíferas e não- Climatologia - é muito difícil introduzir informações aqüíferas apresentadas no mapa recebem, além das climáticas nos mapas hidrogeológicos, principalmente cores apropriadas acima citadas, uma indicação nos de pequena escala, sem interferir na legibilidade dos litológica em forma de determinado tipo de ornamento. dados hidrogeológicos mais pertinentes. Recomenda- A atribuição destes ornamentos deve ser feita com se, portanto, a apresentação das informações critério para refletir, o mais próximo possível, a climáticas em mapas de encarte ou como ilustrações litologia real das camadas. Uma lista com sugestões no texto acompanhante do mapa. de possíveis ornamentos litológicos está contida na Legenda Internacional para Mapas Hidrogeológicos Seções verticais - são freqüentemente utilizadas (ANON, op. cit.), assim como nos documentos para ilustrar a relação entre aqüíferos e não-aqüíferos Mapas Hidrogeológicos (LEAL, 1974) e Inventário em profundidade (visão tridimensional). Deste Hidrogeológico do Nordeste - Programa e Normas modo, poderão ser apresentadas, também, outras Técnicas (REBOUÇAS et al, 1969). características hidrogeológicas relevantes. As seções verticais, como ferramenta auxiliar dos mapas representações de dados específicos - hidrogeológicos, são bastante úteis e, portanto, correspondem às informações hidrogeológicas altamente recomendáveis. Todas as cores, linhas, detalhadas que são apresentadas no mapa em forma símbolos e ornamentos utilizados no mapa deverão de símbolos e, ocasionalmente, com linhas ou algum constar de forma idêntica nas seções verticais. Utiliza- tipo de ornamento, em diversas cores. Indicações se, também, a mesma escala horizontal do mapa, numéricas na mesma cor podem ser usadas para enquanto a ampliação necessária da escala vertical dar melhores esclarecimentos. Os diversos tipos deverá ser a menor possível, particularmente em de informação que compõem este grupo são mapas de grande escala, a fim de evitar apresentações apresentados na tabela 7.4.1. distorcidas. 711 Cap_7.4_FFI.indd 3 9/12/2008 22:19:37 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica 7.4.4 tipos de Mapas diagramas em Perspectiva - são obtidos através de computadores, incluindo as três dimensões e as Mapas hidrogeológicos pertencem aos métodos mudanças relacionadas ao tempo. As saídas podem convencionais de cartografia das águas subterrâneas. ser impressas ou representações em tela. De acordo com estes métodos, selecionam-se Na tabela 7.4.2, é apresentado um sistema geral de algumas feições ou grupo de aparências relativas à representação gráfica na hidrologia, que demonstra o água subterrânea com base em determinado aqüífero inter-relacionamento entre três grupos de objetivos dos ou grupo de aqüíferos. Os métodos podem ser usuários versus três tipos principais de representação. utilizados ao nível de reconhecimento, planejamento ou gerenciamento de determinadas áreas, cada um objetivos dos usuários: dos quais requerendo conteúdos e detalhamentos • ao nível de reconhecimento, voltados para a coleta diferenciados. Para esta categoria de mapas existem completa e apresentação coerente dos dados; diversas normas de apresentação internacionalmente • ao nível de planejamento, dirigidos para a adotadas, sendo uma delas a Legenda Internacional determinação e interpretação, no mínimo, para Mapas Hidrogeológicos da UNESCO. semiqualitativa dos dados; e Ressalta-se, entretanto, que, com o advento da • ao nível de gerenciamento, conduzidos para a tecnologia da informática, a representação gráfica no avaliação e gestão qualitativa dos recursos hídricos, campo das ciências hídricas regionais, representadas tanto superficiais como subterrâneos. tradicionalmente por mapas, plantas, seções e diagramas, podem, também, ser feitas de forma muito tipos de representação: mais dinâmica, através de Sistemas de Informações • mapas e plantas (em diversas escalas); Geográficas (capítulo 4.5). • representações de sistemas de água, em mapas É importante lembrar, ainda, que a água, como ou seções verticais; e parte integrante da crosta terrestre, se move no • representações tridimensionais de modelos. espaço e no tempo. Assim sendo, as representações gráficas têm que considerar, além das três dimensões Adicionalmente, a tabela 7.4.2 indica, na parte relativas ao espaço (x, y, z), o tempo (t). A seguir, serão inferior, os inter-relacionamentos entre todos os grupos apresentados alguns tipos de representação, suas acima assinalados e outros fatores que têm influência vantagens e desvantagens. nos trabalhos de representação gráfica na hidrologia. Finalidade e escala representam, sem dúvida, os Mapas e seções verticais - são apenas fatores essenciais na concepção científica, conteúdo e representações bi-dimensionais, porém, apresentam representação de um mapa. Porém, critérios externos excelente precisão em escala e localização, e, portanto, tais como custo, tempo, equipe, ou a disponibilidade são fáceis de serem manuseados para medições. de dados, também influenciam substancialmente nos diagramas Portais e Bloco-diagramas - incluem a projetos de mapas. Todos esses critérios são inter- terceira dimensão, fator importante para a compreensão relacionados e levam diretamente ao problema de da dinâmica dos fluxos subterrâneos. Entretanto, otimização, ou seja: como se deve agir para conseguir devido ao exagero da escala vertical, geralmente, o “melhor” mapa, dentro das circunstâncias existentes e apresentam distorções nos ângulos e dimensões. com o mínimo esforço possível. objetivos dos Usuários tipos de reconhecimento Planejamento gerenciamento representação (representação coerente dos (determinação e representação (avaliação quantitativa e dados disponíveis) de dados semiqualitativos) qualitativa dos rec. hídricos) Mapas hidrológicos Mapas hidrológicos especiais: Mapas hidrológicos (diversas Mapas detalhados gerais (mapas de água a) mapas de projetos escalas) e seções verticais paramétricos subterrânea) b) mapas de planejamento Representações de sistemas Representações de sistemas Representações de sistemas Representações de hídricos hídricos regionais hídricos subregionais sistemas hídricos locais Modelo quantitativo de Representações de modelos Modelo idealizado Modelo semiqualitativo sistemas hídricos (x, y, z, t) grande área representada pequena poucos dados por unidade de área numerosos Parâmetros relacionados às baixa confiabilidade alta representações baixo custo por unidade de área alto pequena escala grande tabela 7.4.2 - Sistema de representação gráfica na hidrologia (modificado de Engele & Jones, 1986). 712 Cap_7.4_FFI.indd 4 9/12/2008 22:19:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Três grupos principais de mapas hidrogeológicos elaborados manualmente, são cada vez mais raros e podem ser distinguidos, de acordo com seu conteúdo vêm perdendo importância, uma vez que plotar dados e finalidade: (a) mapas hidrogeológicos gerais; (b) com o auxílio do computador é muito mais produtivo. mapas hidrogeológicos específicos; (c) mapas e Os mapas operacionais de detalhe costumam plantas operacionais. apresentar, apenas, um determinado elemento que, (a) Mapas hidrogeológicos gerais - estes mapas geralmente, está relacionado a uma certa data ou a apresentam, acima de tudo, informações hidrogeológicas um intervalo de tempo específico. Uma lista dos dados complexas, que servem tanto aos especialistas como apresentados nos mapas normalmente acompanha os aos não-especialistas em hidrogeologia. São dirigidos mesmos como complemento de informação. para a apresentação dos dados hidrogeológicos e Dentre as diversas categorias apresentadas, dois sua interpretação. Elaborados numa base topográfica mapas hidrogeológicos se destacam no Brasil, por adequada, os mesmos apresentam diversas formas serem encontrados com mais freqüência: mapas (pontual, linear ou areal) de informações relacionadas hidrogeológicos regionais e mapas hidrogeológicos às águas. O seu modo de elaboração pode ser específicos. baseado em dados bibliográficos ou de arquivos, em investigações no campo, ou, como é mais comum, Mapas Hidrogeológicos regionais na combinação dos dois. A maioria dos mapas hidrogeológicos gerais são preparados para cobrir Os mapas hidrogeológicos regionais se enquadram áreas regionais, nacionais e, mesmo, internacionais, na categoria de mapas hidrogeológicos gerais, utilizando escalas variando de média a pequena abrangendo grandes territórios ao nível regional, (1/200.000 a menores que 1/1.000.000); nacional ou internacional, e apresentando informações hidrogeológicas complexas, que se destinam tanto (b) Mapas hidrogeológicos específicos - aos especialistas como aos não-especialistas em são documentos básicos altamente úteis para o hidrogeologia. De modo geral, esses mapas podem planejamento e controle dos impactos humanos no apresentar as seguintes informações com cores, regime hídrico. Os mapas são sempre voltados para símbolos, linhas e ornamentos: dar soluções a determinados problemas, como por exemplo: em suprimento de água, obras sanitárias, • composição litológica e estrutural das unidades recursos minerais e energéticos, prospecção, hidrogeológicas, obtidas, principalmente, a partir engenharia hidráulica ou recuperação de terra. Os de dados geológicos; mapas hidrogeológicos específicos podem ser • disponibilidade de água subterrânea nas unidades semiquantitativos ou quantitativos, portanto, utilizam- hidrogeológicas presentes, avaliada com base em se escalas de grande a média (1/10.000 a 1/500.000). informações sobre permeabilidade, tipo de aqüífero, Conforme o público-alvo, estes mapas podem ser recarga, descarga e capacidade produtiva dos separados nas categorias de mapas para especialistas poços; e e de mapas para não-especialistas, como segue: • informações detalhadas sobre características • mapas de parâmetros detalhados e mapas de relacionadas às águas, tais como: contornos projetos, destinados a hidrogeólogos, engenheiros piezométricos (ou de níveis de água), fontes, e técnicos de modo geral; qualidade e temperatura das águas, águas de superfície, hidrologia de karst, obras humanas • mapas interpretativos, derivados e programáticos, diversas e alterações do regime natural de fluxo voltados para não-especialistas, planejadores, subterrâneo. políticos e ao público interessado em geral; Informações adicionais sobre clima, geografia, (c) Mapas e plantas operacionais - estes mapas padrão geológico da área mapeada são, freqüentemente, são destinados a gerenciadores de recursos hídricos. apresentadas no texto explicativo que acompnha o Na realidade, não há muita diferença entre mapas mapa. O mesmo deve conter, também, as descrições hidrogeológicos específicos, em escala relativamente relativas às seções importantes dos aqüíferos, listas grande, apresentando uma determinada característica de dados básicos e a bibliografia utilizada. É altamente do aqüífero, e um mapa operacional. A única diferença recomendável, ainda, a apresentação de uma síntese reside, apenas, na finalidade, já que mapas e plantas das condições hidrogeológicas, que pode servir tanto operacionais de detalhe representam material básico para especialistas como para não-especialistas no para qualquer forma de gerenciamento hídrico. assunto. Essa finalidade faz com que as escalas adotadas Existem diversas metodologias conhecidas com e a confiabilidade desses mapas e plantas sejam relação à elaboração deste tipo de mapa, porém, sempre grandes (geralmente escalas maiores que a metodologia proposta na Legenda Internacional 1/20.000). Com o uso cada vez mais freqüente de da UNESCO, já mencionada, é a mais conhecida e modelos computacionais para o gerenciamento de recomendada. Esta metodologia facilita a preparação água subterrânea, os mapas operacionais detalhados, e leitura dos mapas (mesmo se forem feitos em outros 713 Cap_7.4_FFI.indd 5 9/12/2008 22:19:37 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica idiomas), encorajando os geólogos e hidrogeólogos a Características do aqüífero: colocarem o seu conhecimento específico sobre água à disposição da comunidade para o benefício geral. • condutividade hidráulica; Por fim, mapas hidrogeológicos regionais, via • transmissividade; de regra, devem ser feitos antes da elaboração dos • coeficiente de armazenamento; mapas hidrogeológicos específicos, cuja finalidade é • espessura da camada saturada; mais voltada para objetivos técnicos ou de engenharia (figura 7.4.2). • profundidade do nível d’água; • variações do nível de água subterrânea; Mapas Hidrogeológicos específicos • base ou topo de unidades hidrogeológicas; Tendo em vista a complexidade dos problemas • velocidade de fluxo. em hidrogeologia, de um lado, e a necessidade de entrada e saída de fluxo relacionado ao sistema se ter em mãos informações claras, completas e de água subterrânea: confiáveis, do outro, torna-se necessário dispor de uma série de mapas hidrogeológicos específicos em • recargas e descargas; que se apresenta, em cada folha separada, apenas • precipitação; um aspecto básico ou um parâmetro em particular. Em • escoamento superficial; muitos países industrializados já existem, em forma de atlas, conjuntos de mapas hidrogeológicos específicos • escoamento de base; para fins de planejamento. • fluxo subterrâneo. Como os mapas hidrogeológicos específicos podem ser tanto semiqualitativos como quantitativos, as elementos relacionados à explotação de água escalas utilizadas variam entre grande a média (1/10.000 subterrânea: a 1/500.000). Os mapas hidrogeológicos específicos • vazão de explotação; podem ser divididos em: mapas paramétricos e de projetos (que servem mais aos técnicos e • capacidade específica; especialistas); e mapas programáticos (voltados para • potencial de extração; os não especialistas em hidrogeologia). • disponibilidade; Mapas hidrogeológicos paramétricos e de • vulnerabilidade; projetos - são normalmente preparados para • risco de perfurações mal sucedidas; especialistas, durante e depois de investigações em • custo da água subterrânea. áreas restritas de projetos. Estes mapas podem ser referentes aos dados de campo, apresentando os Observações sobre a confiabilidade das informações locais exatos e valores das medições (por exemplo, apresentadas devem acompanhar a legenda dos níveis de água, temperatura, condutividade, descargas mapas. Enfatiza-se que a confiabilidade neste tipo de de fontes ou deflúvios de rios), ou podem ser mapas mapa sempre deve ser maior, quando comparada aos interpretativos, que mostram um, dois ou mais elementos mapas hidrogeológicos gerais. relacionados ao regime das águas subterrâneas (como Não existem métodos internacionalmente acertados recarga, vulnerabilidade à poluição, profundidade do para a apresentação de mapas hidrogeológicos nível d’água, transmissividade, linhas isopotenciais, específicos, haja vista a grande variedade de composição química das águas subterrâneas etc). conteúdo e representação gráfica. Pode-se tentar, Em muitos casos, os mapas hidrogeológicos na medida do possível, utilizar os elementos gráficos mostram tanto as exatas localidades com as medições que estão sendo sugeridos na Legenda Internacional efetuadas como a extrapolação e interpretação dos da UNESCO. Qualquer outra informação adicional a dados pontuais, através de um agrupamento de ser apresentada, ficará a critério do autor do mapa. determinadas categorias de dados. Contudo, deve-se levar em conta o princípio básico A seguir, são apresentados os principais de cartografia, segundo o qual a representação elementos e feições hidrogeológicas, que podem da informação principal, em mapas, deve ser ser apresentadas em mapas específicos paramétricos efetuada em cores sólidas, obviamente, se existir ou de projetos. a possibilidade de usar cores. Adicionalmente, é elementos relativos à água subterrânea: bom lembrar que existem, na literatura e em projetos hidrogeológicos, inúmeros mapas hidrogeológicos • isolinhas potenciais, de ph, de condutividade específicos ou simples esboços com apresentações elétrica, STD etc; em preto e branco. Na maioria dos casos, consistem • composições químicas ou componentes particulares de simples indicações pontuais ou lineares, às vezes de água subterrânea; com sombreamentos ou o uso de ornamentos, para • idade de água subterrânea, tempo de residência; melhoria da legibilidade. 714 Cap_7.4_FFI.indd 6 9/12/2008 22:19:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Mapas hidrogeológicos programáticos - 7.4.5 legenda para Mapas Hidro- estes mapas são elaborados como ferramenta de planejamento e traduzem o conhecimento geológicos dos especialistas para os não-especialistas em A Legenda Internacional para Mapas Hidrogeológicos hidrogeologia, tais como planejadores e tomadores da UNESCO (ANON, op. cit.), foi elaborada com a de decisão, o público leigo, de modo geral, e finalidade de proporcionar uma padronização na seus legítimos representantes. Esses documentos apresentação de informações hidrogeológicas no mostram, de maneira simples e compreensível, o formato de mapas. Diversos pontos básicos desta tipo de informações que, conforme a opinião dos Legenda já foram abordados no item 7.4.3, contudo, hidrogeólogos, devem ser consideradas no processo os detalhes que compõem esses pontos básicos são de planejamento. Mapas deste gênero raramente apresentados a seguir. A reprodução dos itens da contêm os próprios dados básicos nos quais a Legenda Internacional, aqui apresentados, prende- interpretação se baseia. Isto porque, em primeiro lugar, se ao fato de que, no Brasil, existe certa dificuldade os planejadores devem confiar na interpretação feita na obtenção de um exemplar da referida Legenda pelos hidrogeólogos e, em segundo lugar, todas as e, principalmente, em função da importância do seu informações adicionais aumentariam a complexidade conteúdo, que, certamente, merece divulgação o mais da legenda e da apresentação, confundindo, assim, ampla possível. desnecessariamente, o usuário do mapa. A utilização Ressalta-se que não foi feito nenhum corte ou pré- de cores é sempre apreciada pelos planejadores, seleção quanto aos elementos originalmente contidos políticos e o público interessado, contudo, deve se levar na Legenda, mantendo-se, inclusive, os poucos em consideração a relação custo-benefício envolvida fenômenos naturais das regiões de clima frio (geleira, na elaboração técnica do mapa e sua impressão. morena, permafrost), desértico (playas, oásis) e, ainda, A figura 7.4.2 mostra, de forma esquemática, a com vulcões ativos (cratera, cone vulcânico), obviamente evolução dos mapas hidrogeológicos. sem importância para a hidrogeologia brasileira. figura 7.4.2 - Evolução dos mapas hidrogeológicos. 715 Cap_7.4_FFI.indd 7 9/12/2008 22:19:37 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica a - Informações de fundo do Mapa C - litologia a.1 - Todas as informações de fundo do mapa Os ornamentos que indicam a litologia são impressos são impressas em preto rebaixado, com exceção em cinza. A orientação (no sentido horizontal ou vertical) da topografia simplificada do mapa-base, que é do ornamento indica o tipo de acamamento: cinza (60% preto). Compõe-se das locações e no- • horizontal = camadas não dobradas horizontais ou mes das localidades mais importantes e os nomes com pequena inclinação; geográficos (rios, lagos, montanhas etc.), limites internacionais, estaduais, municipais etc. • vertical = camadas dobradas. a.2 - A rede de drenagem é impressa em azul. A seguinte lista apresenta ornamentos que indicam a.3 - Malhas ou linhas de longitude e latitude são tipos litológicos gerais, assim como combinações para impressas em preto. simbolizar camadas de diversas litologias. a.4 - Dados de fundo de mapa complementares ornamentos recomendados aos da topografia e orografia, quando necessário, são apresentados na nota explicativa ou como C.1 - Litologia de rochas sedimentares. mapas de encarte. C.1.1 - argila, limo argiloso, silte, marga B - Água Subterrânea e rochas B.1 - Aqüíferos intergranulares C.1.2 - produtos alterados argilo-limosos B.1.1 - aqüíferos extensos e altamente azul C.1.3 - loesse produtivos B.1.2 - Aqüíferos produtivos locais ou azul C.1.4 - areia (podem ser distinguidos pela rebaixada descontínuos ou aqüíferos extensos com variação dos pontos) produtividade moderada C.1.5 - cascalho (distinção pela variação do B.2 - Aqüíferos fissurados arranjo dos círculos) B.2.1 - aqüíferos extensos e altamente verde produtivos C.1.6 - morena B.2.2 - aqüíferos produtivos locais ou verde rebaixada descontínuos ou aqüíferos extensos e C.1.7 - turfa produtividade moderada B.3 - Camadas intergranulares ou rochas fissuradas C.1.8 - linhita com recursos de água subterrânea locais limitados ou camadas/rochas praticamente isentas de tais C.1.9 - piroclásticos recursos marrom B.3.1 - camadas/rochas com recursos de C.1.10 - terra removida rebaixada água subterrânea local limitados C.1.11 - argilito, siltito, folhelho marrom B.3.2 - camadas/rochas praticamente isentas de recursos de água subterrânea C.1.12 - arenito (distinção pela variação de B.3.3 - Para aqüíferos extensos sobrepostos tamanho) por uma cobertura fina, pode se optar pela Listras de apresentação contínua da cor correspondente C.1.13 - conglomerado marrom do aqüífero (marrom/azul), adicionando-se listras finas (0,1 mm de largura e 3 mm de C.1.14 - calcário (distinção pela variação de separação) em marrom tamanho dos retângulos) C.1.15 - dolomita (distinção pela variação de tamanho dos paralelogramos) C.1.16 - travertino C.1.17 - marga consolidada C.1.18 - flysch (depósitos sedimentares dos Alpes) 716 Cap_7.4_FFI.indd 8 9/12/2008 22:19:37 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações C.1.19 - alternações complexas de diferentes litologias (C.1.17 + C.1.22) C.1.20 - radiolarito, lidita, folhelho silicioso (C.1.12 + C.2.1) C.1.21 - pedra sal (C.1.11 + C.1.12) C.1.22 - gesso (C.1.11 + C.1.14) C.2 - Litologia de rochas ígneas e metamórficas (C.1.12 + C.1.14) C.2.1 - extrusivas ácidas a intermediárias (distinção pela variação do tamanho do triângulo) (C.1.12 + C.1.17) C.2.2 - extrusivas básicas (distinção pela variação do tamanho de triângulo) (C.1.12 + C.1.26) C.2.3 - ultrabásicas, serpentinito (C.1.14 + C.1.17) C.2.4 - intrusivas ácidas a intermediárias (distinção pela variação do arranjo das (C.1.14 + C.2.6) cruzes) C.2.5 - intrusivas básicas d - representação de dados específicos Os símbolos dos dados específicos são impressos C.2.6 - folhelho, filito, micaxisto etc. em diversas cores e agrupados conforme indicados na tabela 7.4.1, apresentada no início do capítulo. C.2.7 - gnaisse A seguir, é apresentada a simbologia utilizada para a representação dos dados específicos, utilizando as referências de cores padrões da lista ITC (ITC Colour C . 2 . 8 - g n a i s s e e g r a n i t o , n ã o diferenciados Chart, 1982, ITC Journal 1982 -2, Enschede, Holanda), internacionalmente conhecida. C.2.9 - mármore d.1 - Água subterrânea e fontes: (violeta - ITC No 062) d.1.1 - contornos da superfície potenciométrica C.2.10 - quartzito (linhas sólidas ou tracejadas, com indicação da altitude relativa à referência) C.2.11 - rochas metamórficas, não diferen- ciadas d.1.2 - direção do fluxo subterrâneo C.3 - Exemplos de tipos combinados d.1.3 - conexão entre perda cárstica e ressurgência (C.1.1 + C.1.4) a) comprovada b) inferida (C.1.2 + C.1.4 +C.1.5) d.1.4 - divisor de água subterrânea a) estacionário (C.1.1 + C.1.21) b) mudando periodicamente (C.1.4 + C.1.9) d.1.5 - limite de área de água subterrânea confinada (C.1.4 + C.1.7) d.1.6 - limite de área com fluxo artesiano 717 Cap_7.4_FFI.indd 9 9/12/2008 22:19:38 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica d.1.7 - lente de água doce circundado por d.2.8 - limite de mineralização continental água salgada d.2.9 - rio com água mineralizada (rio azul com d.1.8 - limite de área com insignificante franja de cor laranja) recarga natural da água subterrânea (cor 50% rebaixada) d.2.10 - lagoa ou lago com água salina ou d.1.9 - classificação da descarga média: a) salobra (contorno azul com franja interior a) b) c) menor que 100 L/s; b) 100 – 1.000 L/s; c) cor de laranja) superior a 1.000 L/s d.2.11 - lagoa com água salgada periodicamente (contorno tracejado azul Água doce com franja interior cor de laranja) d.2.12 - playas (bacia desértica) com água d.1.10 - fonte epidósica (contorno pontilhado com franja interior cor de laranja) d.1.11 - fonte cárstica perene d.2.13 - pântano salgado d.1.12 - fonte submarina Água salobra (círculos em violeta com d.2.14 - limite de formação contendo minerais centros em cor laranja) suscetíveis a contribuir na deterioração da qualidade da água subterrânea (linha cinza d.1.13 - fonte acompanhada por franja cor de laranja) d.1.14 - fonte cárstica perene d.2.15 - fonte mineral fria d.1.15 - fonte submarina d.2.16 - fonte termomineral d.1.16 - grupo de fontes d.1.17 - fonte cárstica temporária (grande: d.2.17 - fonte termal 0 – menos que 1 m³/s, pequena: 0 - superior a 1m³/s) d.2.18 - área de aumento da temperatura geotermal d.1.18 - linha de fontes d.2.19 - câmara com água derretida d.1.19 - área de afloramento de água debaixo de geleira subterrânea d.2.20 - estouro de geleira devido à câmara d.2 - Qualidade e temperatura de água subterrânea com água derretida debaixo de geleira (laranja - ITC No 650) d.3 - Água de superfície e hidrografia cárstica d.2.1 - limite de água subterrânea salgada (azul - ITC No 006) num aqüífero d.2.2 - isolinhas de igual salinidade de água d.3.1 - rio com deflúvio perene subterrânea d.2.3 - contornos da interface entre água d.3.2 - rio com deflúvio intermitente subterrânea doce e salina, em metros, abaixo do nível de referência d.3.3 - vale seco, possivelmente com deflúvio episódico (curso de água efêmero) d.2.4 - área de intrusão de água do mar d.3.4 - sandr (fenômeno de geleiras) d.2.5 - limite de mineralização de água d.3.5 - rio que termina numa depressão subterrânea rasa da terra d.2.6 - á rea de água subterrânea d.3.6 - rio com água mineralizada (azul com mineralizada franja cor laranja) d.2.7 - área de água subterrânea mineralizada d.3.7 - aven (túnel vertical em áreas sobreposta à água subterrânea doce cársticas); 718 Cap_7.4_FFI.indd 10 9/12/2008 22:19:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações d.3.8 - perda cárstica num vale d.4 - Perfurações, poços, outras obras e mudanças do regime natural de água subterrânea a) com fluxo perene a jusante (vermelho - ITC No 660) b) com fluxo sazonal a jusante d.4.1 - poço ou perfuração com água subterrânea freática ou confinada c) sem fluxo a jusante d.4.2 - grupo de poços ou perfurações com água subterrânea freática ou confinada d.3.9 - dolina preenchida de água d.4.3 - poço ou perfuração com fluxo artesiano surgente d.3.10 - dolina seca d.4.4 - grupo de poços ou perfurações com fluxo artesiano surgente d.3.11 - limite de área cárstica d.4.5 - poço de água mineral; d.3.12 - divisor principal de água de superfície; d.4.6 - poço de água termomineral; d.3.13 - divisor secundário de água de d.4.7 - poço de água termal superfície d.4.8 - poço de injeção - volume médio de d.3.14 - estação fluviométrica deflúvio descarga (por exemplo: a) 3 - 30 milhões médio anual [m³/s] área de captação [por a); b); c) m³/ano; b) 30 - 300 milhões m³/ano; c) exemplo, 1.000 km² ] superior a 300 milhões m³/ano) d.4.9 - estação de bombeamento, poço de d.3.15 - geleira bombeamento d.4.10 - estação de bombeamento para d.3.16 - estouro de geleira a partir de lago fonte (quadrículo vermelho com ponto barrado pelo gelo azul) d.3.17 - cachoeira d.4.11 - captação em rio d.4.12 - conduto de água d.3.18 - lagoa de água doce d.4.13 - aqueduto d.2.10 - lagoa ou lago com água salina ou salobra (contorno azul com franja interior d.4.14 - reservatório ou lago artificial; cor de laranja) d.4.15 - barragem, com capacidade em d.2.11 - lagoa com água salgada milhões de m³ periodicamente (contorno tracejado azul d.4.16 - elevação artificial ou dique com franja interior cor de laranja) costeiro d.2.12 - playas (bacia desértica)com água d.4.17 - barragem de contenção de epidósica (contorno pontilhado com franja enchentes ou gerador energético movido interior cor de laranja) pelas marés d.4.18 - local de recarga de água d.3.19 - lagoa contendo periodicamente subterrânea água doce d.4.19 - planta dessalinizadora d.3.20 - lagoa seca contendo água apenas d.4.20 - limite de área com explotação episodicamente intensiva de água subterrânea d.4.21 - área de atividade mineira no subsolo afetando o regime natural de água d.3.21 - pântano ao longo de rios subterrânea d.4.22 - área de mineração a céu aberto, d.3.22 - pântanos interioranos afetando o regime natural de água subterrânea 719 Cap_7.4_FFI.indd 11 9/12/2008 22:19:38 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica d.5 - Diversos contornos (isópacas, isoietas etc.) Entretanto, a utilização de símbolos estratigráficos (verde escuro - ITC No 606) em mapas hidrogeológicos deve ser feita de forma moderada, uma vez que a representação das feições d.5.1 - contornos de níveis ou isópacas hidrogeológicas tem que ser predominante. (Linha só l ida ou t race jada com a Por uma questão de padronização internacional, profundidade indicada em metros relativa a um datum); recomenda-se, para mapas de pequena escala em áreas sedimentares, o uso dos símbolos que constam d.5.2 - espessura do aqüífero em m; na legenda geral do Mapa Geológico Internacional da Europa e Região Mediterrânea, escala 1:1.500.000, d.5.3 - limite da área de permafrost (subsolo Hannover, 1962 (tabela 7.4.3). Para áreas de rochas permanentemente congelado), variações de magmáticas e metamórficas, a determinação da linha para distribuição contínua, descontínua idade é, muitas vezes, problemática. Fica, portanto, a ou isolada) critério do autor a apresentação ou não de símbolos estratigráficos, lembrando que a combinação das d.5.4 - talik (zona não congelada) debaixo cores e ornamentos, normalmente, é suficiente para de um rio, lagoa ou reservatório (rio em azul a compreensão. e contorno pontilhado em verde) d.6 - Informações geológicas (preto) lista de símbolos estratigráficos q - Quaternário indiferenciado d.6.1-limite geológico ou hidrogeo-lógico qh - Holoceno qp - Pleistoceno d.6.2 - falha comprovada (linha sólida) ou Cenozóico m - Terciário indiferenciado inferida (linha tracejada) (q + m) m4 - Plioceno d.6.3 - falha de empurrão comprovada ou m3 - Mioceno inferida m2 - Oligoceno m1 - Eoceno e Paleoceno d.6.4 - limite de depressão preenchido com material de erosão c - Cretáceo indiferenciado c2 - Cretáceo superior d.6.5 - cintura de fratura de importância c1 - Cretáceo inferior hidrogeológica j - Jurássico indiferenciado j3 - Jurássico superior d.6.6 - diápiro de sal Mesozóico j2 - Jurássico médio (ms) j1 - Jurássico inferior a) perto da superfície t - Triassico indiferenciado t3 - Triássico superior t2 - Triássico médio b) em profundidade (linha pontilhada) t1 - Triássico inferior p - Permiano indiferenciado d.6.7 - área e borda de câmaras de soluções p2 - Permiano superior formadas em formações salinas p1 - Permiano inferior h - Carbonífero indiferenciado d.6.8 - cone vulcânico h2 - Carbonífero superior h1 - Carbonífero inferior Paleozóico d - Devoniano indiferenciado (pl) d.6.9 - cratera vulcânica d3 - Devoniano superior d2 - Devoniano médio d.6.10 - linha indicando posição da d1 - Devoniano inferior seção vertical s - Siluriano o - Ordoviciano e - Símbolos estratigráficos (preto) cb - Cambriano eo - Eocambriano Em certas ocasiões, quando uma unidade no Proterozóico pr - Pré-cambriano mapa deixa de ser identificada com clareza pela cor e ornamento utilizado, é possível que um símbolo tabela 7.4.3 - Símbolos estratigráficos do Mapa Geológico estratigráfico ajude a compreender melhor a estrutura Internacional da Europa e Região Mediterrânea (adaptado geológica existente. de Karrenberg & Struckmeier, 1978). 720 Cap_7.4_FFI.indd 12 9/12/2008 22:19:38 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações f - Climatologia Mapas Internacionais e Continentais Características climatológicas como, por exemplo, Groundwater in Africa, 1:17.000.000, U.N. 1972. precipitação, evaporação, evapotranspiração, Mapa Hidrogeológico da América do Sul, temperatura, dentre outras, devem ser apresentadas 1:5.000.000, UNESCO/CPRM/DNPM. 1996. separadamente do mapa hidrogeológico, quer seja International Hydrogeological Map of Europe, em forma de mapas de encarte ou como ilustrações 1:1.500.000, IAH/UNESCO/BGR. 1970. (figuras, tabelas etc.), incorporadas ao texto explicativo que acompanha o mapa. Water Resources Map of the Arab Countries, 1:1.000.000, ACSAD. g - Seções Verticais Mapas Hidrogeológicos Nacionais É muito comum a utilização de seções transversais ÁfrICa como instrumentos de auxílio aos mapas hidrogeológicos, com fins de esclarecimento da geologia e hidrogeologia Argélia em profundidade. As seções são apresentadas nas Cartes Hidrogeologiques, 1:200.000 e 1:1.000.000. margens desses mapas ou, alternativamente, na nota 1973. explicativa. As linhas indicadoras das seções no mapa Marrocos devem ser bem visíveis, em preto, e devidamente Cartes Hydrogeologiques, 1:200.000, 1:500.000. e explicadas na legenda, junto com sua identificação. 1:1.000.000. 1970. Nas seções, utiliza-se a mesma escala horizontal do Cartes dês Systèmes Aquifères du Maroc , mapa, enquanto a ampliação necessária da escala 1:1.000.000, Provinces du Nord. 1976. vertical deverá ser a menor possível, particularmente em mapas de grande escala, a fim de evitar apresentações Moçambique distorcidas. Todas as cores, linhas, símbolos e Carta Hidrogeológica de Moçambique, 2 folhas ornamentos utilizados no mapa deverão constar de 1:1.000 000, DNA, 1987. forma idêntica nas seções transversais. A colocação Camarões da escala vertical em forma de barra nos extremos Cartes Hydrogeologiques, 1:500.000 et 1:1.000.000, das seções transversais é esclarecedora, porém, 1975. opcional. Carte de Planification des Ressources en Eau, 1:1.000.000, 1980. 7.4.6 exemplos de Mapas Hidrogeo- lógicos aMÉrICa do Norte Canadá No mundo inteiro, existe uma grande quantidade Mapas hidrogeológicos de províncias e regiões, na de mapas hidrogeológicos em diversas escalas. maioria dos casos em escala 1:7.603.000, 1967. A maioria, são mapas hidrogeológicos nacionais, abrangendo um país inteiro, com escalas variando de Estados Unidos da América 1:500.000 a 1:5.000.000, mas, majoritariamente em Principal Aquifers, The National Atlas of the United torno de 1:1.000.000. Em se tratando da apresentação States, 1:5.000.000, USGS, 1998. de, apenas, uma parte do território de um país, as National Atlas of the United States of América, escalas utilizadas, preferencialmente, variam de Productive aquifers and withdrawals from wells, 1:200.000 a 1:500.000. É importante, ainda, deixar 1:7.500.000, 1970. registrada a existência de conjuntos de mapas Mapas hidrogeológicos de estados e regiões, em ou atlas que se referem a determinadas regiões diversas escalas (1:62.500 a 1:3.168.000), a maioria específicas, elaborados em grandes escalas, 1:50.000 publicados pelo USGS, 1960. ou maiores. Na Legenda In te rnac iona l pa ra Mapas aMÉrICa do SUl Hidrogeológicos da UNESCO (ANON, op.cit.) consta Para a elaboração do Mapa Hidrogeológico da uma lista de 7 páginas com os títulos dos mapas América do Sul, 1:5.000.000, utilizou-se como base hidrogeológicos do mundo inteiro. Apenas uma os mapas hidrogeológicos nacionais elaborados pequena amostra destes mapas é apresentada a em cada país, conforme metodologia padronizada. seguir, principalmente, para enfatizar a diversidade Esses mapas foram preparados segundo a Legenda de mapas continentais, internacionais e nacionais Internacional para Mapas Hidrogeológicos da UNESCO existentes e a variedade de escalas utilizadas de acordo (ANON, op. cit.), mas em escalas diferentes, em função com as informações disponíveis e as necessidades da adequação do mapa a área de cada país, como específicas de cada país. indicado na tabela 7.4.4. 721 Cap_7.4_FFI.indd 13 9/12/2008 22:19:38 Capítulo 7.4 - Cartografia Hidrogeológica escala de data de País organismo responsável apresentação conclusão Argentina INCYTH 1:2.500.000 jun/86 Bolívia GEOBOL 1:2.500.000 fev/86 Brasil DNPM/CPRM 1:5.000.000 dez/83 Chile Dirección General de Águas 1:2.500.000 jun/86 Colômbia INGEOMINAS 1:2.500.000 abr/86 INAMHI/DGGM 1:1000.000 dez/83 Equador PRONAREG 1:2.000.000 dez/82 Guiana Hydrometeorological Service 1:500.000 jul/86 Guiana Francesa BRGM 1:5.000.000 set/85 Paraguai Ministério Defensa Nacional 1:1.000.000 ago/86 Peru PRONASTER/DGI 1:1.000.000 jun/86 Suriname Ministry of Natural Resources and Energy 1:500.000 abr/86 Uruguai DINAMIGE 1:2.000.000 jul/86 Venezuela MARNR 1:2.500.000 dez/85 tabela 7.4.4 - Mapas hidrogeológicos nacionais na América do Sul (compilado do Mapa Hidrogeológico da América do Sul, 1:5.000.000, UNESCO/CPRM/DNPM, 1996). Para o Brasil menciona-se, ainda, com destaque, os Rússia primeiros mapas hidrogeológicos elaborados no país na Hydrogeological map of USSR, 1:2.500.000, 1972. região Nordeste brasileira, nos anos 70. Coordenados Indonésia pela Sudene - Superintendência de Desenvolvimento do Nordeste, no programa Inventário Hidrogeológico Peta hidrogeologi Indonesia, 1:250.000, 1981. Básico do Nordeste, os mapas Hidrogeológicos do Japão Nordeste, elaborados na escala 1:500.000, cobriram 21 Hydrogeological map of Japan, 1:2.000.000, 1964. folhas de formato 3° por 2° geográficos. Posteriormente, de 1984 a 1989, a CPRM - Companhia de Pesquisa aUStrÁlIa e oCeaNIa de Recursos Minerais efetuou, conforme a mesma Austrália metodologia da Sudene, mais 11 folhas da região Groundwater Resources of Austrália, 1:5.000.000, Nordeste, completando as áreas periféricas do programa 1975. original, que cobrem toda área de atuação da SUDENE, Hydrogeology of Austrália, 1:5.000.000, 1987. cerca de 1.650.000 km². Além da produção de mapas hidrogeológicos de referência, que continuam sendo Hydrogeological map of Western Austrália, 1:250.000. consultados até os dias de hoje, o programa se tornou, Fiji historicamente, conhecido como o “berço” de um grande Hydrogeological map of Viti Levu, 1:250.000, 1974. número de hidrogeólogos atuantes no país. eUroPa ÁSIa Chipre Afeganistão Hydrogeological Map of Cyprus, 1:250.000, 1970. Hydrogeological map of Afghanistan, 1:2.000.000, França 1977. Carte hydrolgéologique de la France, Systèmes China Aquifères, 1:1.500.000, 1980. Hydrogeological Map of China, 1:4.000.000, 1988. Carte et cataloque dês principeaux systèmes Hydrogeologic Atlas of the Peoples Republic of China. aquifères du territoire français, 1:1.000.000, 1976. Índia Carte du débit des nappes d’eau souterraine de la France, 1:1.000.000, 1970. Geohydrological map of India, 1:2.000.000, 1969. Atlas des nappes aquifères de la region parisienne, Hydrogeological map of India, 1:5.000.000, 1976. 1:200.000, 1970. 722 Cap_7.4_FFI.indd 14 9/12/2008 22:19:39 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Holanda STRUCKMEIER, W. F. Types and uses of hydrogeological Hydrogeological Map of the Netherlands, 1:1.500.000, maps. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON 1972. HYDROGEOLOGICAL MAPS AS TOOLS FOR Portugal ECONOMIC AND SOCIAL DEVELOPMENT, 1989, Memoires... Hannover, 1989. p. 17-30. Carta hidrogeológica de Portugal, 1:1.000.000, 1970. STRUCKMEIER, W. F.; MARGAT, F. Hydrogeological Inglatera Maps: a guide and standard legend. IAH International Contributions to Hydrogeology, V. 17, 1995. Hydrogeological map of England and Wales, International Association of Hydrogeologists. 1:625.000, 1977. Finalmente, vale observar que os mapas hidrogeológicos de datas mais recentes (a partir da década de 80), de diversas partes do mundo, que seguiram a Legenda Internacional da UNESCO, são muito parecidos, não somente em aparência, mas, também, no modo de apresentação, facilitando, sobremaneira, a leitura e compreensão, independentemente dos idiomas agregados. referências ANON. International legend for hydrogeological maps. London: UNESCO; IAHS; Inst. Geol. Sci, 1970. 101 p. ANON. International legend for hydrogeological maps. Ed. Rev. Paris: UNESCO, 1983. 51 p. (UNESCO Technical Document, SC-84/WS/7) BRASIL. Departamento Nacional da Produção Mineral. Mapa hidrogeológico do Brasil. escala 1:5.000.000. Brasília: DNPM; CPRM, 1983. Edição comemorativa. ENGELEN, G.B.; JONES, G.F. (Ed.). developments in the analysis of groundwater flow systems. São Paulo: IAHS, 1986. 356 p. (Publ IAHS, 163) KARRENBERG, H.; STRUCKMEIER W. F. The hydrogeological map of Europe. episodes, [S.l.] v. 1, n. 4, p. 16-18, 1978. LEAL, A. S. legenda para mapas hidrogeológicos. Recife: SUDENE, 1973. 72 p. (Brasil. SUDENE. Divisão de Documentação, Hidrogeologia, 48). MENTE, A.; MONT’ALVERNE, A. F. Mapa hidrogeológico do Brasil na escala 1:2.500.000. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE HIDROLOGIA E RECURSOS HÍDRICOS, 4., 1982, Fortaleza. anais... Fortaleza: ABRH, 1981. v. 1, p. 597-610. MENTE, A. et al. Hydrogeological map of South America at Scale 1:5.000.000. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HYDROGEOLOGICAL MAPS AS TOOLS FOR ECONOMIC AND SOCIAL DEVELOPMENT, 1989, Hannover. Memoires... Hannover, 1989. p. 337-348 REBOUÇAS, A. C. et al. Inventário hidrogeológico do Nordeste: programa e normas técnicas. Recife: SUDENE, 1969. 40 p. (Brasil. SUDENE. Divisão de Documentação, Hidrogeologia, 22). 723 Cap_7.4_FFI.indd 15 9/12/2008 22:19:39 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 7.5 USO E GESTÃO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS Waldir Duarte Costa 7.5.1 Introdução • o prazo de construção de um poço é de dias, em contraposição a meses e até anos gastos para A qualidade das águas subterrâneas, sob o barramento de um rio;ponto de vista bacteriológico e químico, é, • as águas subterrâneas não estão sujeitas, como as em geral, muito melhor do que a das águas superficiais, ao intenso processo de evaporação, superficiais, dispensando, na maioria dos aqüíferos que implica, na região semi-árida, uma perda anual captados, qualquer tratamento antipoluente. Excetuam- de cerca de 2.500 mm de lâmina d’água acumulada se os casos de águas subterrâneas em regiões na superfície; semi-áridas, zonas costeiras e aqüíferos rasos nas • o sistema é muito melhor protegido de eventuais áreas urbanizadas. Em geral, pode-se afirmar que poluições químicas ou atômicas em períodos de a explotação de águas subterrâneas apresenta as guerra; seguintes vantagens com relação ao uso das águas superficiais: • não se verificam impactos ambientais como os decorrentes do barramento dos cursos d’água • dispensa tratamento químico que onera bastante superficiais; as águas superficiais em dispendiosas estações • a manutenção é mais segura, pois a paralisação para de tratamento; conservação de uma unidade de bombeamento, e • não acarreta inundação de áreas aproveitáveis mesmo a sua substituição, pode ser efetuada sem na superfície, muitas vezes representadas por prejuízo do conjunto; excelentes solos agricultáveis; • os poços que apresentam um bom nível técnico • a área de captação e proteção é extremamente nas fases de projeto, construção e operação, reduzida; segundo as normas da ABNT, têm vida útil superior • permite uma distribuição setorizada, com baterias a vinte anos, com amortização dos investimentos de explotação constituindo sistemas isolados ou realizados em apenas 5 a 8 anos. interligados; Por essas vantagens, o custo do metro cúbico de • a rede de adução até o reservatório ou caixa d’água água subterrânea é substancialmente mais barato que é, em geral, de pequena extensão, ao contrário das o de água superficial. Entretanto, a utilização das águas barragens, que requerem redes adutoras de vários subterrâneas também apresenta algumas desvantagens quilômetros de extensão; e, mesmo que não existissem, não se considera que a • a implantação do sistema pode ser efetuada de explotação desse manancial deva substituir totalmente maneira gradativa, ao longo do tempo, na medida o uso das águas superficiais. Na realidade, deve haver que aumente a demanda, evitando períodos de um planejamento e uma gestão integrada dos recursos sobra, logo que se constrói uma barragem, e hídricos superficiais e subterrâneos que ocorrem períodos de déficit, quando a demanda ultrapassa a no âmbito de cada bacia hidrográfica, no sentido sua capacidade. Essa flexibilidade evita a aplicação de proporcionar, sempre, a utilização mais racional, econômica e de qualidade da água a ser servida à de grandes investimentos concentrados em curto população. As principais desvantagens da explotação espaço de tempo; das águas subterrâneas são as seguintes: • não implica desapropriação de grandes áreas como as barragens, que representam vultosos gastos • a distribuição espacial das bacias sedimentares financeiros; possuidoras de aqüíferos faz-se de maneira muito heterogênea. No Brasil, sobretudo na região • independe de períodos de estiagem prolongados Nordeste, 55% dos terrenos são representados por para recarga anual, como nos reservatórios de rochas cristalinas onde as águas acumuladas, superfície; devido ao clima semi-árido, são poucas e, em • as obras de captação são menos onerosas; sua maior parte, salinizadas; 725 Cap_7.5_F.indd 1 9/12/2008 22:21:16 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas • a renovação das águas retiradas dos aqüíferos, Cerca de 60% da água para fins industriais é ou recarga do sistema hídrico subterrâneo, não se usada não consuntivamente, para a refrigeração dos faz na mesma velocidade da extração, resultando condensadores das turbinas a vapor ou trocadores de na explotação de parte das reservas permanentes, calor de processos industriais. Segundo Martin Arnaiz com riscos de exaustão, quando a captação não é (1973 in Custodio & Llamas 1983), a distribuição devidamente monitorada; média mundial do uso consuntivo entre os três • a superexplotação pode acarretar subsidência principais consumidores, é a seguinte: de terrenos e provocar salinização da água nos • uso agrícola (principalmente irrigação) - 60 a 80% aqüíferos costeiros; • uso urbano (abastecimento público) - 10 a 20% • apesar das águas subterrâneas serem menos • uso industrial - 10 a 20% vulneráveis à poluição, a detecção de um processo contaminante não é, em geral, imediata, acarretando, Na região Nordeste do Brasil, a demanda de uso muitas vezes, situações irrecuperáveis do aqüífero; de água foi avaliada no Projeto ÁRIDAS (SEPLAN/ • a manutenção periódica preventiva é mais cara, PR, 1994), cuja distribuição é apresentada como devido à multiplicidade de equipamentos de exemplo. bombeamento (em baterias de poços); e Uso Consuntivo = 15,7.109 m³/ano (62,8%) • apresenta, em geral, maior consumo de energia Abastecimento urbano = 2.988.106 m³/ano (19,08%) elétrica no sistema de bombeamento. Abastecimento rural = 443.106 m³/ano ( 2,83%) Pecuária = 930.106 m³/ano ( 5,94%) 7.5.2 Os Diversos Tipos de Uso Irrigação = 9.274.106 m³/ano(59,24%) 6 O uso dos recursos hídricos tem-se intensificado Indústria = 747.10 m³/ano ( 4,77%) com o desenvolvimento econômico, tanto no que Agroindústria = 1.273.106 m³/ano ( 8,13%) se refere ao aumento da quantidade demandada Uso não Consuntivo = 9,3.109 m³/ano (37,2%) para determinada utilização, quanto à variedade dessas utilizações. Originalmente, a água era usada, Uso Total = 25.109 m³/ano principalmente, para dessedentação, uso doméstico, Sob o aspecto qualitativo, em função das criação de animais e para agricultura a partir da chuva características físicas, químicas e biológicas, pode- e, menos freqüentemente, da irrigação. À medida se dizer que, em geral, os usos consuntivos para que a civilização se desenvolveu, outros tipos de finalidade doméstica, industrial, de irrigação e os usos uso foram surgindo, disputando os recursos hídricos, não consuntivos para recreação (piscina e outros) muitas vezes escassos, e estabelecendo conflitos e preservação da natureza, requerem padrões de entre usuários. qualidade mais elevados do que os demais usos não O uso da água pode ser classificado quanto ao consuntivos, tais como navegação, geração de energia consumo em: consuntivo e não consuntivo. A água e refrigeração industrial (padrões de qualidade de evaporada, transpirada, assimilada biologicamente águas são apresentados no capítulo 5.1). ou incorporada a um produto é classificada como de Dentro do grupo de qualidade superior, incluem- uso consuntivo, como também os usos doméstico, se alguns usos industriais não consuntivos, como a municipal, para irrigação e para a indústria, enquanto água destinada a fábricas de componentes eletrônicos que os usos em navegação, geração de energia (água desmineralizada com resistência específica de elétrica, recreação ou conservação da natureza são 18.000.000 ohm.cm), os usos consuntivos da indústria exemplos de usos não consuntivos. farmacêutica (água desmineralizada com resistência A grande maioria dos usos da água é, de certa específica de 100.000 a 500.000 ohm.cm), os usos maneira, consuntiva. Excluída a água para geração não consuntivos para produção de vapor nas caldeiras de energia elétrica, que atinge cerca de 4 a 6 vezes de alta e baixa pressão (0,01 a 15 mg/L de SiO2 com a soma de todas as outras finalidades, pode-se resistência específica de 6.000.000 a 5.000 ohm. estimar que 25% da água retirada para todas as cm respectivamente) e os usos consuntivos e não finalidades é consumida. consuntivos das indústrias de produtos alimentícios, Considerando as perdas por evaporação e de bebidas, têxtil e de papel e celulose (segundo a transpiração, que atingem, em média, cerca de 60%, Internacional de Engenharia - Div. da Morrison Knudsen a irrigação pode ser classificada como a atividade de International de Engenharia S.A, 1977). maior consumo de água. Enquanto, normalmente, não No grupo de qualidade mediana, incluem-se os mais que 10% da água utilizada para fins municipais usos para consumo humano e animal, irrigação, e industriais é consumida, os 90% restantes são recreação, conservação da natureza e alguns usos devolvidos ao subsolo, aos rios e reservatórios industriais, tais como água de processo, água para superficiais. torres de refrigeração etc. 726 Cap_7.5_F.indd 2 9/12/2008 22:21:16 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações No grupo de qualidade inferior, encontram-se 7.5.3 Potencialidade Hídrica Mundial os demais usos, tais como navegação, geração de energia, refrigeração industrial, lavagem de ruas e e o Uso da Água Subterrânea sistemas de proteção contra incêndios. Em termos mundiais, os estoques de água Na tabela 7.5.1, é apresentado um cotejo entre os subterrânea são estimados em 8,4 milhões de km³, padrões de qualidade em função do uso. Esses limites cerca de 67 vezes o volume total das águas doces são considerados como teores máximos desejáveis, de superfície. A tabela 7.5.2 mostra a distribuição porém, os teores máximos permissíveis são variáveis estimada da potencialidade de água ao nível mundial, para cada país. segundo o U.S. Geological Survey. As demandas de águas subterrâneas são predominantemente para uso consuntivo. Alguns casos A Água Subterrânea no Mundo e no Brasil particulares, de uso restrito e de pouca relevância em relação a volumes utilizados, podem ser citados como Até o final da década de 50, a água subterrânea uso não consuntivo de águas subterrâneas: o uso não apresentava um baixo percentual de uso em relação consuntivo de determinadas indústrias, sobretudo de às águas superficiais. Nos Estados Unidos, em refrigeração, o uso de água de poço para enchimento 1960, de um total consumido de 1.010.103 m³/dia, de piscinas, dentre outros. as águas subterrâneas participavam com apenas Usos e Finalidades Consuntivo Não Consuntivo Indicador Vida Animal Doméstico Industrial Irrigação Público Hidroelétrica Recreação e Vegetal Cor (1) 5 0/200 0/200 200 * 50 15 Turbidez (2) 5 0/500 0/100 100 200 50 20 Sol.Totais 500 out/00 0/2000 2000 * * * pH 7,0/8,5 6,5/10,0 6,5/8,0 * 6,5/8,0 6,8/8,4 6,5/10 Dureza 100 2/200 0/100 * * * * Cálcio 75 10/100 -5 * * * * Cobre 1 * * * * 0,2 * Ferro 0,3 0,1/3,0 * * * 5 * Magnésio 30 10/100 -5 * * * * Manganês 0,05 0,1/3,0 * * * * * Potássio 50 0,1/50 -5 * * * * Sílica 50 0,1/100 * * * * * Sódio 50 0,1/50 -5 * * * * Arsênico 0,05 * 0,05 * * 0,1 * Bário 1 * 1 * * * * Cádmio 0,01 * 0,01 * * 0,3 * Cianetos 0,2 * 0,2 * * 0,1 * Cromo 0,05 * 0,05 * * * * Mercúrio 0,001 * 0,001 * * * * Zinco 5 * 5 * * 0,3 * Cloretos 250 5/300 0/350 300 * * * Detergentes 0,2 0,2 0,2 0,2 * 0,2 2 Fenóis 0,001 0,001/1 0,001 * * * * Nitratos 45 mai/50 50 * * * * Óleos 0,01 0,01/5 0,01 * * 1 0 Sulfatos 250 5/300 0/2000 2000 * * * Estrôncio90 10 (3) * 10 * * 10 * Rádio-26 3 (3) * 3 * * 3 * Ox.Dissolv. (4) 4,0 3,0/5,0 3,0/5,0 * * 4,0/6,0 4,0/5 NMP/100ml > 1,0 variável variável * * 70/240 1000 (1) Escala de platina cobalto (3) Picocuries/ml (2) Unidades turbidimétricas (4) Limite mínimo (*) Sem referência Tabela 7.5.1 - Padrões de qualidade em função do uso (Internacional de Engenharia, 1977). 727 Cap_7.5_F.indd 3 9/12/2008 22:21:16 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas Área Volumes Volume Localização Ocorrência (km²) (km³) (% do Total) Lagos de água doce 8,5.105 1,25.105 0,01 Água doce superficial Rios - 1,25.103 0,0001 Umidade do solo e percolação - 6,66.104 0,005 Água doce subterrânea Água subterrânea até 800 m 1,2.108 4,17.106 0,31 Água subterrânea abaixo de 800 m - 4,17.106 0,31 Água doce sólida Geleiras e glaciais 1,8.107 2,92.107 2,15 Lagos salgados e mares interiores 7,0.105 1,05.105 0,008 Água salgada Oceanos 3,6.108 1,32.109 97,21 Vapor d’água Atmosfera (nível do mar) 5,1.108 1,29.104 0,001 TOTAL 1,36.109 Tabela 7.5.2 - Potencialidade hídrica mundial. 176.103 m³/dia, ou seja, 17,4% do consumo total. Para ter-se um referencial em relação ao Brasil, O uso consuntivo da água subterrânea era assim na Região Metropolitana do Recife, o consumo diário distribuído (Walton,1970): de água da população é da ordem de 864.000 m³, • irrigação = 114.103 m³/dia (64,8%) dos quais as águas subterrâneas participam com 20% (sendo 10% a partir da COMPESA - Companhia • indústria = 27.103 m³/dia (15,3%) Pernambucana de Saneamento e 10% a partir de • abastecimento urbano = 24.103 m³/dia (13,6%) poços particulares). • abastecimento rural = 11.103 m³/dia ( 6,2%) Atualmente, o uso da água subterrânea tem apresentado índices muito elevados em face das Verifica-se que mesmo com as águas subterrâneas, crescentes demandas e, também, por razões o uso na irrigação representa a maior parcela do total econômicas e estratégicas (as águas subterrâneas são captado. Segundo Kitson (1984, in Tucci, 1993), em menos vulneráveis a ações terroristas). Nos Estados 1960, na URSS e nos Estados Unidos, o uso da água Unidos, estima-se atualmente entre 800 e 900 mil o para a indústria, irrigação e abastecimento humano número de poços perfurados por ano. compreendia uma parte consuntiva e outra não O uso da água subterrânea para irrigação consuntiva, predominando, todavia, o uso consuntivo, apresenta os seguintes números mundiais: na Índia, como mostrado na tabela 7.5.3. Em 1985, o CEPIS cerca de 31 milhões de hectares são irrigados; nos - Centro Panamericano de Engenharia Sanitária e Estados Unidos, 45% das terras irrigadas; 58%, no Ciências do Meio Ambiente, apresentou um estudo em Irã; 67%, na Argélia; e 100%, na Líbia, dependem que mostra a evolução do consumo de água subterrânea exclusivamente de água subterrânea. na região latino-americana e caribenha (figura 7.5.1). Para abastecimento humano, alguns países Os dados daquela década mostraram uma grande como Arábia Saudita, Dinamarca e Malta usam evolução na explotação das águas subterrâneas, exclusivamente água subterrânea, enquanto na destacando-se a cidade do México, com 3.200.000 m³/ Áustria, Alemanha, Bélgica, França, Hungria, Itália, dia (94% do total do abastecimento d’água). Noutras Holanda, Marrocos, Rússia e Suíça, mais de 70% cidades, como Santiago, no Chile, a explotação de da demanda é atendida pelo manancial hídrico água subterrânea atingia 950.000 m³/dia. Em Lima, subterrâneo. Peru, esse volume era de 750.000 m³/dia e em Buenos Esses dados demonstram que, em países do Aires, de 366.000 m³/dia. O referido trabalho não denominado primeiro mundo, onde a questão mostrou dados do Brasil, porém, o inclui na faixa de econômico-social é levada a sério e os investimentos uso entre 25 e 50% de água subterrânea em relação públicos levam em consideração o binômio custo- ao consumo total. benefício, a explotação das águas subterrâneas vem levando ampla vantagem sobre a das águas superficiais. URSS Estados Unidos Uso No Brasil, a utilização das águas subterrâneas ainda Total Cons. % Total Cons. % é muito modesta, haja vista que se perfura em todo o Irrigação 120,0 98,6 82,2 201,0 122,9 61,1 país, cerca de 8.000 poços por ano (apenas 1% do Indústria 30,6 8,4 27,5 130,0 65,0 50,0 número de poços perfurados nos Estados Unidos). Somente nas últimas décadas (a partir de 1970) é Abastecimento 5,0 2,0 40,0 23,1 16,5 71,4 que se vem observando uma tendência de se buscar Tabela 7.5.3 - Uso da água em hm3/dia em 1960 (Kitson in água subterrânea para o abastecimento público e Tucci, 1993). outros usos no Brasil. 728 Cap_7.5_F.indd 4 9/12/2008 22:21:16 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 7.5.1 - Importância da água subterrânea para abastecimento de água potável na região Latino-Americana e Caribenha (adaptado de Foster et al., 1987). Segundo os dados mais recentes do IBGE (1991), capitais estaduais, que são abastecidas totalmente por 61% da população brasileira abastece-se do manancial água subterrânea, como Maceió (AL), com 628.000 subterrâneo, por meio de poços profundos (43%), habitantes e consumo anual de 75.106 m³, Natal (RN), poços rasos (6%) e nascentes (12%). O estado de com 606.000 habitantes e consumo anual de 65.106 m³, São Paulo é, certamente, o maior usuário das águas e Mossoró (RN), com 192.000 habitantes. No Maranhão, subterrâneas no Brasil, em termos de volumes totais 76,6% das cidades são abastecidas inteiramente por captados, tendo cerca de 70% dos seus núcleos águas subterrâneas, com um consumo anual de 85.106 urbanos e 90% das indústrias, abastecidos total ou m³ e no Piauí, 84,3% das cidades consomem água parcialmente por poços. subterrânea, com um total de 82.106 m³/ano. A Região Na região semi-árida do Nordeste do Brasil, onde o Metropolitana do Recife consome 63.106 m³/ano de água problema da escassez da água se faz sentir com maior subterrânea, representando 20% do fornecimento total intensidade, dispõe-se de um número irrisório de poços de água à população (metade desse valor corresponde (cerca de 50.000) que proporcionaria, se todos fossem a captações feitas por particulares). explotados em regime contínuo de 24 horas diárias, Existem, ainda, perímetros irrigados com água uma descarga de 4,3.109 m³/ano. Além deste número subterrânea como em Mossoró (RN) (o maior produtor ser insuficiente para atender à demanda de 15,7.109 m³/ de melão do Brasil), no vale do Gurguéia (PI), com ano do uso consuntivo de água na região, a exploração capacidade para irrigar cerca de 20.000 ha, além de atual desses poços é de apenas a oitava parte da sua pequenas áreas como ocorre em São Mamede, na disponibilidade instalada, considerando ainda que Paraíba, onde a simples construção de uma barragem uma boa parte (cerca de 40%) se acham desativados. subterrânea e alguns poços amazonas permitiram Apesar disso, existem atualmente (Projeto ÁRIDAS- irrigar uma área de 50 ha e exportar manga para SEPLAN/PR, 1994) cidades de grande porte, inclusive diversos países. 729 Cap_7.5_F.indd 5 9/12/2008 22:21:16 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas 7.5.4 Reutilização da Água % da Água Consumida em Indústria Relação à Água de Entrada O reaproveitamento de águas usadas pode ser feito Automobilística 6,2 de duas maneiras: por recirculação e por reutilização Açúcar de cana 15,9 de águas residuais. Química (em média) 5,9 A recirculação consiste no aproveitamento da Preparação de carvão de parcela da água que não foi consumida, voltando, pedra 18,2 na maioria das vezes, intacta ao destino original. Já Moenda de cereais 20,6 foi mencionado que do total de água necessária para Destilaria 10,4 o desenvolvimento de uma atividade, somente se Processamento de alimentos 33,6 consome uma parte, em geral pequena. O resto da Maquinaria 21,4 água que se elimina com um maior ou menor grau de Carne 3,2 contaminação, depende do uso e da depuração prévia Petróleo 7,2 que lhe é dada. Polpa e papel 4,3 Ao longo de um rio, os usuários de jusante podem Sal 27,6 utilizar novamente, águas que já tenham sido utilizadas. Sabão e detergentes 8,5 Evidentemente, essa água recirculada vem com alguns contaminantes que, às vezes, a depender Têxtil 6,7 do contaminante e do grau de diluição, exigem um Tabela 7.5.4 - Consumo de água na indústria (Custodio & tratamento prévio para sua utilização. Como exemplo Llamas, 1983). disso, pode ser citado o excedente da água utilizada na irrigação. Suponha-se que seja bombeada através de poços, a água subterrânea para irrigação de uma No sentido restr i to, costuma-se entender determinada área: uma parte dessa água é consumida por reutilização (direta) de águas residuais o pela planta para o seu metabolismo, do qual resulta uma acondicionamento de águas residuais procedentes de perda por evapotranspiração, outra parte é consumida desaguamento da população ou indústria para um uso pela evaporação na superfície, outra parte é escoada imediato, sem mediar nenhum processo de diluição para a drenagem superficial e, finalmente, uma parcela nem de depuração natural, a não ser um tratamento em retorna ao aqüífero por infiltração. Essa água que retorna instalações ou dispositivos especialmente desenhados ao aqüífero, bem como aquela que vai alimentar os cursos (Custodio & Llamas, 1983). d’água superficiais (essa em escala muito reduzida, se a Dentre os processos de tratamento da água residual irrigação for eficiente) irá conduzir os produtos agrotóxicos para reutilização, o mais comum é a floculação química utilizados na agricultura, como fertilizantes ou defensivos (com sulfato de alumínio, cloreto férrico etc), seguida praguicidas. A qualidade da água de recarga do de uma filtração, em geral, com filtros rápidos de areia, aqüífero será um tanto comprometida qualitativamente, no que se consegue uma clarificação satisfatória. A principalmente se dele faz-se uso múltiplo, para irrigação eliminação da matéria orgânica dissolvida e a esterilização e consumo humano, por exemplo. conseguem-se, normalmente, mediante cloração até Mas é na atividade industrial onde ocorre a maior atingir o padrão normatizado. Para eliminação de certos parcela de água não consumida, sendo reutilizada, em compostos orgânicos degradáveis, que comprometem o geral, através de processos simples de recuperação, odor e o sabor da água, utiliza-se o carbono ativado. como resfriamento em torres de refrigeração. Apesar A reutilização mais exigente é a que destina a do consumo hídrico na indústria ser considerado um água a usos municipais em geral, indústria de bebida, uso consuntivo, a maior parcela da água utilizada é não preparação de alimentos, bem como para fabricação consuntiva, retornando para recirculação. A seguir são de bebidas e produtos alimentícios. A água deve tornar- mostrados alguns exemplos (tabela 7.5.4) de indústrias se potável com uma ampla margem de segurança, com o percentual de água consumida em relação à incluindo vírus e substâncias tóxicas menores, tais água de entrada (Custodio & Llamas, 1983). como metais pesados (mercúrio, cobre, zinco, chumbo A reutilização de águas residuais consiste em dar etc.), pesticidas, enzimas, derivados de petróleo etc. um novo uso (com ou sem tratamento de depuração, com Após um tratamento primário e secundário, torna- ou sem mistura com outras águas) às águas previamente se, às vezes, necessário um tratamento terciário utilizadas. Esse termo é mais utilizado quando se trata cuidadoso, condizente com a completa esterilização de efluentes de águas servidas à população para (microorganismos e vírus), eliminação de gostos e consumo humano. Sob o sentido amplo, a reutilização odores e supressão de aspectos desagradáveis, de águas residuais é um processo geral e quase se pode como, por exemplo, a espuma. Nem sempre se dizer natural, ao qual nem sempre se presta suficiente consegue de um modo suficientemente econômico. atenção e que, com freqüência, passa desapercebido, Uma das técnicas utilizadas é a introdução da água não sendo raro o caso em que sua existência é ignorada no terreno (recarga artificial) para posterior extração em algumas avaliações de recursos. por bombeamento. 730 Cap_7.5_F.indd 6 9/12/2008 22:21:16 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações No caso da presença de sais na água, a solução é Duas metodologias para a recarga são comumente mais onerosa. Entre os tratamentos mais avançados, utilizadas através de várias técnicas: estão os seguintes processos: redução de dureza, • método superficial direto - utilizando-se de bacias redução de salinidade e eliminação de nitratos. de inundação e da modificação do fluxo da água Redução de Dureza (abrandamento) - pode na calha do rio; e ser executada através de processos químicos • método subsuperficial direto - utilizando-se de ou por troca iônica. poços de injeção nas zonas saturada e vadosa do Redução de Salinidade - pode ser realizada aqüífero, além de buracos e aberturas naturais. através de diferentes métodos, dentre os quais Na figura 7.5.2 são mostrados dois métodos de podem ser citados a destilação por evaporação, recarga na superfície, aparecendo à esquerda bacias a eletrodiálise e a osmose reversa. de inundação que podem ser leitos secos de rios ou Eliminação de Nitratos - em geral, recai em superfícies planas fora do talvegue fluvial. Essas bacias processos muito caros, sendo, todavia, a recarga de inundação são alimentadas por canais procedentes artificial, que provoca um meio anaeróbico, um dos de rios perenes, de reservatórios superficiais, de mais eficazes e de custo menos acentuado. transposição de bacias etc. À direita, também em superfície, é mostrado o método de infiltração A tecnologia de recarga artificial vem sendo muito por modificação do fluxo, através de “obstáculos” empregada atualmente nos países desenvolvidos, colocados dentro do rio, para diminuir a velocidade principalmente nos Estados Unidos, não apenas do fluxo hídrico e aumentar a infiltração. Ainda nessa como forma de tratamento e recuperação de águas figura, são mostrados dois casos de recarga por servidas, mas, também, para propiciar uma reserva injeção através de poços, o primeiro na zona vadosa reguladora artificial, no sentido de restaurar o e o segundo na zona saturada. equilíbrio hidrodinâmico dos aqüíferos submetidos à Dois exemplos que podem ser citados de recarga superexplotação. artificial são os do Salt River Project – SRP, no Arizona, e do Orange County Water District – OCWD, localizado 7.5.5 Recarga Artificial em Fontain Valey, no condado de Orange, vizinha de Los Angeles, na Califórnia, numa região onde chove A recarga artif icial de um aqüífero é feita, apenas cerca de 300 a 400 mm por ano, próximo ao principalmente, com o excedente de água superficial a oceano Pacífico. um custo efetivo baixo, constituindo-se em um método No Arizona, a água do rio Colorado é transposta de purificação das águas utilizadas em abastecimento através de um extenso e largo canal, o aqueduto público, indústrias ou agricultura, além de servir denominado de CAP (iniciais de Canal Arizona Project), para isolamento de zonas de água subterrânea indo alimentar as bacias de inundação do leito seco contaminadas ou poluídas, melhorando sua qualidade do Salt river, como mostra a figura 7.5.3, ou bacias e controlando a intrusão de água salina. fechadas, como mostra o esquema da figura 7.5.4. Figura 7.5.2 - Modelos de recarga de água subterrânea. 731 Cap_7.5_F.indd 7 9/12/2008 22:21:17 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas da demanda hídrica decorrente do crescimento populacional, observou-se um rebaixamento progressivo dos níveis freáticos. Para regulamentar o uso da água subterrânea, em 1933, foi promulgada uma lei, criando o Orange County Water District – OCWD, ou Distrito de Água do Condado de Orange, com o objetivo de proteger e gerenciar a bacia e seus reservatórios de água subterrânea. Em função da necessidade de manter a população abastecida, vêm sendo desenvolvidas técnicas de recarga de aqüíferos e programas de recuperação e reutilização de águas servidas. Em 1956, em Figura 7.5.3 - Área de Recarga de água subterrânea conseqüência de um aumento da explotação do mostrando os canais principais e secundários e as bacias aqüífero, motivado pela intensificação do uso da água de inundação do SRP, Arizona - EUA. na agricultura, o lençol freático atingiu níveis muito baixos. Foi então que ocorreu a primeira intrusão de água do oceano Pacífico, chegando a penetrar cerca de 6 km entre as praias de Newport e Huntingon, num local conhecido como a falha de Talbert. Para controlar esse processo de salinização do aqüífero, o Distrito de Águas opera, atualmente, uma série de 23 poços de injeção de água, a quatro milhas da costa (±6 km), para formar uma barreira de proteção ao aqüífero, evitando a invasão de água salgada (Talbert Barrier Project). Desde a década de 60, iniciou-se o projeto piloto Water Factory 21, que já atraiu mais de 1.000 visitantes de cerca de 30 países diferentes. A Fábrica de Água do Século 21, que vem operando há mais de 3 décadas, consegue recuperar a água aos padrões de potabilidade exigidos pelas autoridades de água do Distrito, mas, só em outubro de 1976 a água recuperada passou a fazer parte de mistura de água de diferentes origens, que é Figura 7.5.4 - Sistema da SRP de recarga de água injetada ao solo, para formar a barreira de contenção da subterrânea por bacia de inundação, mostrando o poço de água salina. Atualmente, são utilizadas águas de poços monitoramento, Arizona - EUA. profundos, águas superficiais importadas do Colorado, além da águas servidas, após serem submetidas a processos de recuperação. Essas bacias de inundação chegam a receber até 10 (dez) metros de lâmina d’água por dia, que se infiltram diretamente no aqüífero, demonstrando 7.5.6 Planejamento e Gestão de ser uma ótima metodologia de recarga. Os poços de Recursos Hídricos Subterrâneos injeção chegam a introduzir água nos aqüíferos com taxas de bombeamento de até 900 m3/h, recarregando- Conceituação Geral os diretamente. Assim, como injetam água nos períodos de excedente de águas superficiais, nos períodos de A conceituação dos termos que envolvem o estiagens servem como poços produtores, retirando planejamento e a gestão dos recursos hídricos é água com a mesma capacidade de injeção. bastante controvertida, havendo, inclusive, autores Los Angeles abriga, atualmente, uma população que consideram esses dois termos como sinônimos superior a 2,5 milhões de pessoas distribuídas em ou equivalentes. O planejamento hidrogeológico, cerca de 30 cidades. Aproximadamente 75% desse segundo Custodio (1994), é um conjunto de guias, contingente é abastecido por águas subterrâneas em um marco legal-administrativo, com diretrizes da bacia sedimentar de Orange County e os 25% econômicas, regras de correção e orientações de restantes, com água do aqueduto do Colorado e águas melhora do conhecimento para: fornecidas pelo State Water Project. • definir as grandes linhas das atuações futuras; As águas subterrâneas do Condado de Orange foram utilizadas, desde os tempos em que chegaram • orientar a gestão em horizontes futuros (por os primeiros habitantes à região, como complemento exemplo, daqui a 10 ou 20 anos); e às vazões do rio Santa Ana. Com o desenvolvimento da • efetuar correções à medida que se observam área através de agricultura e a conseqüente elevação desvios. 732 Cap_7.5_F.indd 8 9/12/2008 22:21:20 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Tudo isso requer considerar a incerteza dos A gestão requer considerar os custos e benefícios dados e dos prognósticos, a elaboração e estudo de diretos e indiretos, as prioridades e restrições não cenários verossímeis e a integração das restrições avaliáveis economicamente, o uso sustentável do macroeconômicas, sociais e políticas. O planejamento (e recurso e o respeito aos direitos intergeracionais. Deve- a gestão que dele se deriva) para ser eficaz deve aplicar se respeitar as normas vigentes e os direitos legais e generosamente o princípio da subsidiaridade (o que se legítimos, limitando e corrigindo o abuso. pode realizar em um nível inferior não se realize por um Custodio (op. cit.) ainda diz “a gestão das águas organismo hierarquicamente superior) e contar com a subterrâneas não é um objetivo isolado, mas que se participação dos usuários da água e dos especialistas, integra aos outros recursos de água, na ordenação através de associações apropriadas, com voz suficiente territorial e nos usos reais do território. Supõe nos órgãos de planejamento. Um planejamento deve uma dotação da água que seja econômica (não incluir os seguintes aspectos e critérios: necessariamente barata) e eqüitativa, e suficientemente • técnicos, quanto à quantidade e qualidade da flexível para poder adaptar-se a um mundo e sociedade água; mutantes. Entre os objetivos figura o uso adequado da infra-estrutura hidráulica e de serviços, natural • econômicos, tanto na escala micro como macro; ou já criado, com preferência para novas atuações • sociais; estruturais e não estruturais”. • legais; Portanto, pode-se considerar que a gestão de • políticos; aqüíferos inclui: • de continuidade de fornecimento, para consumo • inventariar necessidades, usos, elementos e humano; dispositivos; • de atenção a situações de emergência e • conhecer a demanda real, sua evolução e sua estratégicas; elasticidade; • de correção contínua, que respeite a eficácia e a • considerar que o acoplamento oferta de água x eqüidade ante as gerações presente e futura; demanda de água se faz a partir dos dois lados e • de respeito às situações consolidadas não abusivas ter os meios para fazê-lo; ou ineficazes; • dispor de suficientes conhecimentos científicos e • de compensação por danos e cargas não técnicos; generalizadas ou desproporcionadas; e • dispor de pessoal suficiente e devidamente • de previsibilidade, de forma que seja possível formado; prever como amortizar obras e inversões, atrair • ter meios de observação da quantidade e qualidade emprego estável e evitar contrações sociais. da água, e, também, dos impactos ambientais, Assim como a gestão corresponde ao presente, sociais e territoriais da explotação; com visão de futuro, o planejamento dirige-se ao futuro • amparar-se em medidas administrativas e legais; considerando o presente. O segundo é, portanto, o guia • dispor de meios de aplicação das regras, tanto por da primeira. O planejamento não deveria ser nenhum vias coercitivas como estimuladoras; “espartilho” rígido que defina estritamente todas as atuações, porém, um marco guia, suficientemente flexível • além de meios de atuação ordinários, dispor dos para servir a um mundo mutante e com uma dinâmica meios extraordinários para atuações consideradas que chega a situações, às vezes, pouco previsíveis. incomuns; Segundo Tucci (1993), a gestão de recursos • receber meios econômicos adequados; e hídricos “é uma atividade analítica e criativa voltada à • realizar campanhas de informação pública e de formulação de princípios e diretrizes, ao preparo de formação. documentos orientadores e normativos, à estruturação de sistemas gerenciais e à tomada de decisões que têm Toda gestão há de ser realista, aceita socialmente, por objetivo final promover o inventário, uso, controle implementável, adaptada a cada circunstância local e e proteção dos recursos hídricos”. Enquanto que temporal e integrada no conjunto de recursos que requer Custodio (1994) define a gestão de aqüíferos como a sociedade. Fazem parte da gestão os elementos “o conjunto de guias, normas, leis, regulamentos e descritos a seguir, cuja definição foi feita pela ABRH atuações destinadas a sustentar, conservar, proteger, (1986) e parcialmente adaptada por Tucci (1993). restaurar e regenerar esses aqüíferos. Faz referência Política dos Recursos Hídricos - trata-se do à quantidade e à qualidade da água captável do conjunto consistente de princípios doutrinários e aqüífero, que se deve fazer de forma compatível com diretrizes que conformam as aspirações sociais e/ou a demanda a servir, com outras demandas existentes, governamentais no que concerne à regulamentação com o meio ambiente e com a ordenação e uso do ou modificação nos usos, controle e proteção dos território” (Custodio, 1994). recursos hídricos. 733 Cap_7.5_F.indd 9 9/12/2008 22:21:20 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas Plano de Recursos Hídricos - qualquer estudo se como uma fase de coleta e interpretação inicial de prospectivo que busca, na sua essência, adequar o dados e informações, incluindo o levantamento das uso, controle e o grau de proteção dos recursos hídricos infra-estruturas existentes, campanhas para obtenção às aspirações sociais e/ou governamentais, expressas de dados adicionais e proposições e recomendações formal ou informalmente em uma política de recursos para etapas posteriores, tanto no aspecto técnico, hídricos, através da coordenação, compatibilização, como nos aspectos econômicos, jurisdicionais, articulação e/ou projetos de intervenções. Obviamente, institucionais, políticos e administrativos. A seqüência a atividade de fazer tais planos é denominada sugerida para essa etapa é a seguinte: Planejamento dos Recursos Hídricos. • inventário regional dos recursos naturais, em Gerenciamento dos Recursos Hídricos - conjunto especial dos recursos hídricos; de ações governamentais destinadas a regular o • inventário socioeconômico regional; e uso e o controle dos recursos hídricos e a avaliar a conformidade da situação corrente com os princípios • inventário das atividades econômicas regionais. doutrinários estabelecidos pela política dos recursos Desenvolvimento - corresponde a uma fase hídricos. Freqüentemente, toma-se como sinônimos intermediária, abrangendo um largo período de os termos gestão e gerenciamento, porém, a atividades, desde estudos iniciais para planejamento gestão é considerada de forma ampla, abrigando regional e local, até os detalhes de projetos e todas as atividades, inclusive o gerenciamento, que é construção dos aproveitamentos. O desenvolvimento considerado uma atividade de governo. caracteriza-se por uma fase de intensa campanha Sistema de Gerenciamento de Recursos de obtenção de informações regionais e de grande Hídricos - conjunto de organismos, agências e quantidade de estudos multidisciplinares, que acabam instalações governamentais e privadas, estabelecidos materializando a concepção dos aproveitamentos e com o objetivo de executar a política de recursos das estruturas organizacionais requeridas, seguindo- hídricos através do modelo de gerenciamento dos se a implantação física dos mesmos, levando em recursos hídricos adotado e tendo por instrumento o conta, após detida análise, os aspectos econômico- planejamento de recursos hídricos. financeiros e sociais. Sugere-se a seguinte seqüência Em resumo, a gestão eficiente dos recursos hídricos para essa etapa: deve ser constituída por uma política dos recursos • estudos de planejamento em níveis nacional, hídricos que estabeleça as diretrizes gerais, um modelo regional e local dos recursos hídricos e naturais de gerenciamento que estabeleça a organização legal (como subcomponentes do planejamento do e institucional e um sistema de gerenciamento que desenvolvimento econômico); reúna os instrumentos para o preparo e execução do • estudos de sistemas de aproveitamento de recursos planejamento de recursos hídricos. hídricos; • projetos de componentes do sistema de Etapas de Trabalho aproveitamento de recursos hídricos; O planejamento e a gestão dos recursos hídricos • construção dos componentes do sistema de compreendem três etapas básicas de trabalho, que, aproveitamento de recursos hídricos. na prática, sofrem uma certa superposição. Portanto, essa etapa engloba todas as fases de • Reconhecimento ou Avaliação (Inventário); engenharia de projeto (viabilidade, planos diretores, planos setoriais, planos detalhados, projetos básicos • Desenvolvimento (Planejamento, Projeto e e projetos executivos) e engenharia de construção. Construção); e Exploração - corresponde à fase final, que inclui • Exploração (Operação, Manutenção e Controle). atividades seguidas de operação, manutenção e Segue-se a caracterização de cada uma das etapas controle dos projetos e obras, e envolve reformulações acima citadas. de planos e programas implantados ou em implantação. Modernamente, concebe-se que a gestão dos recursos Reconhecimento - constitui uma fase inicial, onde se hídricos deve iniciar-se junto com o planejamento faz a primeira quantificação e qualificação dos recursos do seu desenvolvimento. A defasagem que costuma de água subterrânea potenciais e disponíveis. Especula- existir entre essas atividades é a responsável pela má se sobre suas interações com o meio e procede-se a definição dos objetivos, provocando uma defasagem uma análise das demandas de água no espaço e no entre a concepção e a implantação (figura 7.5.5). tempo, que são ou poderão vir a ser satisfeitas pelos referidos recursos, concluindo-se com um balanço Entre os erros mais cometidos nas diversas etapas, expedito de massas (balanço hídrico), que permita que acarretam um grande número de insucessos no um mapeamento geral dos equilíbrios e desequilíbrios aproveitamento dos recursos hídricos, podem ser entre oferta e procura. O reconhecimento caracteriza- citados os seguintes: 734 Cap_7.5_F.indd 10 9/12/2008 22:21:20 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • órgãos do governo; • grupos particulares de empresas; • grupos de cidadãos; • representações trabalhistas de classe, sociedades civis organizadas etc. Estas organizações interagem-se entre si e se adaptam a mudanças ambientais, algumas vezes colaborando entre si, e algumas vezes disputando, competindo e gerando conflitos. Os conflitos podem ser provocados pelas conjuminâncias de fatores circunstanciais e de tendências definidas. Os principais fatores circunstanciais e imprevisíveis são: • ocorrência de fenômenos meteorológicos excepcionais; • compromissos políticos individuais assumidos; • má administração pública. As principais tendências previsíveis são: • crescimento urbano; • crescimento de demandas; • preservação do meio ambiente; • desejo de lazer; • desenvolvimento econômico local. Esses fatores e tendências interagem nos componentes institucionais existentes, a exemplo do Figura 7.5.5 - Inter-relacionamento das etapas e atividades de reconhecimento, desenvolvimento, exploração, planejamento fluxo ilustrado na figura 7.5.6. No Brasil, o gerenciamento e gestão. dos recursos hídricos vem sendo executado em vários níveis: nacional, regional, estadual e municipal. Em nível nacional, foi criado um ministério específico • quantidade insuficiente de dados ou má distribuição que trata, entre outros assuntos, dos recursos hídricos, dos mesmos; através de uma Política Nacional de Recursos Hídricos aprovada no âmbito do legislativo. De acordo com • falta de critério na abordagem do problema, dando- essa política, os recursos hídricos têm como unidade se ênfase a determinados aspectos em detrimento de planejamento a bacia hidrográfica, que pode de outros (por exemplo, entre informações de ser estadual, quando pertencer inteiramente a um quantidade e de qualidade da água); determinado estado federativo, ou nacional, quando • relativa escassez de estudos de apoio ao cortar ou dividir dois ou mais estados. diagnóstico (em especial os socioeconômicos e Regionalmente, existem os órgãos que planejam climatometeorológicos). e executam ou apenas planejam ou executam ações relacionadas ao uso dos recursos hídricos. Dentre Aspectos Institucionais e Legais eles podem ser citados: a Codevasf - Companhia de Desenvolvimento dos Vales do São Francisco e do As águas subterrâneas devem estar, por princípio Parnaíba, Sudene - Superintendência do Desenvolvimento lógico, regidas pela mesma entidade institucional do Nordeste, DNOCS - Departamento Nacional de Obras que administra os demais recursos hídricos, tanto Contra as Secas, DNAE - Departamento Nacional de meteóricos como de escoamento superficial, porque Águas e Energia, dentre outros. no ciclo hidrológico essas três componentes são No nível estadual, a situação é a mais variada de um indissociáveis. Apesar da administração dos recursos estado para outro. Em alguns, existe uma Secretaria hídricos ser de competência do governo, diversas de Recursos Hídricos atuando independentemente organizações são, geralmente, envolvidas, criando de um usuário da água ou acoplado a este, como conflitos de uso, muitas vezes, de difícil solução, por exemplo Secretaria de Habitação, Saneamento e sobretudo, nas águas superficiais. As organizações Recursos Hídricos, ou Secretaria de Recursos Hídricos envolvidas no gerenciamento dos recursos hídricos e Irrigação etc. Em outros, as ações de gerenciamento são as seguintes: dos recursos hídricos acham-se diretamente ligadas a 735 Cap_7.5_F.indd 11 9/12/2008 22:21:21 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas Figura 7.5.6 - Diagrama simplificado de interações institucionais. uma Secretaria de Planejamento ou dispersas em várias órgãos gestores, a fim de normatizar os procedimentos secretarias estaduais, sem qualquer coordenação de de outorga e cobrança do uso da água; planejamento e gestão. (b) Planejamento sobre o aproveitamento integral Finalmente, no nível municipal, esse gerenciamento dos recursos hídricos subterrâneos, tendo em vista verifica-se através do controle dos serviços públicos os usos múltiplos da água. O planejamento levará de abastecimento de água à população, quer através em conta as demandas e ofertas, o zoneamento das de reservatórios de águas superficiais (barragens, disponibilidades, o cadastro das obras existentes, açudes etc.) ou por intermédio de poços para os planos e metas para atendimento das demandas captação de aqüíferos. em função das ofertas, as previsões de secas e Considerando que o principal uso, além de prioritário, é o de abastecimento público às populações, o enchentes e os conflitos de uso, dentre outros gerenciamento dos recursos hídricos é de competência aspectos específicos; estadual e, nesse sentido, os estados do Brasil ( c ) P r o g r a m a ç ã o d a s a ç õ e s a s e r e m possuem as suas concessionárias (companhias de desencadeadas ao nível executivo. Planos de capital misto), que são encarregadas da administração aproveitamento integrado dos recursos hídricos dos recursos hídricos, desde a captação, adução, subterrâneos para atendimento aos planos e metas tratamento, reservação e distribuição. preestabelecidos, incluindo estudos, projetos e obras A situação ideal de composição institucional do governamentais (a execução das obras não seria da governo estadual para o gerenciamento dos recursos alçada da instituição gestora); hídricos, de acordo com Costa (1995), é mostrada (d) Pesquisas e estudos técnicos e econômicos na figura 7.5.7. No modelo apresentado nesta figura, necessários ao planejamento e à gestão dos as instituições meramente gestoras, no sentido de recursos hídricos subterrâneos, tais como: avaliação planejamento, são distintas daquelas usuárias e de reservas e recursos explotáveis dos aqüíferos executoras de obras. A instituição gestora deverá existentes no estado, zoneamento de disponibilidades exercer as ações descritas a seguir. dos aqüíferos, zoneamento hidroquímico, mapas de (a) Legislação e normatização de procedimentos vulnerabilidade, focos potenciais de poluição, dentre visando proteger os mananciais hídricos subterrâneos, outros. Pesquisas específicas de interesse regional tanto qualitativa como quantitativamente. Uma vez na explotação de águas subterrâneas são também aprovadas as leis e regulamentos ao nível governamental, importantes, como por exemplo: desenvolvimento de deverão ser elaborados os regulamentos internos pelos tecnologias construtivas de barragens subterrâneas, 736 Cap_7.5_F.indd 12 9/12/2008 22:21:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 7.5.7 - Atribuições das secretarias de estado relacionadas ao gerenciamento de recursos hídricos (adaptado de Costa, 1995). novas metodologias para dessalinização de água, (b) Construção de barragens superficiais ou sobretudo para a região semi-árida, tecnologias de subterrâneas, açudes e implúvios, assim como de obras desenvolvimento de poços, tecnologia de locação civis ligadas aos recursos hídricos, como reservatórios, de poços, aplicação de metodologias geofísica, sistema de irrigação, sistema de tratamento de água, isotópica, termal etc; rede de distribuição urbana etc.; (e) Coordenação das ações a serem desenvolvidas (c) Perfuração de poços tubulares profundos ou no campo dos recursos hídricos subterrâneos e rasos, inclusive poços amazonas ou cacimbões; inseridas no Plano Estadual de Recursos Hídricos. (d) Análises laboratoriais de qualidade físico- Dentre essas ações, destacam-se a concessão química e bacteriológica da água, de propriedades de outorga pelo uso da água, a administração dos físicas de solos (ensaios geotécnicos) etc; conflitos de uso, o controle previsional meteórico, (e) Prospecção geofísica ou geoquímica, visando a licitação para realização de estudos e pesquisa e a definição de áreas mais favoráveis à explotação de outras ações de natureza administrativa nas áreas águas subterrâneas; não executivas; (f) Perfilagens geofísicas de poços, inclusive os (f) Fiscalização sobre todas as ações realizadas métodos mais avançados de “endoscopia de poço” pelos órgãos executores, sobretudo a perfuração de (TV bore hole), uso de traçadores etc. poços tubulares e outras intervenções no meio aqüífero (poços amazonas, poços com drenos ou galerias, As empresas encarregadas da administração da barragem subterrânea etc.); água para determinado uso, isto é, as empresas ligadas (g) Monitoramento sobre os aqüíferos e poços, a fim ao usuário da água, tais como as concessionárias de de evitar o surgimento ou agravamento de problemas de abastecimento de água e saneamento urbano, as ligadas superexplotação, poluição, salinização, dentre outros. ao uso da água para irrigação, relacionadas ao setor de geração de energia, ou qualquer outro uso consuntivo Por sua vez, as instituições executoras (de projetos ou não consuntivo da água, desempenham atividades e obras) poderão desempenhar ações em recursos com enfoques específicos do usuário, tais como: hídricos (superficiais ou subterrâneos), relacionados • cadastramento do usuário; aos campos a seguir relacionados. • demanda específica; (a) Projetos executivos ou construtivos referentes • qualidade da água requerida; a obras específicas de captação, reservação, • característica do manancial hídrico a ser utilizado; tratamento e distribuição da água, tais como: barragens superficiais, caixas d’água, chafarizes, estações de • intervenções no meio físico (tipo de obra); tratamento de água, perfurações de poços, barragens • problemas relacionados à cobrança pelo uso da subterrânea etc; água; 737 Cap_7.5_F.indd 13 9/12/2008 22:21:21 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas • problemas específicos: poluição, desabastecimento, reconhecimento. Na altura em que esses programas assoreamento, salinização, enchentes, secas etc. definem as áreas a serem atendidas, o escopo básico, Evidentemente, estas ações não podem ser as prioridades e os valores a serem preservados, consideradas como funções exclusivas de cada uma passa-se às fases finais do reconhecimento e às das áreas acima descritas, pois, freqüentemente, atividades de desenvolvimento, que terminam com um estudo chega até a fase de projeto, ou seja, a a construção dos aproveitamentos. Estes serviços elaboração de projeto não é atribuição exclusiva de costumam ser produzidos por equipes técnicas de órgãos executivos. Também na fase de estudos torna- consultorias de engenharia e de empreiteiras de obras se necessária, muitas vezes, a elaboração de ações públicas. Nesta fase, as equipes técnicas dos órgãos típicas da área de obras, como a perfuração de poços, públicos costumam estar envolvidas para assessoria, sondagens, análises, perfilagens etc. acompanhamento e tomadas de decisão, deixando A gestão de recursos hídricos, sob o ponto de as atividades de execução propriamente ditas para vista institucional, não pode ficar restrita apenas à empresas de engenharia. Por razões históricas, participação de entidades públicas, mas deve ser seria inconveniente que tais órgãos montassem analisada a atuação de todos os setores técnicos. superestruturas que, além de estarem em desacordo A infra-estrutura técnica para enfrentar problemas com seus objetivos mais imediatos, não teriam solução de gestão de recursos hídricos costuma ter três origens de continuidade. Na fase de explotação, pelo seu básicas, representadas por setores técnicos em: aspecto permanente e definitivo, novamente os órgãos públicos passam a ter atuação quase que exclusiva, • órgãos públicos federais, estaduais e municipais; orientados por suas próprias equipes técnicas. • empresas particulares de prestação de serviços Empresas Particulares de Prestação de Serviços (consultoras e empreiteiras de obras); - as empresas particulares de prestação de serviços • universidades e centros de pesquisa. na área de planejamento e construção dos projetos de É muito importante que haja um equilíbrio e um recursos hídricos costumam oferecer seus serviços em bom delineamento de atribuições entre as equipes duas áreas distintas: técnicas militantes nestes três setores, em proveito do • área de consultoria (estudos, planos e projetos); e bom rendimento das atividades de gestão dos recursos • área de empreitada (construção, montagem e hídricos. Na prática, costuma ocorrer uma certa gerenciamento de construção). superposição de atividades e atribuições, que pode ser mais ou menos importante, em função da política de As consultoras costumam ter equipes permanentes governo e do estágio e ritmo das atividades econômicas de dimensões variáveis, para atendimento a atividades da nação. A figura 7.5.8 apresenta um exemplo que de reconhecimento e desenvolvimento, que vão desde reflete características médias encontradas, que podem o inventário e planejamento regional, passam pelo servir de exemplo de harmonia e racionalidade. planejamento detalhado e terminam nas atividades de projetos dos aproveitamentos. São envolvidas, Órgãos Públicos - os órgãos públicos na ao mesmo tempo, especialidades de engenharia, alçada federal e estadual costumam ter infra- geologia, economia, direito e administração, dentre estruturas técnicas essencialmente para as outras. As empreiteiras concentram-se nas atividades atividades de macroplanejamento. Essas infra- de construção, montagem e gerenciamento de estruturas são representadas por equipes que construção, sendo esta última também executada devem elaborar os programas setoriais, de alto por consultores. Os seus setores técnicos são aptos a nível, ligados ao desenvolvimento econômico, produzir modificações em projetos, quando necessário, inclusive o desenvolvimento dos recursos hídricos, e a planejar a construção para aumento da eficiência e compreendem, praticamente, todas as fases de técnica e econômica. Universidades e Centros de Pesquisa - as universidades desempenham um papel relevante no planejamento dos recursos hídricos, por uma atuação direta e indireta nos estudos a serem desenvolvidos. Diretamente, as universidades promovem pesquisas aplicadas e estágios onde a sua equipe técnica possa adquirir experiência e levar a cabo estudos pioneiros ou de vanguarda, que futuramente beneficiarão toda a comunidade. Indiretamente, as universidades funcionam como centros de formação de recursos humanos qualificados, através de cursos de graduação, Figura 7.5.8 - Atuação dos setores técnicos na gestão dos pós-graduação e especialização em várias áreas recursos hídricos. abrangidas pelos recursos hídricos, tais como: 738 Cap_7.5_F.indd 14 9/12/2008 22:21:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações • Geologia (Hidrogeologia, Hidrogeotecnia, A ausência de uma lei específica para controle Hidrogeoquímica, Pedologia etc); qualitativo e quantitativo da explotação das águas • Engenharia (Hidrologia, Hidráulica, Engenharia de subterrâneas vem causando grandes prejuízos, às Recursos Hídricos, Engenharia de Meio Ambiente vezes irreversíveis, aos aqüíferos regionais e locais, e Sanitária); dentre os quais podem ser citados: superexplotação com riscos de exaustão e de salinização; poluição e • Economia (de Recursos Hídricos, de Recursos salinização de aqüíferos em áreas urbanas, sobretudo Naturais, de Meio Ambiente); em bacias sedimentares costeiras; desperdício de • Direito (da Água, do Usuário e das Comunidades); águas em poços jorrantes, que vêm despejando • Administração (de Recursos Hídricos, de Bacias imensos volumes de água na superfície, sem qualquer Hidrográficas). utilização; interferências de poços entre si em áreas densamente exploradas, dentre outros. Quanto aos aspectos jurídicos/legais, os recursos A Lei 9.433, que estabeleceu o Sistema Nacional hídricos como um todo e as águas subterrâneas, de Gerenciamento de Recursos Hídricos também em particular, são regidos no Brasil pela Lei nº 9.433, interferiu na explotação das águas subterrâneas e aprovada em 8 de janeiro de 1997, que instituiu a é de grande importância para regulamentação da Política Nacional de Recursos Hídricos e criou o Sistema outorga do uso da água e da cobrança ao usuário, Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos – além de definir outros parâmetros exploratórios de SINGREH. Essa lei apresenta como diretrizes: que a grande importância. água é um bem econômico; de domínio público; o uso prioritário é para consumo humano; tenha uso múltiplo, o gerenciamento seja feito por bacia hidrográfica e a Estágios de um Planejamento Hídrico gestão seja descentralizada e participativa. Dentre outros, estabelece os instrumentos de gestão e destaca que as O planejamento hídrico obedece a uma série de águas subterrâneas estão sujeitas à outorga. Apesar do estágios ou níveis, desde o mais genérico ao mais conceito – recursos hídricos – também incluir os recursos detalhado, numa escala de diminuição de amplitude hídricos subterrâneos, é claro o tratamento superficial da geográfica e aumento de detalhamento específico. Podem lei. Não deixa claro as questões subterrâneas e não há ser distinguidas as seguintes categorias de estágios, de indicação do tratamento das províncias hidrogeológicas acordo com Tucci (1993): política de Recursos Hídricos; plano de enquadramento dos Recursos Hídricos; em relação as bacias hidrográficas. estudo de pré-viabilidade ou plano diretor; estudos de O Projeto de Lei 7.127/86, que versa sobre a proteção viabilidade; projeto básico; e projeto executivo. ao uso das águas subterrâneas, jamais foi aprovado pela Câmara Federal, para que se criasse uma legislação Política de Recursos Hídricos - o propósito própria das águas subterrâneas ao nível federal. Resta a de uma política é o estabelecimento de princípios possibilidade de se criar legislação no nível estadual, o doutrinários e diretrizes gerais de planejamento que já ocorre em alguns estados do Brasil. visando à coordenação das intervenções a serem Segundo a Constituição Federal, aprovada implementadas. Os seguintes elementos poderão em outubro/88, os recursos hídricos superficiais e constar de uma Política: subterrâneos pertencem ao Estado e não mais ao • avaliação das demandas, sob um ponto de vista proprietário da terra que os contém, conforme dispunha amplo; a anterior Constituição. O Art. 26 dispõe claramente que: “Incluem-se entre os bens do Estado: I - as águas • hipotet ização das metas e objet ivos do superficiais ou subterrâneas, fluentes, emergentes e em planejamento; depósito...”. Por outro lado, dispõe o Art. 22 da mesma • identificação de problemas e oportunidades, nos Constituição, que: “Compete exclusivamente à União quais o uso e controle dos recursos hídricos são legislar sobre: ...IV - águas, energia, informática...”. fatores básicos para dar atendimento às metas Em função dessa exclusividade de competência planejadas; legislativa, os estados vêm sendo impedidos de criar a • recomendação de metas e objet ivos de sua própria legislação para controle do uso das águas planejamento; subterrâneas, apesar de pareceres de alguns juristas • recomendação de decisões políticas; de que o Art. 24 da própria Constituição, pelo qual • coordenação de prioridades; “Compete à União, aos Estados e ao Distrito Federal legislar concorrentemente sobre: ... VI - florestas, caça, • revisão de programas existentes ou propostos para pesca, fauna, conservação da natureza, defesa do solo dar atendimento às metas de planejamento; e dos recursos naturais, proteção do meio ambiente • compatibilização preliminar da Política de Recursos e controle da poluição”, daria ampla cobertura para Hídricos com a Política Ambiental; os estados exercitarem o seu poder de legislar sobre • proposta do Sistema de Gerenciamento Integrado essa matéria. dos Recursos Hídricos. 739 Cap_7.5_F.indd 15 9/12/2008 22:21:21 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas Plano de Enquadramento dos Recursos Hídricos • estimativa das demandas hídricas e ambientais - este documento deve identificar as necessidades e atuais e futuras; anseios sociais, os problemas regionais do setor dos • estimativa das disponibilidades hídrica e de solo; recursos hídricos ou de algumas de suas funções, executar avaliações preliminares, apresentar um inventário dos • aval iação prel iminar das al ternat ivas de dados e informações básicas existentes e recomendar gerenciamento da quantidade e qualidade de investigações para aquelas sub-regiões que requeiram água; análises mais detalhadas. É, também, o momento • estimativas preliminares de custos, benefícios adequado para realização de estudos de impacto e conseqüências de medidas e projetos ambiental, que avaliem a compatibilização dos Planos alternativos; com os Zoneamentos Ecológico-Econômicos, ou outros • comparação de alternativas; documentos relacionados com o estabelecimento de • reflexão sobre ações a serem executadas de imediato restrições gerais à apropriação dos recursos ambientais, e de projetos a serem executados no futuro; dentro de uma visão regional. Os principais elementos que devem constar de um plano de enquadramento são • recomendação de ações a executar de imediato e os seguintes: no futuro, incluindo a seleção de projetos e medidas a serem detalhadas no estágio seguinte. • inventário e avaliação preliminar das informações disponíveis; Estudo de Viabilidade - o propósito desse estágio é o de permitir a decisão sobre quais projetos e medidas, • avaliações e projeções preliminares dos usos de estruturais e não estruturais, serão executados. O água e demandas ambientais; detalhamento das análises deverá permitir estabelecer • avaliação preliminar das disponibilidades hídricas se uma dada alternativa poderá ser implementada, e de solo; a que custo, se existirão recursos orçamentários • avaliação do Sistema de Gerenciamento de para sua implementação (análise financeira), os Recursos Hídricos existente; propósitos e usos que a alternativa atenderá e em • inventário do estudo presente de desenvolvimento que escala e, finalmente, as conseqüências benéficas e apropriação dos recursos hídricos; e adversas de sua implantação (análises econômica e de impactos ambientais ou sociais). Do quadro • inventário geral dos meios disponíveis para resultante, será possível a recomendação da alternativa satisfação das necessidades; a ser implementada, sob ponto de vista técnico. Os • avaliação preliminar das soluções alternativas para elementos que poderão constar desse estudo, são: atendimento às metas de planejamento; • identificação de áreas-problema que necessitem • quantificação de usos específicos de água e de de atenção prioritária; e parâmetros ambientais pertinentes; • recomendação de ações que possam ser executadas • quantificação das disponibilidades hídricas e de de imediato e daquelas que necessitem de estudos solo; complementares para serem consideradas. • confronto entre demandas e disponibilidades hídricas sob aspectos quantitativos e qualitativos, De forma resumida, a tônica desse estágio espaciais e temporais; é dirigida ao inventário de informações, meios disponíveis, soluções alternativas e áreas prioritárias • preparo de projetos preliminares e estimativas de para ações imediatas. São recomendados estudos custos; complementares sobre aspectos relevantes a respeito • execução de análise econômica, financeira, de dos quais existem informações insuficientes. impactos ambientais e de impactos sociais; Estudo de Pré-viabilidade ou Plano Diretor - este • comparação entre as alternativas; estágio de planejamento consiste na avaliação das • recomendação sob o ponto de vista técnico necessidades e anseios sociais, de uma forma ainda da alternativa, ou grupo de alternativas, mais geral, e de medidas alternativas de caráter estrutural e adequado. não estrutural para atender às metas de planejamento. Após a seleção da alternativa a ser implantada, Ele constitui-se em um guia para o detalhamento passa-se à execução de Projetos ou Regulamentos que do estudo no estágio seguinte, devendo identificar estabelecerão as obras e medidas a serem adotadas. e recomendar projetos a serem executados por entidades federais, estaduais, municipais e privadas. Projeto Básico - é a fase em que uma obra ou A ênfase deverá ser dirigida a estabelecer opções de medida não-estrutural, tal como foi concebida no ação a serem executadas no futuro imediato, que se inventário ou estudo de viabilidade, é detalhada integrarão às opções de ação que serão disponíveis no e orçada. Isto deverá permitir a elaboração de futuro a longo prazo. Os seguintes elementos poderão documentos de licitação da construção da obra e de constar do plano nesse estágio: fornecimento de equipamentos e sua montagem, ou 740 Cap_7.5_F.indd 16 9/12/2008 22:21:21 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura 7.5.9 - Diagrama PERT do planejamento de recursos hídricos subterrâneos (Internacional de Engenharia S/A, 1977). de contratação de serviços diversos. É a fase em que BRANCO, S. M. Poluição: a morte dos nossos rios. deverão ser preparados os Relatórios de Impacto no 2. ed. São Paulo: ASCETESB, 1984. 166 p. Meio Ambiente (RIMA). BRANCO, S. M. et al. Hidrologia ambiental. São Projeto Executivo - é a etapa final de planejamento, Paulo: Ed. da Universidade de São Paulo, 1991. (Co- onde são processados os desenhos de detalhamento leção ABRH de Recursos Hídricos, v. 3). das obras civis e dos equipamentos, necessários à sua BRASIL. Superintendência de Desenvolvimento do execução e montagem, respectivamente. Nordeste. Plano de Aproveitamento Integrado O planejamento de um estudo pode ser representado dos Recursos Hídricos do Nordeste do Brasil: por diagramas (PERT ou outro), como no exemplo fase I - Recursos Hídricos I - Águas subterrâneas. apresentado na figura 7.5.9, do planejamento de um Recife, 1980. (Recursos Hídricos I : águas subter- programa de avaliação hidrogeológica. râneas, v. 7). CASTANY, G. Traité pratique des eaux souterraines. Referências 2. ed. Paris: Dunod, 1967. 661 p. CONKLING, H. Utilization of groundwater storage in ALLER, I. et. al. Drastic, a standardized system for stream system development. Transactions Am. Soc. evaluating groundwater pollution potential us- Civil Engineers, [S.l.], n. 111, p. 275-305, 1946. ing hydrogeologic setting. Ada, Oklahoma: U.S. Environmental Protection Agency - EPA, 1987. 155 p. COSTA, W. D. Gerenciamento de recursos hídricos (Report EPA 600/2-87-035) subterrâneos. In: WORKSHOP SOBRE GERENCIA- MENTO DE RECURSOS HÍDRICOS, 1995, Salvador. BASTOS, C. R. et. al. Evaluation of groundwater poten- tial pollution sources in the State of São Paulo-Brazil. [Trabalhos apresentados...]. Salvador, 1995. 13 p. In: INTERNATIONAL SEMINAR OF POLLUTION, CUSTODIO, E. Gestión y protección del água sub- PROTECTION AND CONTROL OF GROUNDWATER, terránea. In: CONGRESO LATINOAMERICANO DE 1990, Porto Alegre. Proceedings... Porto Alegre: HIDROLOGÍA SUBTERRÀNEA, 2. , 1994, Santiago ABAS; ABES, 1990. 262 p., p.122-129. do Chile. Memorias... Santiago: ALHSUD, 1994. 3 v. 741 Cap_7.5_F.indd 17 9/12/2008 22:21:22 Capítulo 7.5 - Uso e Gestão das Águas Subterrâneas CARRERA, J. Aspectos generales sobre la contami- nación de las aguas subterráneas. OP, v.13, p. 96- 112, 1989. CUSTODIO, E.; LLAMAS, M. R. Hidrología subterrá- nea. 2. ed. Barcelona: Omega, 1983. 2 v. DEBSKI, K. Méthode empirique d’évaluation des débits des crues probables. In: ASSOCIATION INTERNATIONALE D’HYDROLOGIE SCIENTIFIQUE. Assemblée Générale de Toronto: 1957. Gentrugge, Bélgica, 1957. Publ. N. 45, tomo III, p. 324-325. FOSTER, S. S. D.; VENTURA, M.; HIRATA, R. Conta- minación de las águas subterráneas: un enfoque efe- cutivo de la situación en America Latina y el Caribe en relación con el suministro de agua potable. Lima, Peru: OMS; OPS; CEPIS, 1987. 42 p., il. Technical Report. HIRATA, R. C. A. et al. Groundwater pollution risk and vulnerability map of the São Paulo State-Brazil. In: INTERNATIONAL SEMINAR OF POLLUTION, PROTECTION AND CONTROL OF GROUNDWATER, 1990, Porto Alegre. [Proceedings...]. Porto Alegre: ABAS; ABES, 1990. 262 p., p. 236-246. IBGE. Anuário Estatístico de 1991. Rio de Janeiro: 1991. INTERNACIONAL DE ENGENHARIA. Planejamento de Recursos Hídricos – Recife, PE. Recife, 1977. LOHMAN, S. W. Groundwater hydraulics. U.S. Geo- logical Survey. Professional Paper, Washington, n. 708, p. 1-70, 1972. MEINZER, O. E. Quantitative methods of estimating groundwater supplies. Bulletin of the Geological Society of America, Washington, v. 31, n. 2, p. 329- 338, June 1920. REBOUÇAS, A. C. Water Crisis: facts and myths. Anais da Academia Brasileira de Ciências, Rio de Janeiro, v. 66, supl. 1, part 1, p.135-147, 1984. PARANÁ (Estado). Secretaria de Planejamento Orça- mento e Coordenação da Presidência da República. Projeto Áridas: uma estratégia de desenvolvimento sustentável para o Nordeste - versão preliminar. Curi- tiba, 1994. TUCCI, C. E. M. (Org.) Hidrologia: ciência e aplica- ção. Porto Alegre: Editora da Universidade; ABRH, 1993. (Coleção ABRH de Recursos Hídricos, v. 4). VAN DER HEIJDE, P. ; Y. BACHMAT, J. ; BUDE- HOEFT. Groundwater management: the use of numerical models. 2. ed. Washington: American Geophysical Union, 1985. (Water Resources Mono- graph, 5). WALTON, W. C. Groundwater resource evaluation. New York : McGraw - Hill, 1970. 664 p. (Series in Wa- ter Resources and Environmental Engineering). 742 Cap_7.5_F.indd 18 9/12/2008 22:21:22 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Capítulo 7.6 SiStemaS de informaçõeS em ÁguaS SubterrâneaS Frederico Cláudio Peixinho Josias Barbosa de Lima 7.6.1 introdução Neste sentido, para que se adotem decisões confiáveis e seguras, um grande esforço de harmonização entre A humanidade, no seu processo evolutivo, teve as áreas gerenciais e de informática deve ser buscado, períodos que mudaram substancialmente bem como o atendimento dos interesses dos usuários, o indivíduo e a sociedade, caracterizados de modo a proporcionar um dado representativo e de pelas eras agrícola, industrial e da informação. Hoje, elevado benefício ao processo decisório. vivencia o que se denomina a Era do Conhecimento, onde a informação constitui-se no elemento mais importante e transformador da vida das pessoas e 7.6.2 Conceitos básicos sobre Siste- das organizações. mas de informações Nos dias atuais, existe a necessidade de constantes modificações das estratégias organizacionais, Tarapanoff (1995, p.14) cita Drucker que afirma: “a adequando-as às rápidas transformações dos cenários, informação é a ferramenta do Administrador”. Desta face ao ambiente cada vez mais competitivo e afirmação pode-se dizer que a informação é necessária globalizado. Dentro dessa perspectiva, os sistemas de à organização e, sem medo de errar, pode-se dizer que informações desempenham um papel estratégico, pois sem informação não existe administração eficaz. aquilo que é gerado por eles, ou seja, a informação, Os sistemas de informação têm um papel relevante passa a ser fundamental para a gestão dos negócios. nos negócios das organizações. O entendimento Para acompanhar a velocidade de tais mudanças, da variedade dos sistemas de informações inicia-se as organizações devem ser cada vez mais flexíveis, pelo conhecimento de seus fundamentos. Nesse revisando permanentemente seus processos. No sentido, deve-se observar a diferença entre dado, entanto, para que se tenha sucesso nessa revisão, é informação e conhecimento. Os dados são os fatos imprescindível a visão e o conhecimento da empresa primários; a informação toma os dados e lhes dá como um todo, o que permite identificar a existência uma forma significativa; e o processo de definição de diversos sistemas e subsistemas, bem como a das relações entre os dados requer conhecimento. O interdependência e a inter-relação entre eles. Além conhecimento é, pois, o corpo das regras, as diretrizes disso, devem ser levados em consideração outros e os procedimentos que afetam os dados. fatores, como a missão e cultura da organização. O valor da informação está relacionado com a ajuda Os avanços atuais na área de tecnologia de que ela proporciona aos tomadores de decisão, para informação, envolvendo o enlace entre dados, um que se alcançe os objetivos e metas da organização. recurso estratégico, softwares inteligentes, hardwares A informação deve ser precisa, completa, de produção cada vez mais compactos e poderosos, e tecnologia de econômica, flexível, confiável, relevante, de fácil comunicação mais presente, contribuem positivamente compreensão, atual e verificável (Stair, 1998). para a materialização das estratégias de negócio. Conceitualmente, um sistema de informação é Destes quatro recursos (dados, hardware, software e composto por uma série de elementos ou componentes comunicação), os dados são os que requerem maiores inter-relacionados que coletam (entrada), manipulam cuidados do ponto de vista conceitual e metodológico, e armazenam (processo), e disseminam (saída) os pois, diferentes dos demais, que podem ser obtidos dados e informações, fornecendo mecanismos de com facilidade em qualquer ambiente de negócio, os feedback. A entrada constitui a atividade de captar e dados apresentam forte fluidez e permeabilidade. Os reunir novos dados. O processamento compreende dados são produzidos na organização e devem ter como a transformação ou conversão de dados em saídas requisito forte aderência ao negócio da empresa. que, por sua vez, compreendem a produção de Historicamente, a existência de dados antecede aos informações úteis. O feedback é a saída utilizada para sistemas computacionais e este tem sido um fator de os ajustes ou modificações nas atividades de entrada resistência para sua utilização compartilhada. e processamento dos dados (figura 7.6.1). 743 Cap_7.6_F.indd 1 9/12/2008 22:22:43 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas 7.6.3 Conceitos em banco de dados Hierarquia dos dados Uma das metas de um Sistema de Informação eficaz figura 7.6.1 - Os componentes de um sistema de é fornecer aos tomadores de decisão informações informação. imediatas, precisas e relevantes. A fonte dessas informações está nos bancos de dados, que, Um sistema de informação é composto por uma devidamente organizados, podem produzir informações série de elementos que interagem para potencializar significativas. estratégias com vistas ao alcance de uma meta ou Os dados são organizados em hierarquia, do menor um grupo de objetivos. Os sistemas contêm limites para o maior elemento. O bit é o menor elemento, que os separam do ambiente externo ou uns dos constituído de um dígito binário. Um byte representa uma outros. O feedback é utilizado para acompanhar as letra ou número e é composto de 8 bits. Um conjunto suas operações, verificando se o sistema continua de caracteres, tal como um nome ou um número, é atendendo às metas e objetivos. chamado de campo (um objeto). Uma série de campos Os sistemas de informações baseados em relacionados é um registro, enquanto que uma coleção computadores, por sua vez, são constituídos de de registros relacionados é um banco de dados. No alto hardware, software, banco de dados, procedimentos, da hierarquia, está o banco de dados, que constitui uma telecomunicações, pessoas e procedimentos. Estes série integrada de registros e arquivos. A figura 7.6.2 sistemas de informações vêm evoluindo rapidamente, ilustra a hierarquia dos dados. a partir da década de 50, quando os primeiros dispositivos de computador foram utilizados em entidade, atributo e Chave de dados negócios para lidar com processamento de transações, elevando exponencialmente sua capacidade de Entidade, atributo e chave de dados são importantes processamento e armazenamento. conceitos na área de banco de dados. Os vários tipos de sistemas de informações incluem: entidade - é uma abstração que engloba pessoas, o sistema de processamento de transações, que é lugares ou coisas (objetos) para os quais os dados projetado para lidar com o volume de transações de são coletados, armazenados e mantidos (Stair, 2003). negócios mais comuns, isto é, problemas rotineiros Alguns exemplos de entidades são empregados, e bem estruturados, tais como a geração de folha clientes e estoques. de pagamento; o sistema de informação gerencial, que é concebido para atender o administrador na atributo - é uma característica descrita de uma tarefa de cumprimento de metas, provendo o mesmo entidade. Por exemplo, número de matrícula de um com relatórios consolidados; o sistema de suporte à empregado, último sobrenome, primeiro nome, data de decisão, que é empregado para dar apoio na solução de contratação e número do departamento, são atributos problemas específicos e auxiliar na tarefa de simulação da entidade empregado. e previsão de cenários futuros; e, por fim, o sistema de Chave de dados - é um campo utilizado para informação especialista, que é utilizado para fornecer identificar um registro. Uma chave primária identifica consultoria especializada aos tomadores de decisões. unicamente este registro. Nenhum outro registro pode Na Era do Conhecimento, a sociedade está cada vez mais dependente da Tecnologia de Informação. Neste sentido, são necessários especialistas em computadores, sistema de informações e de telecomunicações. O especialista em computadores necessita ter conhecimento sobre sistemas de computação e de como os computadores se relacionam. A formação em sistema de informação requer conhecimento sobre o uso dos dados, informações e estratégias de negócio. Um sistema de informação eficaz pode ser um diferencial competitivo valioso para uma organização. As empresas de todo mundo têm incorporado este bem intangível ao seu balanço patrimonial, pois o mesmo potencializa a segurança, permite a oferta de melhores serviços, incrementa eficiência e eficácia, reduz custos, aperfeiçoa mecanismos de controle e enriquece o processo de tomada de decisão. figura 7.6.2 - A hierarquia dos dados. 744 Cap_7.6_F.indd 2 9/12/2008 22:22:43 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações ter a mesma chave. A chave primária é a principal chave utilizada para distinguir registros. O número de matrícula de um empregado, por exemplo, é um bom candidato à chave primária. Se a chave identifica um conjunto de registros correlacionados, então, temos uma chave secundária. O último sobrenome e a data de contratação do empregado são exemplos de chaves secundárias. Em alguns casos, é necessário, para localizar registros mediante um critério específico de pesquisa, utilizar uma combinação de chaves secundárias. banco de dados figura 7.6.3 - Composição simplificada de um Banco de Uma visão mais simplista de um sistema de banco Dados. de dados é a de que ele corresponde a uma reunião de arquivos de toda a organização em algum tipo de Sistema de gerenciamento de banco de armazenamento magnético, sendo manipulado por dados um conjunto de programas. Tais programas efetuam operações de manutenção do banco de dados, A abordagem tradicional de gerenciamento de dados como adições, exclusões e atualizações de dados, está associada ao fato das organizações adotarem a realizam cálculo e regravação de informações mais prática de produzirem arquivos separados, associados elaboradas e, também, operações de pesquisas de a uma aplicação específica. Esta abordagem de informações mais complexas para os níveis gerenciais gerenciamento de dados, orientada para arquivos, de controle. traz os inconvenientes relacionados com redundância Em seu sentido básico, um banco de dados é, e integridade dos dados. simplesmente, um agrupamento de informações Em vista disso, surge a necessidade de adotar relacionadas, organizadas para fácil processamento e uma abordagem de banco de dados voltada para recuperação. Os dados reais, em um banco de dados, este gerenciamento, de modo a controlar o acesso são armazenados em tabelas, que são semelhantes compartilhado de programas aplicativos a um conjunto aos arquivos de acesso aleatório. Os dados, em uma de dados. A figura 7.6.4 ilustra a abordagem de tabela, são organizados em colunas e linhas. As linhas banco de dados (Stair, 1998). Os benefícios dessa contêm elementos de informações estruturados de abordagem estão relacionados com a redução da forma idêntica, equivalentes aos registros dos arquivos redundância, o aperfeiçoamento na consistência e de acesso aleatório. Uma coluna é uma coleção de integridade dos dados, maior facilidade de atualização valores, denominada campo. A figura 7.6.3 mostra da base de dados, padronização de acesso ao banco como funciona. de dados, entre outros. figura 7.6.4 - O enfoque de banco de dados ao gerenciamento de dados. 745 Cap_7.6_F.indd 3 9/12/2008 22:22:44 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas O gerenciamento de dados nessa abordagem banco de dados muito usual em empresas impõe a utilização de software adicional – um Sistema - Cliente (Idt_Cliente, Nome, Endereço, Cidade, de Gerenciamento de Banco de Dados (SGBD). O Estado, CEP, Telefone). SGBD consiste em um grupo de programas que pode ser utilizado como interface entre o banco de banco de dados de Poços dados e um usuário, ou, ainda, um banco de dados - Poço (Idt_Ponto, Idt_Município, Num_Meridiano, e um programa aplicativo. Assim, os programas de Num_Utmn, Num_Utme, ... mais campos...) aplicação/usuário não têm acesso aos dados do Banco A seguir, é mostrado o exemplo acima, estruturado de Dados diretamente. Todas as consultas passam em tabela: Ponto (Tabela principal). através do SGBD (figura 7.6.5). Este sistema gerenciador é um mecanismo para Idt_ Num_ Num_ Num_ manipular dados tabulares com comandos de alto Idt_Ponto Munícipio Meridiano Utmn Utme nível. O sistema gerenciador de banco de dados oculta detalhes de baixo nível, como o modo dos dados 2600000001 1468 39 8988392 706316 serem armazenados, e libera o programador para se concentrar no gerenciamento das informações, em 2600000002 1469 39 9067556 750376 vez de nos detalhes de manipulação de arquivos ou na manutenção de vínculos entre eles. 2600000003 1469 39 9053887 749072 Uma tentativa de inserção de um novo PONTO com o Idt_2600000002, por exemplo, representará uma violação ao projeto, pois idt_Ponto é uma chave primária e já existe um ponto com esse número. O Sgbd rejeitará uma transação como esta e deve acusar um erro de violação de integridade no Banco. 7.6.4 Sistema de informações sobre recursos Hídricos A Política Nacional de Recursos Hídricos instituída pela Lei no 9.433, em 08 de janeiro de 1997, representou um marco institucional na gestão dos recursos hídricos no Brasil. Os seus fundamentos consideram a água como um bem de domínio público, limitado e dotado figura 7.6.5 - Mecanismo de acesso a um Banco de de valor econômico, sendo que sua gestão deve ser Dados. descentralizada, participativa e utilizada de modo a proporcionar o seu uso múltiplo. Entre os instrumentos banco de dados relacional que compõem a Política Nacional de Recursos Hídricos, merece referência o Sistema de Informações O modelo de dados relacional é adequado a ser sobre Recursos Hídricos o qual, conceitualmente, se o modelo subjacente de um Sistema Gerenciador de constitui num conjunto de processos envolvendo a Banco de Dados (SGBD). Ele se baseia no princípio de coleta, consistência, armazenamento e recuperação que todos os dados estão guardados em tabelas (ou, de informações sobre recursos hídricos e fatores matematicamente falando, relações), sendo toda sua intervenientes na sua gestão. São princípios básicos definição teórica baseada na lógica de predicados e de funcionamento do Sistema de Informações sobre na teoria dos conjuntos. O modelo relacional permite Recursos Hídricos: ao projetista criar um modelo lógico consistente I - descentralização da obtenção e produção de da informação a ser armazenada. Este modelo dados e informações; lógico pode ser refinado através de um processo de normalização. Um banco de dados baseado II - coordenação unificada do sistema; e no modelo relacional necessita estar inteiramente III - acesso aos dados e informações garantido a normalizado. A normalização de banco de dados toda a sociedade. é, geralmente, realizada durante a etapa do projeto, para melhorar a consistência lógica e o desempenho O objetivo do citado sistema é reunir, dar consistência transacional. A seguir, é apresentado um exemplo de e difundir informações sobre recursos hídricos, bem estruturação de um banco de dados. Trata-se de um como atualizar informações sobre disponibilidade modelo simples de descrições de algumas entidades hídrica e subsidiar a elaboração dos planos de recursos e seus atributos. hídricos. 746 Cap_7.6_F.indd 4 9/12/2008 22:22:44 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações A elaboração de planos de recursos hídricos Uma abordagem importante a ser considerada no pressupõe a utilização de uma enorme quantidade desenvolvimento do Sistema de Informações sobre de dados e informações, que vai desde a informação Recursos Hídricos, é a abordagem integrada das geográfica geral, até os dados hidrológicos e informações que compõem as diversas fases do ciclo climatológicos, passando por toda a informação hidrológico (atmosférica, superficial e subterrânea), relativa ao uso da água (Cirilo et al., 2000). que se constitui num sistema fechado. Acresce-se A resolução dos problemas relacionados com os ainda, como fator crítico de sucesso, uma concepção recursos hídricos exige uma grande quantidade de de modelo e dicionário de dados padrão, de modo a dados da mais variada natureza. O estudo de diversas se tornar um sistema atrativo para diversos usuários, vertentes destes problemas pressupõe a coleta, facilitando o acesso e a troca de informações consistência, tratamento e análise de dados relativos ao hidrológicas entre as diversas instituições intervenientes meio ambiente, ecossistema, socioeconomia, uso da em recursos hídricos. água, infra-estrutura e até o ordenamento do território. Dentro dessa abordagem é que foi concebido e O tipo e natureza dos dados vão desde valores isolados desenvolvido o Sistema de Informações de Águas a séries temporais climatológicas e hidrológicas Subterrâneas – Siagas, pelo Serviço Geológico do ou informações de diversos temas geográficos. A Brasil - CPRM, o qual vem sendo utilizado pelos órgãos consistência desse enorme conjunto de dados exigiria gestores estaduais e intervenientes em recursos grande quantidade de recursos humanos, se fosse feita hídricos subterrâneos no Brasil. pelos métodos tradicionais. Por outro lado, para que o planejamento e a administração dos recursos hídricos sejam feitos 7.6.5 Sistema de informações de de forma racional e dinâmica, torna-se imperiosa a Águas Subterrâneas – Siagas existência de informações sistematizadas e, sobretudo, de sistemas que articulem informações de modo O Siagas tem como objetivo coletar, recuperar, a processá-las para dar subsídios às intervenções consistir, armazenar e difundir dados e informações, porventura necessárias, ou para dar suporte aos para dar suporte às atividades de pesquisas, sistemas de previsão e controle dos processos estudos, planejamento e gestão dos recursos hídricos hidrológicos (Cirilo et al., 2000). Nesse contexto, o subterrâneos. O sistema gerencia, atualmente controle da informação hídrica, nesses tempos de (2008), mais de 150.000 registros de poços tubulares globalização, é uma atividade vital para uma gestão armazenados na sua base de dados nacional. O Siagas eficaz dos recursos hídricos. interage facilmente na importação e exportação de Dentre as vantagens mais evidentes do uso de dados com os principais Sistemas de Informações sistema de informações em recursos hídricos, na Geográficas - SIGs, o que favorece a solução de concepção propugnada na referida Lei, destacam-se: muitos problemas de recursos hídricos que envolvem • gestão otimizada da informação coletada; a dimensão espacial (Ribeiro, 2008). Os requisitos relacionados com a normalização • transparência e clareza na troca de dados; do modelo de dados e a padronização do dicionário • eliminação da duplicação do trabalho; de dados tornam o Siagas uma ferramenta capaz • manutenção de base de dados permanentemente de manusear grande quantidade de dados com atualizada e de fácil acesso; agilidade e confiabilidade, sendo, atualmente, o • promoção de troca de informação e diálogo sistema adotado como referência na maioria dos interinstitucional; estados brasileiros. • integração de dados de diferentes áreas; e • promoção de análise multidisciplinar. modelo e estrutura de dados No Brasil, o fomento e a articulação para O modelo de dados do Siagas é relacional e desenvolvimento e implementação do Sistema de normalizado. A seguir, é apresentado um trecho de sua Informações sobre Recursos Hídricos está sob a estrutura de dados (figura 7.6.6), mostrando: responsabilidade de um órgão gestor federal, que tem • algumas tabelas, com os campos dessas tabelas; a incumbência de implementar os instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos, enquanto que • os relacionamentos entre as diversas tabelas; nos Estados, são as Secretarias Estaduais que atuam na • o tipo de relacionamento; gestão dos recursos hídricos que dispõem de atribuições • as chaves primárias e estrangeiras; e similares (maiores detalhes no capítulo 7.5). A natureza • nomes de tabelas e de campos dessas tabelas. federativa do Brasil exige uma grande articulação entre os diversos organismos que atuam na gestão das águas A estrutura das tabelas do modelo de dados é para evitar ações desencontradas e ineficazes, no campo constituída dos seguintes grupos de informações da geração e difusão de informações hidrológicas. sobre os poços: dados de localização; dados de 747 Cap_7.6_F.indd 5 9/12/2008 22:22:44 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas figura 7.6.6 - Apresentação parcial do modelo de dados do SIAGAS. identificação; dados de proprietário; dados de numa estrutura de tabelas SQL. O modelo conceitual cadastramento; dados hidrográficos; dados de do Siagas, apresentado na figura 7.6.7, tem as explotação; dados construtivos; dados de perfuração; seguintes características: dados de revestimento; dados de filtro; dados de • alimentação e consistência descentralizada de pré-filtro; dados de cimentação; dados de litologia; dados; dados de estratigrafia; dados de aqüíferos; dados de perfilagem; dados de testes de bombeamento; dados • acesso local para análise e interpretação dos de análises química e bacteriológica. dados; • coordenação e armazenamento em depósito central arquitetura de dados; e • consulta na web de forma hierarquizada. O Siagas possui uma arquitetura cliente-servidor. No lado do servidor, encontra-se uma base de dados Programas aplicativos SQL - Server que contém todos os dados alfanuméricos e geográficos. A utilização de um gerenciador SQL O Sistema de Informações de Água Subterrânea - para armazenar e gerenciar dados permite um controle Siagas é composto dos seguintes aplicativos: rigoroso e rápido das permissões de carga, alteração, • Módulo I - Entrada de Dados; exclusão e acesso, o que não seria possível para dados armazenados em arquivos ou em base de dados do • Módulo II - Consulta na Web; e tipo Access. Os dados alfanuméricos são armazenados • Módulo III - Análise e Interpretação de Dados. 748 Cap_7.6_F.indd 6 9/12/2008 22:22:44 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações na forma de tabelas e formulários gráficos e contém um módulo dinâmico de visualização de dados construtivos e litológicos do poço. Esse módulo permite que concomitantemente com a entrada dos dados no banco, haja a criação do perfil construtivo-litológico do poço, possibilitando a consistência do dado. Além disso, esse módulo pode gerar alguns relatórios padronizados. Nas figuras 7.6.8, 7.6.9 e 7.6.10, são apresentadas telas do aplicativo de entrada de dados, mostrando a inclusão de imagens (fotos), a inclusão de imagens de satélite e um perfil construtivo de um poço, e diversos formulários de entrada de dados, respectivamente. módulo ii - Consulta na Web O site de consulta na web permite ao usuário realizar pesquisas hierarquizadas e relacionais, simples figura 7.6.7 - Modelo conceitual do SIAGAS. e complexas, bem como selecionar áreas (estados, municípios, polígonos, bacias hidrográficas) para visualização espacial dos poços e das informações módulo i - entrada de dados vinculadas a eles, incluindo o perfil construtivo e litológico. Também permite a seleção de um número O módulo de entrada de dados é um aplicativo limitado de registros para download. de domínio público e uso irrestrito. Trata-se de uma As limitações de tecnologia da internet implicam ferramenta de ótima e fácil interface com o usuário, que as capacidades, rapidez de acesso aos dados, tendo em vista que adota uma metodologia padrão de facilidades de uso da pesquisas e geração de relatórios entrada e acesso aos dados para todos os formulários, sejam mais limitadas que as aplicações windows. As incluindo aí as teclas de navegação, fundamentais aplicações na Internet têm, no entanto, a vantagem de para alimentação da base de dados e formação da poderem ser utilizadas em qualquer lugar, sem exigirem Base Nacional de Poços. A entrada de dados é feita a instalação de qualquer tipo de software. figura 7.6.8 - Inclusão de uma imagem (fotografia). 749 Cap_7.6_F.indd 7 9/12/2008 22:22:46 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas figura 7.6.9 - tela mostrando a inclusão de uma imagem e o perfil construtivo de um poço. figura 7.6.10 - Interação do usuário com diversos formulários de entrada de dados. 750 Cap_7.6_F.indd 8 9/12/2008 22:22:53 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 7.6.11 - Acesso ao SIAGAS através da Home Page da CPRM - (www.cprm.gov.br). figura 7.6.12 - Pesquisa, seleção e visualização espacial dos poços, por estado, município, bacia hidrográfica ou por polígono definido por coordenadas geográficas ou UTM. 751 Cap_7.6_F.indd 9 9/12/2008 22:22:54 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas figura 7.6.13 - Pesquisas simples ou complexas. figura 7.6.14 - Pesquisa complexa. figura 7.6.15 - Pesquisa por estado e município. 752 Cap_7.6_F.indd 10 9/12/2008 22:22:56 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 7.6.16 - Mapa de visualização dos poços por pesquisa selecionada. analíticos e temporais de informações, construir seções geológicas e perfis de poços com as mais avançadas ferramentas gráficas disponíveis atualmente. Utilizando as características avançadas incorporadas em um único e robusto programa de computador, o usuário será capaz de gerenciar um banco de dados poderoso e flexível, imprimir diversos relatórios previamente formatados, construir ou modificar seus próprios relatórios, de acordo com figura 7.6.17 - Ferramentas de apoio ao ambiente de web. suas necessidades, e exportar dados para outros A existência de um navegador (browser) e de um formatos de banco de dados. ponto de acesso à internet são os requisitos exigidos Muitas das funcionalidades existentes neste programa para a sua utilização. Nas figuras 7.6.11 a 7.6.17, são estão disponíveis em outros softwares destinados a apresentados exemplos de algumas telas de consulta realizar tarefas específicas, como os SIGs, ferramentas do aplicativo. para criação de gráficos e cadastro de informações de águas subterrâneas em banco de dados, entre outras, sem, entretanto, existir uma completa interface de união módulo iii - análise e interpretação de dados entre eles. Esse programa utiliza um banco de dados O Módulo de Análise e Interpretação de Dados é relacional e normalizado que foi aprimorado a partir do um programa destinado ao gerenciamento de dados modelo de banco de dados desenvolvido pelo Serviço de águas subterrâneas. Ele reúne um conjunto de Geológico do Brasil - CPRM. Na remodelagem desse ferramentas para gerenciamento, análise e visualização banco de dados, foram incorporadas várias informações de dados, integrado com uma estrutura de banco compiladas de diversos bancos de dados, de agências e de dados projetada para armazenar este tipo de empresas nacionais e internacionais, visando obter uma informação. Utilizando esse módulo, o usuário será estrutura confiável e capaz de se adequar aos diversos capaz de fazer pesquisas avançadas no banco tipos de uso das informações. Nas figuras 7.6.18 a de dados do sistema, criar mapas temáticos para 7.6.24, são apresentadas algumas telas referentes a visualização de dados espaciais, elaborar gráficos pesquisas desse módulo. 753 Cap_7.6_F.indd 11 9/12/2008 22:22:58 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas figura 7.6.18 - Pesquisa com seleção de campos e critérios com a finalidade de exportação de dados para outros programas, incluindo a exportação para programas em ambiente SIG ou o uso, nesse programa, de funções de espacialização em ambiente de mapa. figura 7.6.19 - Resultado de uma pesquisa formulada. 754 Cap_7.6_F.indd 12 9/12/2008 22:23:05 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 7.6.20 - Ambiente de Mapas, com cruzamento de temas de camada Polígonos e camada Pontos (provenientes de uma pesquisa). figura 7.6.21 - Ambiente de Mapas com cruzamento de temas de camada Polígonos, camada Pontos (provenientes de uma pesquisa) e camada Mapa de Contorno. Para gerar um mapa de contorno, o usuário deverá definir um atributo númerico e, a partir dele, gerar o contorno. 755 Cap_7.6_F.indd 13 9/12/2008 22:23:10 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas figura 7.6.22 - Ambiente de Mapas - importação e georreferenciamento de imagem. figura 7.6.23 - Ambiente de seção geológica. 756 Cap_7.6_F.indd 14 9/12/2008 22:23:17 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações figura 7.6.24 - Geração de gráficos temáticos de evolução temporal. Além das consultas apresentadas, os resultados • a determinação e gravação automática no banco das pesquisas podem ser enviados diretamente para o de dados, da folha cartográfica em escala ambiente de relatórios com ótima qualidade, podendo 1:100.000; esse relatório ser impresso ou exportado para, por • o programa trabalha com várias caixas de opções, exemplo, um arquivo .pdf (Portable Document Format), com valores de entrada padronizados, baseados através de comandos do menu principal ou auxiliar. em definições de especialistas nas áreas de hidrogeologia e química; técnicas de Consistência de dados • o programa verifica as entradas de nível de água, As técnicas usuais de validação de dados referentes a testes de bombeamento e recuperação, incorporadas no Siagas têm como base os módulos e impede a entrada de dados repetidos; de Entrada de Dados e de Análise e Interpretação de • o programa respeita as regras de negócio do Banco Dados. O Módulo de Entrada de Dados dispõe de várias de Dados, impedindo violação de sua integridade. rotinas de validação de dados, destacando-se: A utilização do Módulo de Análise e Interpretação de • a recusa de pontos com coordenadas idênticas; Dados, permite o refinamento da consistência através • a transformação de coordenadas (de UTM para de vários tratamentos, como por exemplo: geográfica e geográfica decimal ou de geográfica • pesquisas hierarquizadas, com saídas tabulares, que para UTM e geográfica decimal); podem ser enviadas para ambiente SIG, podendo-se • a apresentação de poços já existentes no banco efetuar comparações com dados contidos no banco de dados, com proximidade menor ou igual a 100 de dados (figuras 7.6.18 e 7.6.19); m do novo poço que está sendo cadastrado, para • espacialização dos poços em mapas onde, averiguação de duplicidade pelo usuário; utilizando o ambiente SIG, pode ser verificado, • o balizamento entre as seções de perfuração e pelas coordenadas de cada ponto, se eles litologia, mantendo a seqüência de topo de uma pertencem às localidades indicadas durante a como base da outra; entrada de dados. Essa verificação é feita através • a averiguação das entradas de litologia com a do cruzamento de camadas (shapes), conforme profundidade máxima do poço; ilustrado na figura 7.6.20; • a averiguação das entradas de profundidade • geração de mapas de contorno, gráficos, mapas das seções de revestimento com a profundidade temáticos e seções transversais, dentro dos máxima do poço; ambientes SIG e gráfico através da associação • a correção, pelo usuário, de outros erros de de atributos numéricos, podendo-se verificar a construção do poço através da visualização do existência de distorções de dados ou informações perfil traçado pelo componente gráfico; (figuras 7.6.21 a 7.6.24). 757 Cap_7.6_F.indd 15 9/12/2008 22:23:20 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas 7.6.6 Siagas e a gestão das Águas 7.6.7 extração de Conhecimento em Subterrâneas base de dados - Processo Kdd O Siagas desponta como uma ferramenta de noções introdutórias elevada importância na gestão dos recursos hídricos, através da implementação dos instrumentos de gestão Os avanços da Tecnologia de Informação - TI inseridos nas políticas nacional e estaduais de recursos têm possibilitado o armazenamento de grandes e hídricos, em especial nos processos de outorga para múltiplas bases de dados. O surgimento da Internet, o uso da água subterrânea. gerenciadores de bancos de dados, ferramentas de Neste sentido é que o Conselho Nacional de mineração de dados e de redes digitais, são alguns Recursos Hídricos, através da Moção no 38/2006 exemplos de recursos utilizados na gestão de grandes recomendou a adoção do Siagas como base bases de dados. compartilhada para armazenagem, manuseio, Instituições de pesquisa e grandes corporações intercâmbio e difusão de informações sobre águas públicas e privadas já administram bases de dados subterrâneas no Brasil. O Serviço Geológico do Brasil, da ordem de centenas de terabytes de informações. por sua vez, vem mantendo, com os órgãos gestores Contudo, surge a seguinte questão: Como administrar estaduais, mecanismos institucionais de cooperação, tal volume de dados armazenado e extrair do banco de no sentido de adotar este sistema como padrão para dados informações úteis e de elevado valor agregado a alimentação da base de dados de poços. para as organizações? A conjugação dos recursos técnicos inseridos A análise de dados dessa ordem de grandeza não no Siagas e a administração de expressiva base é passível de ser feita pelo homem. Surge, então, a nacional de dados de poços tubulares credencia necessidade de ferramentas computacionais que essa ferramenta para uso em diversas aplicações no auxiliem na análise, interpretação e na construção de interesse público e privado. relacionamentos de dados, para que se desenvolvam O Siagas dispõe de recursos para inventariar estratégias de ação no contexto de cada aplicação. poços tubulares, incluindo o manuseio de dados Para atender esse novo contexto, surge uma quantitativos (profundidade, nível estático, vazão nova linha de pesquisa denominada extração de etc.) e qualitativos (condutividade elétrica, pH etc.). Conhecimento em bases de dados (Knowledge Além disso, conta com funções de pesquisa e de Discovery in Databases - KDD), mais popularmente, manipulação de informações espaciais que permitem conhecida como mineração de dados. produzir, de forma dinâmica, mapas temáticos, o que Nesse ponto, cabe destacar as diferenças e a possibilita uma estimativa rápida da profundidade, hierarquia entre dados, explorando melhor os conceitos do que seja dado, informação e conhecimento. quantidade e qualidade da água esperada em Dados são os fatos em sua forma primária. A uma determinada área. Todas essas informações informação é um conjunto de dados organizados que contribuem para a aplicação eficaz dos instrumentos adquirem valor adicional além do valor do fato em de gestão, bem como orienta o planejamento de si (Stair, 1998). O conhecimento, por sua vez, é um futuras perfurações de poços tubulares, levando em padrão ou conjunto de padrões cuja formulação pode conta as demandas das comunidades na sua base envolver e relacionar dados e informações (Golschmidt territorial (Ribeiro, 2008). & Passos, 2005). Uma das formas de representação A base de dados de poços organizada e do conhecimento é por meio de regras de produção. administrada pelo Siagas, segundo um modelo de Em geral, a tecnologia de informação tradicional não é banco de dados relacional, flexível e de fácil controle capaz de abstrair conhecimento de bases de dados. e um dicionário de dados padronizado, tem sido um Daí surge o Kdd como sendo um amplo conceito recurso valioso para apoiar as pesquisas e estudos de de procurar conhecimento em base de dados. Esta águas subterrâneas; produzir mapas hidrogeológicos pesquisa envolve a integração de diversas áreas do em diversas escalas; dar subsídio à gestão de recursos conhecimento, dentre as quais merecem destaque: hídricos subterrâneos e aumentar oferta hídrica, através de implantação de sistemas simplificados de • Estatística; abastecimento de água. • Data Warehousing; Além disso, o uso conjunto do Siagas com um • Reconhecimento de Padrões; Sistema de Informações Geográficas - SIG em recursos • Inteligência Computacional e Aprendizado de hídricos subterrâneos, através da superposição de Máquinas; e planos de informação, orientado por algum critério de negócio (por exemplo, poços de água doce, fonte de • Banco de Dados. energia, IDH do município, áreas de assentamento O KDD, sob a ótica do resultado, é definido etc.), fornece ao gestor um excelente suporte de apoio como sendo o processo de extração, não trivial, de à decisão. informação, implícita, previamente desconhecida e 758 Cap_7.6_F.indd 16 9/12/2008 22:23:20 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações potencialmente útil, a partir de dados armazenados A codificação dos dados é realizada de modo que em banco de dados. Também pode ser conceituado, eles fiquem em condições de serem usados como sob o ponto de vista do processo, como uma entrada dos algoritmos de reconhecimento de padrões. tarefa de descoberta de conhecimento intensivo, Esta é uma atividade criativa, que deve ser realizada consistindo de interações complexas, feitas ao longo diversas vezes para se obter a melhor solução. do tempo entre o homem e uma grande base de O enriquecimento dos dados consiste em buscar dados, possivelmente suportada por um conjunto mais informações que possam ser reunidas aos registros heterogêneo de ferramentas. existentes, aprimorando-os, para que estes contribuam O Kdd é, também, considerado como sendo no processo de descoberta de conhecimento. um processo composto de etapas operacionais de A etapa de mineração de dados, que alguns pré-processamento, mineração de dados e pós- autores consideram como sinônimo da extração processamento (Goldschmidt, & Passos, 2005). de Conhecimento em bases de dados, envolve a A etapa de pré-processamento refere-se à execução aplicação de algoritmos sobre os dados, na busca de de tarefas de captação, organização e tratamento de conhecimento implícitos e úteis. Na Mineração dos dados. A mineração dos dados representa a efetiva Dados são definidos técnicas e algoritmos a serem tarefa de extração de conhecimento útil no âmbito utilizados no problema em questão, tais como: da aplicação Kdd. O pós-processamento, algumas vezes dispensável, tem o objetivo de viabilizar a • Ferramenta de Consulta; avaliação da utilidade do conhecimento descoberto • Técnicas Estatísticas; (Goldschmidt, & Passos, 2005). • Visualização; A complexidade do processo de Kdd está • Processamento Analítico on-line (ferramenta diretamente associada à dificuldade em perceber e OLAP); interpretar adequadamente inúmeros fatos observáveis durante o processo e à dificuldade em conjugar • Árvores de Decisão; dinamicamente tais interpretações de forma a decidir • Redes Neurais; quais ações devem ser realizadas em cada caso • Regras de Associação; e (Goldschmidt & Passos, 2005). Ao analista humano • Algoritmo Genético. cabe a espinhosa tarefa de orientar o processo Kdd. O processo de descoberta de conhecimento A ferramenta de consulta representa o primeiro envolve seis estágios: passo no projeto de Mineração de Dados, sendo uma análise rústica do conjunto de dados, utilizando-se de • seleção de dados ferramenta tradicional de consulta, antes de aplicar • limpeza algoritmo de análise mais avançado, pois é necessário • enriquecimento conhecer alguns aspectos básicos e estruturais do • codificação conjunto de dados. Uma boa prática para iniciar o processo é extrair algumas informações estatísticas • data mining simples do conjunto de dados, as quais ajudam a • relatórios estabelecer procedimentos para o julgamento dos A primeira tarefa do Kdd é solicitar ao cliente que algoritmos de aprendizagem e do reconhecimento exponha o problema e o objetivo de forma bem clara. de padrões. As técnicas de visualização dos dados É importante saber com precisão para que se está representam métodos muito úteis para se conhecer a realizando a pesquisa e extração do conhecimento da qualidade do conjunto de dados e onde os padrões base de dados. As organizações passaram a utilizar- podem ser usados. Para se responder a várias se de duas categorias de banco de dados: o banco de consultas, com diversos tipos de relações, onde dados operacional, para atender operações normais, a análise multidimensional é necessária, é que se e o Data Warehouse, para dar suporte às decisões utiliza a ferramenta oLaP. Por sua vez, a árvore de estratégicas, ao prover uma sólida plataforma de decisão é uma técnica utilizada, de classificação, dados históricos integrados, a partir dos quais se onde se procura descobrir uma função que mapeie podem fazer análises. um conjunto de registros em um conjunto de A seleção dos dados é feita do banco de dados rótulos categóricos pré-definidos. As redes neurais operacional e para facilitar este processo, eles são artificiais são modelos matemáticos inspirados no copiados para um banco de dados separado ou princípio de funcionamento dos neurônios biológicos para o Data Warehouse. A “limpeza dos dados” é da estrutura do cérebro. Esses modelos simulam feita através de algoritmos com o objetivo de depurá- computacionalmente habilidades humanas, tais los. Abrange qualquer tratamento realizado sobre os como aprendizados, generalizações, associação dados selecionados, de forma a garantir a qualidade e abstração. Portanto, constitui um dos algoritmos (completude, veracidade e integridade) dos fatos por util izados nas tarefas do KDD. As regras de eles representados. associação são utilizadas para distinguir, na pesquisa 759 Cap_7.6_F.indd 17 9/12/2008 22:23:20 Capítulo 7.6 - Sistemas de Informações em Águas Subterrâneas do banco de dados, associação interessante dentre podem ser utilizadas em qualquer domínio da outras que não o são. Abrange a busca de itens que aplicação. Na área de recursos hídricos, pode ser freqüentemente ocorram em transações de banco utilizada, por exemplo, na aplicação de política de dados. Os algoritmos genéticos são técnicas públicas da área de água e saúde, observando as que procuram obter boas soluções para problemas associações entre a qualidade das águas utilizadas complexos. O processo é adaptativo, pois as soluções pelos usuários, na maioria dos casos geradora de existentes a cada instante influenciam a busca por doenças de veiculação hídrica, e o seu impacto nas futuras soluções (Goldschmidt & Passos, 2005). condições de saúde da população. A apresentação dos resultados do processo pode A demanda de aplicações nessa área vem ser feita através de relatório contendo descrição textual aumentando devido à intensificação da velocidade com das tendências ou através de gráficos que mostrem as que as bases de dados vêm aumentando de tamanho relações do modelo. e a carência de profissionais com conhecimento para As aplicações em Kdd ou Mineração de Dados atuar nessa área de conhecimento. São inúmeras as têm tido um crescimento acentuado nas mais diversas alternativas de aplicação do Kdd, desde a pesquisa áreas do conhecimento humano (figura 7.6.25). voltada para o desenvolvimento tecnológico até a sua Potencialmente, estas técnicas do conhecimento utilização em aplicações práticas. figura 7.6.25 - Processo esquemático para Mineração de Dados. referências PETROUTSOS, E. dominando o Visual basic 6 – “a Bíblia”. São Paulo: Makron Books, 2000. CIRILO, J. A.et al. Sistemas de informações sobre recursos Hídricos: o estado da arte. [S. l.]: Oficina RIBEIRO, J. A. O SIAGAS e a gestão dos Recursos PROÁGUA, 2000. Hídricos Subterrâneos. In: CONGRESSO BRASILEI- RO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 15; ENCONTRO CHU, S. Y. banco de dados - organização, sistemas NACIONAL DE PERFURADORES DE POÇOS 16, e administração. São Paulo, SP: Atlas, 1983. 2008, Natal, RN. anais... Natal, RN: ABAS, 2008, 1 DATE, C. J. an introduction to database systems. CD-ROOM a ser publicado. 7. ed. [S. l.] Addison Wesley, 1999. STAIR, M. R. Princípios de Sistemas de informa- GOLDSCHMIDT, R.; PASSOS, E. data mining - um ção: uma abordagem gerencial. Rio de Janeiro: Ed. guia prático. Rio de Janeiro: Ed. Campus, 2005. LTC, 1998. 451 p. LIMA, J. B. de. SiagaS: cartilha de orientação de WATERLOO HYDROGEOLOGIC INC. Visual Poços acesso a Web. Fortaleza: CPRM, 2005. Pro. Manual do Usuário. [S. l: s. n.] 2003. 760 Cap_7.6_F.indd 18 9/12/2008 22:23:20 apendices.indd 1 9/12/2008 20:34:00 apendices.indd 2 9/12/2008 20:34:00 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Apêndice A NOÇÕES DE CÁLCULO APLICADO João Manoel Filho A.1 Introdução Exemplo - dada a função: x - y Os elementos de cálculo de mais de uma f(x,y,z) = y - z variável apresentados neste apêndice são considerados pré-requisitos para o estudo nota-se que f(1,2,3)=1, porém f(3,2,2) não existe, dos aqüíferos e se destinam, sobretudo, aos leitores que pois isto levaria a uma divisão por zero. Assim, pretendem especializar-se em hidrogeologia. Trata-se de o domínio de uma função é o maior conjunto de fundamentos matemáticos básicos para a compreensão pontos para os quais a fórmula tem sentido. dos modelos de fluxo subterrâneo regional e para a Exemplo - o domínio da função: análise de dados de bombeamento de poços, visando a determinação de parâmetros hidráulicos dos aqüiferos. f(x,y) = 25 - x2 - y2 De fato, é através do conhecimento desses parâmetros 2 2 e dos modelos a eles ligados, que o hidrogeólogo é o conjunto D={(x,y):x +y 5} que é o disco pode estabelecer previsões sobre a quantidade da circular de raio 5 centrado na origem. Como a água subterrânea existente nos aqüíferos e sobre a função raiz quadrada não admite valores negativos, 2 2 quantidade de água que deles pode ser extraída, para o menor valor de 25 – x – y é zero, que ocorre aproveitamento pelo homem. Pode, ainda, identificar quando x 2+y2=25. O maior valor da função é plumas de contaminação, avaliar os riscos de sua √25 = 5 e acontece quando x = y = 0. Portanto, o evolução na água subterrânea e sugerir medidas contradomínio de f é o intervalo fechado [0,5]. adequadas de proteção de captações. Definição 2 - espaço n-dimensional ou Rn é o conjunto de todos os pontos (x1,...,xn), sendo x1,...,xn A.2 Funções de Duas ou mais números reais chamados coordenadas de (x1,...,xn). Para n=1 R1= R é a reta real, R2 é o plano xy (espaço Variáveis bidimensional) e R3 é o espaço tridimensional. Definição 1 - seja D um conjunto de pontos (xy) Definição 3 - função de n-variáveis x1,...,xn é uma regra no plano. Então, uma função de duas variáveis f(x,y) que associa a cada ponto (x1,...,xn) um único valor f(x1,...,xn) é uma regra que atribui a cada ponto (xy) em D um em um subconjunto D ⊂ Rn, chamado domínio de f. único número real f(x,y). O conjunto D é chamado Exemplo - em estatística, dados n números domínio de f. O número f(x,y) é o valor de f em (x,y). x ,...,x (chamados pontos ou valores amostrais), a As coordenadas do ponto são chamadas variáveis 1 nsua média é a função: independentes (ou argumentos de f). O conjunto {f(x,y):(x,y)∈D} de todos os valores assumidos 1 nx = ∑ x pela função ou variável dependente f é chamado n ii=1 contradomínio de f. Funções de duas ou mais e sua variância é a função: variáveis ocorrem em todas as situações em que os n valores de duas ou mais variáveis independentes s2 = 1∑(x 2i - x) determinam univocamente o valor de uma variável n i=1 dependente. Definição 4 (Gráfico de função) - dada uma função Exemplo - a área de um retângulo de comprimento z=f(x,y), chama-se gráfico de f ao gráfico da equação c e largura l é uma função que se escreve: z=f(x,y), representado pelo conjunto de todos os A = f(c,l) = cl pontos (x,y,z) em R 3 que satisfazem à equação. Isso (A.1) mostra que não se pode fazer o gráfico de uma função A área A é a variável dependente, enquanto que de três ou mais variáveis, já que isso envolveria, no o comprimento c e a largura l são as variáveis mínimo, quatro variáveis e só dispomos de um espaço independentes ou argumentos de f. de três dimensões. 763 Apêndice A_FFI.indd 1 9/12/2008 22:26:55 Apêndice A - Noções de Cálculo Aplicado Definição 5 - Curva de nível - denomina-se curva A.2 Limites e Continuidade (vizi- de nível de uma função z=f(x,y) de duas variáveis, à projeção no plano xy do conjunto de valores f(x,y) para nhança em um espaço de duas ou os quais o gráfico de f intercepta o plano horizontal z=c, mais dimensões) sendo c uma constante no contradomínio de f. Assim, a curva de nível correspondente a c tem equação: a) Em duas dimensões: seja P0=(a,b) um ponto fixo no plano-xy e d um número positivo. Seja f(x,y) = c (A.2) D={P=(x,y):|P0P|< d} o conjunto de pontos próximos Seja a função: de P0 a uma distância inferior a d. Em termos de   coordenadas, D é o conjunto de pontos (x,y) tais que: f(x,y) = -  4 25030 ln  2  2p 2 + 2  P0P = (x - a) + (y - b) 2 < d (A.3)  x y  ou seja, D é o interior do círculo de raio d, centrado em indicativa da distribuição de carga hidráulica em um (a,b) dado pela equação: ponto (x,y) de um aqüífero, nas imediações de um poço em bombeamento. As curvas de nível f(x,y) = c são (x - a)2 + (y - b)2 = d2 (A.4) chamadas curvas eqüipotenciais. Todos os pontos Uma região desse tipo é chamada uma vizinhança de uma mesma curva possuem o mesmo valor do ponto fixo P0=(a,b).(figura A.1). b) Em três dimensões: P0=(a,b,c) e P=(x,y,z) e o conjunto D é o interior da esfera de raio d, com centro em (a,b,c), chamada de vizinhança do ponto P0=(a,b,c) e definida pela equação: (x - a)2 + (y - b)2 + (z - c)2 = d2 (A.5) c) Em n-dimensões: a distância entre um ponto fixo P0=(a1,...,an) e um ponto genérico P=(x1,...,xn) no espaço n-dimensional é definida pela equação: P P = (x - a )2 + ... + (x - a )20 1 1 n n n (A.6) Figura A.1 - Eqüipotenciais. = ∑(xi - a 2i ) 1 No caso de funções de três variáveis da forma Nesse caso, uma vizinhança de P0 é o conjunto w = f(x,y,z), para cada valor fixo w = c o gráfico da de pontos P que satisfazem à desigualdade |P0| 3, esse fato não invalida a idéia conceitual vetor normal n=(1,-2,3). dessa generalização. Exercícios Propostos Vizinhança apagada: é uma vizinhança de um ponto fixo P0 que não inclui o próprio ponto. Ela é A.1) Achar o valor da função f(x,y,z)=lnx.y.z no ponto definida pela desigualdade: (e,1,1); 0 < P0P < d (A.8) A.2) Achar o valor da função f(x,y) = (senx/cosy) no ponto (p/3, p/3) Limite de uma Função de Várias Variáveis A.3) Descrever o domínio natural da função abaixo e e indicar o seu contradomínio: Seja f(P) uma função de várias variáveis definida 2 2 em uma vizinhança apagada de um ponto fixo P . Em z = 1- x - y 0termos de coordenadas, no espaço n-dimensional: A.4) Indicar o domínio e contradomínio da função z = y/x; P0 = (a1,...,an); P = (x1,...,xn); f(P) = f(x1,...,xn) A.5) Indicar o domínio e contradomínio da função z = Diz-se que f(P) aproxima o limite L quando P (1/x) + (1/y) aproxima P0 se, dado um número positivo (e>0) existe 764 Apêndice A_FFI.indd 2 9/12/2008 22:26:57 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações um outro número positivo (d>0) tal que a norma da Exemplo 1 - a função: diferença finita entre o valor da função e o limite L, 2 2 será sempre menor do que e, quando a distância x - yf(x,y) = (x2 + y2 ≠ 0) 2 2 (A.15)entre os pontos P0 e P for menor do que d. Ou seja: x + y |f(P)– L|< e sempre que 0<|P0P|0 o ponto (x,y,z) é uma Portanto: fonte ; se div F=0 então o fluxo F é dito incompressível e se div F<0 o ponto (x,y,z) é chamado sumidouro. z = f(x,y) = 16 - x2 - y2 (para x2+y2 ≤ 16) O rotacional ou curl representa a circulação, em um ponto (x,y,z) de alguma região W. Se curl F= 0, o fluxo é dito irrotacional.  ∂f 2  2 ∂f  Se F(x,y,z) é uma função escalar no R3, então o sec g =   +   + 1  ∂x   ∂y  gradiente de F é dado por: ∂f -x ∂f -y ∂F ∂F ∂F sendo: = ; = ∇F = i + j + k (A.125) ∂x 16 - x2 - y2 ∂y 16 - x2 - y2 ∂x dy ∂z Se F (função vetorial) é um campo vetorial no R3 x2 y2 16 - x2 - y2 dado por F(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k, sendo sec g = + + - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 P, Q e R funções diferenciáveis, então define-se: 16 x y 16 x y 16 x y Divergência de F: g = 16sec = 4 16 - x2 - y2 16 - ∂P ∂Q ∂Rx2 - y2 div F = ∇ •F = + + ∂ ∂ (A.126)x dy z A região R é o círculo centrado na origem com raio Rotacional ou curl de F: de 4 m. Portanto, em coordenadas polares 0 ≤ q ≤ 2p e 0 ≤ r ≤ 4 tem-se: i j k ∂ ∂ ∂ 2p 4  4  rotF = curlF = ∇ × F = massa = ∫∫r(x,y,z)ds = ∫ dq∫ (25 - r2 )  rdrdq ∂x ∂y ∂z S 0 0  16 - r2  P Q R (A.127) 4  = 4  massa 2p∫ (25 - r2 ) rdr  ∂R ∂QrotF = - i +  ∂P ∂R-   ∂Q ∂P     j +  -  k 0  16 - r2   ∂y ∂z   ∂z ∂x   ∂x ∂y  Fazendo 25−r2=9+16−r2 e 16−r2=u2 então rdr=−udu e a integral se torna: NOTA 0 Observe que o produto vetorial dos dois vetores considerados 4 massa = 2p∫(9 + u2 )    (-udu) é dado por um determinante (3 x 3) tendo na primeira linha os 4  u  vetores unitários dos eixos coordenados i, j, k; na segunda 0 4 1373p linha as componentes do primeiro vetor e na terceira linha as massa = -8p∫(9 + u2 )du = 8p∫ (9 + u2 )du = 3 componentes do segundo vetor.4 0 Teorema de Stokes (circulação) Exercícios Propostos Seja F(x,y,z)=P(x,y,z) i+Q(x,y,z) j+R(x,y,z)k A.23) Determine a área AS da superfície S,dada: continuamente diferenciável em uma região W no espaço a) S é a parte do plano x+y+z=6 no primeiro octante; que contenha uma superfície S gráfico da equação b) S é a parte da esfera x2+y2+z2=4 cortada no primeiro z=f(x,y) e seja C uma curva simples fechada percorrida octante pelo plano x+y+z=12. no sentido positivo (anti-horário). Então: A.24) Avaliar as integrais de superfície: ∫ F • Tds = ∫∫ curlF • nds (A.128) C S a) ∫∫ xyzds sendo S parte do plano x+y+z=1 no na qual T é o vetor tangente unitário à curva C no ponto S primeiro octante; (x,y,z) e n é o vetor normal que aponta para fora da superfície S no ponto (x,y,z). b) ∫∫ x2ds sendo S parte do cone x = y2 + z2 Se a curva C é parametrizada pelo vetor de posição S x(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k então pelo teorema A.8 (equação entre os planos x=0 e x=1. A.109): 786 Apêndice A_FFI.indd 24 9/12/2008 22:27:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações dx F • dx = T = ou dx = Tds (A.129) ∫ ∫∫ curl F • nds ds C S Já foi visto que curl F=3i+j+5k Logo, o teorema de Stokes pode ser escrito como: Os lados C1, C2 e C3 do triângulo estão no plano de circulação (que representa a superfície S) e ∫ F • dx = ∫∫ curl F • nds (A.130) correspondem (no sentido da circulação) aos C S vetores (figura A.37): Exemplo - use o teorema de Stokes para avaliar a circulação ao longo do círculo unitário no plano z=2, C1=-j+i = i-j; C2=-k+j = j-k e C3= -i+k = k-i. do campo de fluxo F=(z-2y)i+(3x-4y)j+(z+3y)k. Pelo teorema de Stokes, a circulação é dada por: ∫ F • dx = ∫∫ curl F • nds C S . Estando a curva C no plano z=2, a superfície S coincide com esse plano e tem-se n= k. Ou seja, g=0 e ds=secgdA=dA (figura A.36). Figura A.37 - Vetores C1, C2 e C3 no plano de circulação. O vetor normal ao plano da circulação é dado pelo produto vetorial de dois quaisquer desses vetores, Figura A.36 - Curva C no plano z=2 coincindente com a por exemplo C e C : superfície S. 1 2 i j k i j k N = (i - j) × (j - k) = 1 -1 0 = (1- 0)i + (0 + 1)j + (1+ 0)k = i + j + k 0 1 -1 ∂ ∂ ∂ curl F = ∂x ∂y ∂z O vetor unitário normal é dado por: P Q R N i + j + k n = =  ∂R ∂Q  ∂P ∂R  ∂Q ∂P N 3curl F =  -  i + - j + - k ∂y ∂z   ∂z ∂x   ∂x ∂y  1 9⇒ curl F • n = (3i + j + 5k)• (i + j + k) = = 3 3 3 3  ∂R ∂Q ∂ ∂  -  = (3 - 0) =  P - R3;   = (1- 0) = 1; ∂y ∂z   ∂z ∂x  A função que descreve o contorno C é o vetor de posição x(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k ou seja, x=f(x,y,z) e,  ∂Q ∂P  -  = (3 - (-2)) = 5 ⇒ curl F = 3i + j + 5k portanto:  ∂x ∂y  2  2∂f ∂f curl F • n = (3i + j + 5k)• (0i + 0j + 1k) = 5 sec g =    +   + 1 = 3 ∂x   ∂y  A circulação ∫∫ curl F • nds = ∫∫ 5ds . Em coorde- S S ⇒ F • dx = curl F • nds = curl F • nsec gdA nadas polares ds=dA=rdrdq. No círculo unitário ∫ ∫∫ ∫∫C S S 0 ≤ q ≤ 2p e 0 ≤r ≤ 1. Então: A área elementar dA=dxdy encontra-se na região 2p 1 2 1 R no plano xy onde passa o contorno C com r  1 ∫∫5ds = ∫ dq∫ rdr = 5(2p)  = 5p equação y=−x+1. Portanto, na região R, 0 ≤ x ≤ 1 S 0 0  2 0 e 0 ≤ y ≤ 1−x: 1 1-x Exemplo - avaliar a circulação do campo de fluxo curl F • nsec gdA = 3 3 3 dx dy F=(z-2y)i+(3x-4y)j+(z+3y)k do exemplo 1, ao longo ∫∫ ∫ ∫S 0 0 do contorno do triângulo que une os pontos (1,0,0), 1 1 2 1 (0,1,0) e (0,0,1). = 9∫ [y]1-x  x  9 0 dx = 9∫ (1- x)dx = 9 x -  =2 2 A circulação (Teorema de Stokes) é dada por: 0 0  0 787 Apêndice A_FFI.indd 25 9/12/2008 22:27:27 Apêndice A - Noções de Cálculo Aplicado TEOREMA DA DIVERGêNCIA (Fluxo) Em coordenadas polares dxdy=rdrdq, x=rcosq, x2+y2=r2: Seja W uma região sólida no R3 totalmente limitada por uma superfície diferenciável S e sejam: F um 2p 2 campo vetorial diferenciável e n um vetor unitário normal = ∫ ∫(4rcosq + 20)rdrdq orientado para fora de S. Então: 0 0 2p 2 ∫∫F • nds = ∫∫∫ divF dV (A.131) = 4 ∫ ∫(rcosq + 5)rdrdq S W 0 0 Observação 1 - a exemplo do teorema de Green que 2p r3 2 r2  transforma uma integral de linha em uma integral dupla, = 4 ∫  cosq + 5  dq o teorema da divergência transforma uma integral de 0  3 2 0 superfície em uma integral tripla. 2p  8  8 2p Observação 2 - Se F=Pi+Qj+Rk e sendo: = 4 ∫  cosq + 10dq = 4  senq + 10q 0  3  3   0 n = cosai + cosbj + cos gk = 4(20p) = 80p o teorema da divergência pode ser também escrito na forma: Exercícios Propostos ∫∫ (Pcosa + Qcosb + Rcos g )ds = ∫∫∫ divF dV (A.132) A.26) Calcule a divergência e o rotacional de S W F(x,y,z)=xyi+(z2-2y)j+coryzk. Exemplo - calcule o fluxo do vetor campo A.27) Calcule a divergência e o rotacional de F=x2i+2yj+4z2k através da superfície S do cilindro F(x,y,z)=yzi+xzj+xyk. x2+y2 ≤ 4 com 0 ≤ z ≤ 2 (figura A.38). A.28) O Laplaciano de uma função escalar diferenciável f(x,y,z), representado por ∇2f é definido por ∂2f ∂2 2∇2 = + f + ∂ ff ∂x2 ∂y2 ∂z2 Calcule o Laplaciano de f para as funções indicadas abaixo: a) f(x,y,z)=xyz b) f(x,y,z)=x2 + y2 + z2 1 c) f(x,y,z) = x2 + y2 + z2 A.29) Mostre que ∇2f=div(grad f) A.30) Calcule a divergência do campo tri-dimensional dado: Figura A.38 - Superfície S do cilindro. a) F=2xi+3yj-2zk b) F=xyzi+xyzj+xyzk Solução: A.31) Determine o curl do campo vetorial dado: divF=2x+2+8z a) F=xi+yj+zk b) F=xi+xyj+xyzk ∫∫F • nds = ∫∫∫ (2x + 2 + 8z)dxdydz S W 2 A.13 Equações Diferenciais Elemen- = ∫∫ dxdy∫ (2x + 2 + 8z)dz 2 2 tares e Problemas de Valor de x +y ≤4 0 2 Contorno 8z2  = ∫∫ 2xz + 2z +  dxdy  2  Equações diferenciais são relações matemáticas x2 +y2 ≤4 0 que envolvem quantidades (funções) conhecidas, = ∫∫ (4x + 4 + 16)dxdy desconhecidas e suas derivadas. Elas são muito x2 +y2 ≤4 importantes em hidrogeologia porque, quando = ∫∫ (4x + 20)dxdy associadas ao que se chama de condição inicial e x2 +y2 ≤4 condição de contorno, permitem solucionar problemas 788 Apêndice A_FFI.indd 26 9/12/2008 22:27:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações de fluxo em um domínio de um meio poroso. Um exemplo dy de equação diferencial é a segunda lei de Newton: = f(x) (A.137) dx d2x =  dx(t)m F  2 t,x(t),  (A.133) Neste caso, procura-se uma função y cuja derivada dt  dt  seja f, isto é, procura-se a antiderivada de f representada, x para a posição x(t) de uma partícula que se desloca, em em relação a um parâmetro t, pela notação ∫ f(t)dt. Isto x um domínio unidimensional, sob o efeito de uma força significa que y=F(x)=∫ f(t)dt é um representante particular F, que pode ser uma função do tempo t, da posição x(t) da classe de funções cujas derivadas são iguais a f. e da velocidade dx(t)/dt. Para avaliar o movimento da Todos os membros dessa classe estão incluídos na partícula, é preciso determinar a função x, que satisfaz expressão F(x)+c, na qual c é uma constante arbitrária. a equação (A.133). Diz-se, então, que y=F(x)=∫ x f(t)dt+c é uma solução geral da equação (A.135). Classificação Exemplo - seja f(x)=senx então: Equação diferencial ordinária - é uma equação dy = senx e y = senxdx = -cos x + c diferencial que só envolve derivadas de funções de dx ∫ uma variável, como é o caso da equação (A.133). é a solução geral da equação, na qual c é uma Equação diferencial parcial é uma equação constante arbitrária. diferencial que contém derivadas parciais, de funções Problema de Valor Inicial - é uma equação de duas ou mais variáveis, como, por exemplo, a diferencial junto com uma condição inicial, isto é, equação de Laplace para a distribuição da carga com um valor da função, dado em um instante potenciométrica f(x,y) em um campo bidimensional inicial, geralmente considerado t=0. A condição estacionário. inicial descreve o estado inicial da função (variável ∂2f(x,y) ∂2f(x,y) dependente) no domínio em estudo.+ = 0 2 2 (A.134)∂x ∂y Exemplo 2 - Seja y a descarga de uma fonte de encosta e suponha que y decresce com o tempo a Ordem - a ordem de uma equação diferencial é uma taxa proporcional ao seu valor atual. Isto é, se a ordem da derivada de maior ordem que aparece y(t) é a descarga no tempo t, então : na equação. As equações (A.133) e (A.134) são de dy segunda ordem. = -ay(t) (A.138)dt Outros exemplos são: A equação (A.138) descreve a depleção ou decaimento exponencial da fonte, caracterizado pelo dy i) = 3x (primeira ordem) valor da constante de proporcionalidade a<0. Essa dx mesma equação, com a>0 poderia representar, por exemplo, um crescimento exponencial de uma dada  dy 4 população. Para que este seja considerado um problema ii)   - 2e y = 6cos x (primeira ordem) dx de valor inicial, é preciso definir a condição inicial, ou seja,   conhecer o valor da função y no início do processo (t=0). Seja então, y(0)=10 L/s. Nesse ponto convém perguntar: d3iii) y + dy - 6y = x (primeira ordem) por que transformar a equação (A.138) em um problema dt3 dt de valor inicial? Resposta: porque a equação (A.138) possui um número infinito de soluções e, em si mesma, Solução - admite-se que é sempre possível nada informa sobre o problema específico que se deseja solucionar uma dada equação diferencial ordinária para solucionar. Dada a condição inicial, fica perfeitamente a derivada de ordem mais alta, obtendo: definido um problema de valor inicial, do qual é possível (n) (n-1) obter uma solução única, chamada solução particular, y = f(x,y,y′,y′′,...,y ) (A.135) ou seja, aquela que nos interessa. Então, uma solução da equação (A.135) em um Problema de Valor de Contorno - existem outros intervalo a < x < b é uma função y=F(x) tal que F’, tipos de problemas nos quais, além da condição inicial, F’’,..., F(n) existem e satisfazem: é necessário indicar outras condições. Considere, por exemplo, em um aqüífero, dois poços afastados F(n)(x) = f x,F(x),F′(x),...,F (n-1)(x) (A.136) de uma distância de 10 m, nos quais foram medidas cargas h1=45,7 m e h2=45,2 m. Seja f(x,t) a carga O tipo mais simples de equação diferencial de potenciométrica a uma distância x do primeiro poço ao primeira ordem ocorre quando a função f considerada longo da linha que une os dois poços e em um instante depende apenas de uma variável x. Isto é: t, sendo 0 ≤ x ≤ 10 (figura A.39). 789 Apêndice A_FFI.indd 27 9/12/2008 22:27:27 Apêndice A - Noções de Cálculo Aplicado d2y y - dy = x dx2 dx Figura A.39 dy senxy + cos1+  3 4  = x y Como os dois poços situam-se nos extremos do  dx  domínio unidimensional considerado e neles as cargas são conhecidas, temos as condições: Equações de Primeira Ordem - Método de f(0,t) = h1 = 45,7 m e f(10,t) = h = 45,2 m Separação de Variáveis 2 (A.139) para todo t ≥ 0. Considere a equação de primeira ordem: As condições da equação (A.139) são chamadas dy condições de contorno. Demonstra-se que a equação = f(x,y) (A.144)dx diferencial que governa o movimento da água subterrânea no referido domínio é: Suponha que f(x,y) pode ser escrita como: g(x) d2f df f(x,y) = D = (A.140) (A.145) dx2 h(y) dt sendo g e h funções de apenas uma variável. Então sendo D uma constante positiva chamada difusividade. (A.144) pode ser escrita: A equação (A.140) é chamada equação da difusão. Então, o conjunto representado pelas equações (A.141) dyh(y) = g(x) (A.146) e (A.140) nessa ordem, é chamado um problema de dx valor de contorno. Após integração de ambos os membros em Equação Linear - uma equação diferencial de relação a x: ordem-n é linear se ela pode ser escrita na forma: dy h(y)dy = h(y) dx = g(x)dx + C (A.147) d(n)y d(n-1) ∫ ∫ y dy dx ∫ + an-1(x) - + ... + a1(x) + a0(x)y = f(x) (A.141)dxn dxn 1 dx Exemplo 3 –Solucione o problema de valor inicial Uma equação de primeira ordem tem a forma: dy = ay , y(x dx 0 ) = y0 dy + a(x)y = f(x) (A.142) dx Solução: Separando as variáveis e uma equação de segunda ordem se escreve: 1 dy = a 1 dy ou dx = adx ⇒ dy = adx 2 y dx y dx yd y + dya1(x) + a0(x)y = f(x) (A.143) dx2 dx dy∫ = ∫ adx e ln y = ax + C ⇒ y = eax+C = eaxeCy Uma equação que não é linear é dita não linear. que pode ser escrita y(x)=keax. Mas, y(x0)=ke ax0=y Equações diferenciais lineares: 0e, portanto, a constante k=y(x )e-ax00 conduz à dy - = solução única: 3y 0 dx y(x) = y(x )ea(x-x0 )0 (A.148) d2y + 4y = senx dx2 Dica - como já mencionado, a função y expressa crescimento exponencial quando a > 0 e decaimento d3y - d 2y 6x + 7y = x5 exponencial, quando a < 0. dx3 dx2 Quando x0=0 na equação (A.148) obtém-se a d2y dy solução única: 6 + 7x + 8y = x5 dx2 dx y(x) = y e(ax) (A.149) 0 Equações diferenciais não lineares: Exemplo - a vazão de uma fonte está decrescendo dy - 3y2 = 0 durante um período de estiagem, a uma taxa dx a=0,0032 [1/dia]. A vazão medida no início do 2 período é igual a 100 L/s. Qual será a descarga d y + y = 0 prevista após 6 meses de estiagem (180 dias), dx2 sem recarga? 790 Apêndice A_FFI.indd 28 9/12/2008 22:27:27 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Solução: Como a descarga é decrescente, o Sendo Mt=0,4, a idade aproximada do fóssil problema de valor inicial é: será: dy = -adt , y (t0 ) = y 1 M0 = 100 t = ln 0 5580 1y = ln ≅ 7376 anos.a Mt ln2 0,4 e a solução é: y(t) = y(t )e-a(t-t0 ) ou Exercícios Propostos0 -0,0032((180-0) (-0,0032×180) A.32) Achar a solução geral das seguintes equações de y = y0e = 100e = 56,2 L/s primeira ordem: Exemplo (Datação de carbono) - datação de a) y′ + ay = b carbono é uma técnica usada por geólogos, arqueólogos e outros, para estimar a idade de fósseis b) y′ - xy = x e de objetos descobertos. A técnica é baseada em 2 certas propriedades do átomo de carbono (capítulo c) y′ + 2y = x 4.3). No seu estado natural, o núcleo do átomo de A.33) Achar a solução do problema de valor inicial carbono 12C tem 6 prótons e 6 nêutrons. Um isótopo dado do carbono 12C é o carbono 14C, que apresenta dois nêutrons adicionais em seu núcleo. O carbono 14C a) y′ + 3y = 4, y(0) = 2 é radioativo. Isto é, ele emite nêutrons até alcançar o estágio estável 12C. A experiência indica que a b) y′ - y = exp(2x), y(1) = 0 razão 14C/12C é aproximadamente constante na atmosfera porque apesar da perda de 14C por decaimento radioativo, o bombardeamento cósmico Referências do nitrogênio nas camadas superiores da atmosfera produz constantemente novo 14C. Os seres vivos GROSSMAN, S. I. Multivariable calculus, linear (plantas e animais) utilizam 12C e 14C sem distinção, algebra, and differential equations. 2nd ed. Or- de maneira que por ocasião da morte, a razão lando: Academic Press, 1986. 876 p. 14C/12C no organismo é a mesma da atmosfera. Após a morte, a razão 14C/12C passa a variar porque SILVERMAN, R. A. Calculus with analytic geometry. 14C é convertido em 12C sem que novo 14C seja Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1985. 970 p. absorvido. Foi observado que 14C se reduz a uma taxa proporcional à sua massa e que a sua meia- vida é aproximadamente 5.580 anos. Ou seja, se uma substância tivesse início com 1 g de 14C, então 5580 anos depois ela teria 0,5 g de 14C e 0,5g de 12C, devido à conversão de 14C em 12C. Assim sendo, responda: se a massa de 14C em um fóssil descoberto corresponde a 40% da massa total de carbono nele encontrada, qual é a idade aproximada do fóssil ? Solução: como o 14C do fóssil sofre um decaimento radioativo proporcional à sua massa M(t), então: dM = -aM dt e pode-se escrever, por analogia com a equação (A.147), M(t)=M(t0)exp[-a(t-t0)]. Quando t0=0, M(0)=M0; quando t=5580, M(5580)=0,5M0 pois em 5580 anos metade do 14C é convertida em 12C. Mas, Mt=M0exp(-at) indica que a idade do fóssil depende da taxa de decaimento radioativo, que é deduzida da seguinte maneira: M t = e(-at) M → - at = ln t M0 M0 M a 1 0 = 1 1 = ln2 = ln ln t Mt 5580 0,5 5580 791 Apêndice A_FFI.indd 29 9/12/2008 22:27:27 Untitled-2 1 9/12/2008 20:49:42 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Apêndice B NOÇÕES DE GEOESTATÍSTICA APLICADA João Manoel Filho B.1 Introdução Chuva Chuva Chuva Ano Ano (mm) (mm) Ano (mm) Neste apêndice apresenta-se uma introdução 1963 2648 1973 2953 1983 1872à análise estatística e geoestatística de amostras de dados que possuem uma 1964 3175 1974 2524 1984 2831 posição geográfica e pelo menos um valor observado. 1965 2436 1975 2171 1985 2416 É o caso de muitos dados geológicos, hidrogeológicos 1966 3089 1976 2225 1986 2760 e ambientais em geral. A análise consiste em avaliar e 1967 2205 1977 2331 1987 1865 interpretar o comportamento ou tendência dos valores 1968 1418 1978 2742 1988 1972 dos dados existentes em uma certa área de estudo, com o objetivo de prever ou estimar valores em locais ainda 1969 2015 1979 2096 1989 2392 sem dados. Essa previsão é geralmente feita através de 1970 2869 1980 2358 1990 2299 um “modelo” que depende de parâmetros de ajuste. 1971 2196 1981 1654 1991 1886 Os dados observados ou registrados não são exatos 1972 2061 1982 2237 1992 1951 e estão sujeitos a erros de medida. Por este motivo, mesmo quando o modelo é exato, o que se obtém com Tabela B.1 - Chuvas anuais no Recife - PE. o ajuste do modelo é sempre uma estimativa. Para ser realmente útil um ajuste precisa fornecer: i) parâmetros; classe é chamado freqüência absoluta. Somando-se ii) estimativas de erro dos parâmetros; iii) testes da progressivamente os valores da freqüência absoluta, qualidade do ajuste (ex. chi-quadrado, Kolmogorov- obtém-se a freqüência acumulada. A razão entre a Smirnov). Em muitas situações práticas, a análise não freqüência e o número total de valores da amostra vai além da avaliação dos parâmetros e é considerada é a freqüência relativa, que pode ser expressa como suficiente ou “satisfatória” quando um gráfico dos porcentagem (tabela B.2). dados e do modelo apresenta uma “boa” concordância. A informação apresentada na tabela B.2 também Convém, todavia, assinalar que os testes de hipóteses é comumente mostrada sob a forma de um gráfico de são muito importantes, na medida em que fornecem o barras ou histograma (figura B.1), no qual a altura de nível de risco que se corre ao tomar uma decisão. cada barra é proporcional ao número de valores dentro de cada classe. Na figura B.2 se vê o histograma B.2 Descrição Univariada acumulado. A análise estatística univariada de um conjunto de Intervalo ou Freqüência Porc. Freqüência Porc. dados de uma variável, suposta aleatória, xi(i=1,2,...,n), classe absoluta (%) acumulada (%) envolve três etapas: a) elaboração de tabelas de 1320 0, tem o trecho de decaimento mais longo em direção aos maiores valores, enquanto que uma assimetria negativa, g < 0, tem o trecho de decaimento mais longo em direção aos menores valores. Para os dados de chuva que estão sendo utilizados, o coeficiente de assimetria é igual a 0,158 e pode ser Figura B.4 - Quartis de um gráfico de probabilidade considerado muito pequeno e praticamente desprezível normal. ou seja, a distribuição é considerada simétrica. Coeficiente de Variação - o coeficiente de variação é uma estatística geralmente usada como alternativa Medidas de Espalhamento ou Variabilidade para descrever a forma da distribuição, particularmente quando se tratam de valores positivos e com assimetria Variância - é a diferença média quadrática entre os positiva. É expresso pela razão entre o desvio padrão valores observados e a média dos mesmos ou, ainda, e a média: o desvio médio quadrático entre os valores observados σ e a sua média, sendo expressa por: CV = (B.7)x n 2 σ2 = 1∑(x − x ) (B.4) O valor encontrado para os dados de chuva foi de n ii=1 0,183. Ele é muito pequeno e reflete o fato de ser o histograma praticamente simétrico. Um valor de CV>1, O valor da variância dos dados de chuva do 2 indica a presença de valores erráticos muito altos e que exemplo em estudo é de 180.039 mm . podem influenciar as estimativas. Desvio Padrão - o desvio padrão s, é simplesmente a raiz quadrada da variância, que, no caso, é igual a Ajuste de Leis de Distribuição de Proba- 424 mm. É geralmente mais usado do que a variância, pois apresenta as mesmas unidades da variável que bilidade descreve. O conjunto de dados em análise representa uma Intervalo Interquartil - expresso por IQI, é a pequena amostra de uma população que se admite diferença entre o quartil superior e o quartil inferior, ser muito grande. Admite-se, ainda, que os dados ou seja: correspondem a valores corretos nos pontos em que foram coletados e que podem ser reproduzidos de IQI = Q3 −Q1 (B.5) uma forma aleatória e independente da população. O 795 Apêndice B_FFI.indd 3 9/12/2008 22:30:10 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada que se pretende é usar esses dados para prever o que se poderia esperar se fosse possível dispor de toda a população. Com os valores disponíveis, discretos por natureza, isto é, em quantidade finita, limitada a um certo número n, chamado de tamanho da amostra, parte-se para inferir o comportamento da população, de tamanho teoricamente infinito, usando para isso a forma do histograma. Quanto maior for o tamanho da amostra, mais estreitos podem ser os intervalos ou classes dos valores no histograma. Assim, para toda a população o histograma se transforma em uma curva contínua conhecida como distribuição de probabilidade ou função de densidade de probabilidade (figura B.5). Figura B.6 - Histograma acumulado e distribuição de probabilidade. Existem muitas outras leis de distribuição. A distribuição normal é a mais desejável porque fica perfeitamente definida pelos parâmetros média e desvio padrão, apresentando sempre a mesma forma simétrica em relação ao valor médio. Testes de Hipóteses Em relação às figuras B.5 e B.6, concluiu-se de maneira subjetiva que os dados de chuva analisados se ajustam a uma distribuição normal. Em muitas situações, não se sabe até que ponto é possível afirmar Figura B.5 - Histograma e função de densidade de que uma amostra de dados pode ser representada probabilidade ou distribuição de probabilidade. ou não por uma função de distribuição específica com parâmetros específicos. Um método sistemático A área sob a curva da função de densidade de para responder a essa questão é o chamado teste de probabilidade - a totalidade da população - é igual a 1 hipóteses, que compreende 6 (seis) etapas: ou 100%, já que ela inclui todas as possibilidades. Em 1. declaração de duas hipóteses, em termos dos termos estatísticos, o modelo ou lei mais simples de parâmetros da população: i) hipótese nula, uma distribuição de probabilidade é conhecido como representada por H0, que é uma declaração de distribuição Normal ou Gaussiana. A lei ajustada igualdade.; ii) hipótese alternativa, representada aos dados de chuva exibidos no histograma e no por H , que é uma declaração de desigualdade; histograma acumulado é uma distribuição normal, com A média x = 2321 mm e desvio padrão s = 424 mm. As 2. identificação do teste estatístico, isto é, para cada curvas correspondentes às funções f(x), de densidade tipo de teste (seja teste de média, de desvio padrão de probabilidade normal (figura B.5) e F(x), de ou de distribuição de probabilidade), existe um distribuição normal acumulada (figura B.6), são dadas, teorema específico que indica o teste estatístico, a sua respectivamente, pelas equações: distribuição, seus parâmetros e a regra de decisão a ser usada para testar as hipóteses da etapa 1;  = 1 − 1  x − x 2  f(x) exp     − ∞ < x < ∞ (B.8) 3. especificação do nível de significância, isto é, o σ 2π  2  σ   risco da decisão. Representado por a, esse nível de significância indica a probabilidade de erro ou o 1 ∞ z² F(z) =  ∫ exp − dz (B.9) risco que se corre ao aceitar o resultado observado σ 2π  2  como representativo da população. Em geral, −∞ usam-se níveis a de 0,05 e 0,01; Para a média e desvio padrão da amostra, a variável normal reduzida z, pode ser calculada 4. cálculo do valor amostral do teste estatístico; usando a equação (B.10). 5. cálculo do valor crítico do teste estatístico; = x − µz (B.10) 6. escolha da hipótese, comparando o valor amostral σ e o valor crítico do teste estatístico. 796 Apêndice B_FFI.indd 4 9/12/2008 22:30:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Teste Kolmogorov-Smirnov de uma Amostra P F(P) F(P) f(p) F(P) F(z) −F(z) (mm) Este é um exemplo de teste de hipótese que permite n n avaliar se a distribuição de freqüência acumulada 1400 0 0 0 0,0497 0,0497 de uma variável se ajusta a uma certa função de 1500 1 1 0,0333 0,0702 0,0368 distribuição de probabilidade. No caso, pretende-se 1600 0 1 0,0333 0,0966 0,0633 verificar se a distribuição normal é a esperada. O teste, 1700 1 2 0,0666 0,1298 0,0631 ilustrado na tabela B.3, é feito usando um intervalo de 1800 0 2 0,0666 0,1700 0,1034 100 mm. Define-se f(P) como a freqüência absoluta 1900 3 5 0,1666 0,2175 0,0509 e F(P) como a freqüência acumulada, que dividida 2000 2 7 0,2333 0,2719 0,0386 pelo tamanho n da amostra fornece a distribuição 2100 3 10 0,3333 0,3323 0,0010 acumulada da freqüência observada. 2200 2 12 0,4000 0,3973 0,0026 As probabilidades F(z) correspondentes, que no passado costumavam ser obtidas de tabelas da 2300 4 16 0,5333 0,4654 0,0678 função de distribuição normal (equação B.9) hoje se 2400 3 19 0,6333 0,5345 0,0987 encontram mais facilmente disponíveis em programas 2500 2 21 0,7000 0,6026 0,0973 de computador. A estatística do teste Kolmogorov- 2600 1 22 0,7333 0,6676 0,0656 Smirnov, definida como D, é a maior diferença 2700 1 23 0,7666 0,7280 0,0386 absoluta entre os valores da distribuição acumulada da 2800 2 25 0,8333 0,7824 0,0509 freqüência observada e a distribuição acumulada de 2900 2 27 0,9000 0,8299 0,0700 probabilidade esperada. Na tabela (B.3), D é o máximo 3000 1 28 0,9333 0,8708 0,0631 valor absoluto da diferença entre as colunas 4 e 5, que 3100 1 29 0,9666 0,9033 0,0633 no caso é igual a 0,1034. 3200 1 30 1,0000 0,9297 0,0702 No caso, a aceitação ou rejeição da hipótese H0 3300 0 30 1,0000 0,9502 0,0497 (de que a distribuição é normal ) depende do resultado da comparação entre os valores de D, chamado valor Tabela B.3 - Teste Kolmogorov-Smirnov dos dados de chuva amostral do teste, e Da, chamado de valor crítico, para uma população Normal com média 2321 mm e desvio função do nível de significância a e do tamanho n da padrão 424 mm. amostra, fornecido pela tabela B.4. Se D>Da, a hipótese HA é aceita. Caso contrário, Intervalos de Confiança aceita-se H0. No exemplo apresentado, com n=30, os valores de Da, para os três níveis de significância Já foi dito que a média e o desvio padrão são considerados na tabela B.4, são maiores do que D. suficientes para descrever a distribuição normal. Portanto, sendo D35 n n n Tabela B.4 - Valores críticos Da da estatística do teste Kolmogorov-Smirnov de uma amostra, em função do tamanho da amostra e do nível de significância a (JASA apud McCuen & Snyder,1986). 797 Apêndice B_FFI.indd 5 9/12/2008 22:30:10 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada e desvios padrão. Os intervalos dentro dos quais se Além de fornecer uma visualização qualitativa do espera que estejam, com uma certa probabilidade relacionamento entre as duas variáveis, esse gráfico g, os parâmetros representativos da população, são chama a atenção para pontos aberrantes ou anômalos. chamados de intervalos de confiança. Por exemplo, a figura B.7 é uma representação gráfica O cálculo do intervalo de confiança da média dos dados apresentados na tabela B.5, que constitui x de uma amostra de tamanho n com um nível de uma amostra de 39 valores na qual a variável x é um significância a=1-g é feito usando a expressão: índice pluviométrico e a variável y é uma lâmina de σ escoamento anual. CONFg% = x  t(n −1,α) (B.11) Nota-se a existência de alguns pontos mais n afastados da linha central de tendência da nuvem. na qual s é o desvio padrão e t(n-1, a) é o valor da Não obstante, observa-se claramente que os maiores distribuição t de Student, com n - 1 graus de liberdade valores de x tendem a associar-se aos maiores valores e nível de significância a. Por exemplo, para as chuvas de y e que os menores valores de x tendem a associar- em estudo, tem-se: se aos menores valores de y. A tendência da linha imaginária que passa pelo centro da nuvem de pontos n x s g t(n − α × σ 1, ) CONFg% parece ser crescente e não linear. Em geral é preciso n 95 2,04 ×77,47=158 2163 ≤ m ≤ 2479 30 2341 424 99 2,76 ×77,47=213 2107 ≤ m ≤ 2535 Portanto, a média da população, com 95% de probabilidade, encontra-se no intervalo de 2321 ± 158 mm. Com 99% de probabilidade, ou seja, com um risco de apenas 1% de erro, a média da população fica no intervalo de 2341 ± 213 mm. B.4 Descrição Bivariada A análise de conjuntos de dados que incluem mais de uma variável é feita usando os chamados métodos multivariados. No caso de duas variáveis, tem-se o modelo ou descrição bivariada. A descrição bivariada torna-se necessária quando se deseja avaliar relações e dependências entre duas variáveis. Esse tipo de problema é muito freqüente na engenharia e na geologia. Ele é expresso através de um modelo que relaciona uma Figura B.7 - Gráfico de distribuição dos valores do índice variável dependente ou variável critério y a uma pluviométrico anual e da lâmina escoada na bacia hidrográfica do rio Carius – CE. (dados de Dubreuil et al., 1967). única variável independente ou variável influente x. Admite-se que x exerce uma influência sobre y e a forma mais simples de caracterizar essa influência é Ip L0 Ip L0 Ip L0 através de uma regressão linear, que é, geralmente, (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) expressa através da equação ou modelo linear: 162 4.8 574 50 438 116 ŷ = b0 + b1x (B.12) 503 70 386 36 477 117 836 220 548 68 510 114 Na equação (B.12), b0 é o coeficiente linear 317 27 266 8 700 61 chamado de ordenada na origem, porque ele é 760 164 284 17 529 214 igual ao valor de y quando x=0, e b é o coeficiente 871 252 168 7 287 301 angular. Esses parâmetros, b e b , são chamados 295 30 317 7.6 400 320 1 coeficientes de regressão, porque eles são 449 36 621 91 447 37 obtidos de uma análise de regressão. 595 74 435 61 836 189 415 41 122 1.4 461 83 Gráficos x-y 212 4.2 457 50 385 25 421 37 508 43 560 189 Uma representação gráfica, com a variável x no 207 12.6 630 99 463 21 eixo das abcissas e a variável y no eixo das ordenadas Tabela B.5 - Valores do índice pluviométrico e da lâmina é um dos procedimentos mais comuns usados na escoada na bacia do rio Carius/CE, usados para ilustrar as análise de eventuais relações entre duas variáveis. relações entre duas variáveis. 798 Apêndice B_FFI.indd 6 9/12/2008 22:30:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações realizar, na fase preliminar do estudo, uma análise de Correlação consistência dos dados, pois o sucesso de qualquer método de estimativa depende da confiabilidade dos De modo geral, é possível observar em um gráfico dados. No caso considerado, essa análise já foi feita, x-y, três padrões de relacionamento entre as variáveis: mesmo assim, os pontos mais dispersos tendem a i) correlação positiva; ii) correlação negativa; e iii) produzir um forte impacto na estimativa. ausência de correlação. (Isaaks & Srivastava 1989). Na figura B.8, por exemplo, um ajuste polinomial A correlação entre duas variáveis é positiva quando com os 39 pontos que constituem a amostra, revelou ambas as variáveis apresentam a mesma tendência de um coeficiente de determinação de 0,6919 e um erro crescimento ou de decréscimo. Nos meios porosos, padrão em torno de 37 mm. A figura B.9, na qual se para os arenitos de diversos tamanhos de grãos, a representa o ajuste com a exclusão dos 3 pontos mais permeabilidade e a porosidade se correlacionam dispersos, revela que o coeficiente de determinação positivamente, ou seja, os maiores valores de aumentou para 0,8736 e o erro padrão diminuiu para porosidade se associam aos maiores valores de cerca de 22 mm, o que corresponde a uma redução permeabilidade. da ordem de 40%. Esse procedimento ilustra muito A correlação entre duas variáveis é negativa quando bem o impacto que pode ter um ponto muito disperso uma das variáveis cresce e a outra decresce ou vice- sobre o resultado de uma correlação. versa. É o caso, por exemplo, da correlação entre os teores de cálcio e magnésio em um calcário dolomítico. Um aumento no teor de cálcio geralmente resulta em uma redução no teor de magnésio. Uma terceira possibilidade é a ausência de correlação entre duas variáveis, o que se manifesta quando um aumento no valor de uma variável não parece ter efeito sobre a outra. Nesse tipo de investigação é preciso antes de tudo conhecer a natureza das variáveis em consideração, para saber se faz sentido ou se é possível admitir uma relação entre as mesmas. Por exemplo, em hidrologia de superfície, a existência de uma correlação entre a chuva e o escoamento superficial é intuitiva na medida em que há entre esses fenômenos uma relação de causa e efeito, isto é, o escoamento da água nos rios é uma conseqüência direta das precipitações pluviométricas. Assim, é de se esperar que a uma maior precipitação deva corresponder um maior escoamento Figura B.8 - Ajuste polinomial com os 39 pontos de água nos rios. amostrais. O escoamento nos rios é geralmente apresentado sob a forma de módulo ou descarga média anual Q em m3/s. Uma outra forma de expressão do escoamento superficial numa bacia hidrográfica é através de uma lâmina escoada L, em milímetros, dada pela relação entre o volume V, dos deflúvios anuais em milhões de m3 ou Hm3 e a área A da bacia em km². 1000 V 31500Q L = = (B.13) A A A experiência mostra que esse escoamento, em alguns casos, só aparece quando já ocorreu uma certa quantidade de chuva, de 50 a 100 mm, aproximadamente, em um mês dado. A precipitação a partir da qual ocorre o escoamento superficial denomina-se limite de eficácia da chuva ou chuva eficaz P0. Por esse motivo, o grau de correlação entre as lâminas médias precipitadas e escoadas numa bacia, em muitas situações, pode ser muito fraca. Isso pode acontecer porque a correlação esperada depende de inúmeros fatores entre os quais se incluem Figura B.9 - Ajuste com os 36 pontos menos dispersos. a declividade e a natureza geológica dos terrenos, 799 Apêndice B_FFI.indd 7 9/12/2008 22:30:10 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada a cobertura vegetal, o teor de umidade do solo, a O quadrado do coeficiente de correlação (R2) é intensidade da chuva etc. A magnitude da precipitação chamado coeficiente de determinação e constitui um é apenas um desses fatores, muitas vezes o mais bom indicador da qualidade do ajuste e da precisão importante, apesar de tudo. das previsões. É igual à fração da variância na variável Uma análise criteriosa dos fatores condicionantes do dependente (critério), que é explicada pela variável escoamento pode melhorar o grau da correlação. É o influente (independente). caso, por exemplo, de se levar em conta a distribuição, O desvio padrão sy da população ou sy da amostra y, magnitude e concentração das chuvas durante o ano, é um indicador da qualidade da previsão. Se a variável y bem como os coeficientes de escoamento em terrenos está relacionada a uma ou mais variáveis influentes x, o sedimentares e em terrenos cristalinos, etc. erro da previsão é reduzido de sy para se, erro padrão Na bacia do rio Jaguaribe – CE uma análise da estimativa, que é igual ao desvio padrão dos erros e desse tipo (Dubreuil et al., op. cit.) permitiu melhorar tem as mesmas unidades de y, sendo expresso por: a correlação entre chuva e escoamento usando no 1 n lugar da precipitação média anual Pm, um índice se = ∑(C − y 2i ) (B.18) pluviométrico anual Ip, definido pela expressão: n i=1 Algumas vezes o erro da estimativa é computado 12 I = ∑(P −P usando a equação:p m 0 ) (B.14) i=1 se = s 1−R 2 y (B.19) Coeficiente de Correlação que pode ser considerada uma aproximação da O coeficiente de correlação, R, é a estatística equação (B.18), porque R é avaliado com n graus de geralmente mais utilizada para caracterizar o grau liberdade e Sy com (n-1) graus de liberdade. de correlação entre duas variáveis. É calculado pela A relação exata entre Se, Sy e R pode ser deduzida equação: considerando que a variação total VT está ligada à 1 n variância s 2 y pela expressão: ∑(xi − x)(yi − y)2 i=1 (B.15) VT = (n −1)s2R = y (B.20) σxσy A variação total é a soma da variação explicada pela O número de valores de cada um dos conjuntos variável influente (VE) e da variação não explicada (VN): de dados x1,...xn, da primeira variável e y1,...yn, da (B.21) segunda variável, é igual a n. Para as duas variáveis, VT = VE + VN os respectivos valores médios são x e y , enquanto O coeficiente de correlação é a razão entre a que sx e sysão os respectivos desvios padrão. variação explicada e a variação total: O coeficiente R é um índice do grau de associação 2 VE linear entre duas variáveis aleatórias. A sua magnitude R = (B.22) caracteriza a qualidade do ajuste e indica se a VT regressão fornece ou não uma previsão satisfatória da A variação não explicada se relaciona com o erro variável dependente. padrão da estimativa, através da equação: VN = (n −p −1)s2e (B.23) Coeficiente de Determinação e Erro Padrão Substituindo (B.20) em (B.22), obtém-se: Para o modelo linear geral: VE = (n −1)s2 R2y y = b0 + b1x1 + b2x2 + ... + bpxp (B.16) Substituindo (B.20) e (B.23) em (B.21), obtém-se: com p variáveis influentes, bi coeficientes angulares 2 2 (i=1,2,...,p) e um coeficiente linear b0, existem (p+1) VE = (n −1)sy − (n −p −1)se coeficientes ou parâmetros a serem determinados na Da igualdade entre essas duas últimas expressões, equação do ajuste. resulta: O número de parâmetros pode ser fixado livremente 2 2 2 2 de acordo com o modelo adotado. O modelo linear (n −1)sy − (n −p −1)se = (n −1)sy R (polinomial de grau 1) tem dois parâmetros; o modelo E, finalmente: polinomial de grau 3 possui quatro parâmetros etc. O número de graus de liberdade é igual ao tamanho n −1s = s (1−R2 ) (B.24) da amostra menos o número de parâmetros a serem e y n −p −1 determinados, ou seja: Portanto, a equação (B.24) é uma relação mais n = n −p −1 (B.17) exata do que a (B.19), embora para amostras de 800 Apêndice B_FFI.indd 8 9/12/2008 22:30:10 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações grande tamanho a diferença entre as duas estimativas seja pequena. Pode-se ter uma idéia da magnitude dessa diferença considerando como exemplo a correlação entre os valores de índice pluviométrico e lâmina escoada, apresentados na tabela (B.5). Com um modelo polinomial de grau 3 (figura B.8), para n=39 e p=4 as estimativas do erro padrão com as equações (B.19) e (B.24), são as seguintes: Equação (B.19): se = 66,94 1− 0,6916 = 37 mm Equação (B.24): = 38se 66,94 (1− 0,6916) = 39 mm34 A diferença entre as duas estimativas é de 5,4%. B.5 Descrição Espacial Figura B.10 - Distribuição dos valores das altitudes do topo Dados geológicos estão sempre ligados a uma de uma camada geológica. posição no espaço, mas essa posição ou localização não é levada em conta nas descrições estatísticas da distância, kriging, vizinho natural, entre outros). univariada e bivariada. Na geoestatística admite-se É necessário, em função dos dados disponíveis, que uma variável geológica pode ser tratada como escolher algoritmos que não extrapolem em excesso uma variável regionalizada. Trata-se de uma variável a área dos dados conhecidos e nem produzam intermediária entre uma verdadeira variável aleatória e anomalias locais, como as que se observam na uma variável exclusivamente determinística. Admite-se figura B.11, obtida com interpolação pelo método que o valor de uma variável distribuída em um certo do inverso da distância. Um comportamento espaço é mais influenciado pelos valores dos pontos muito mais coerente para a superfície da camada mais próximos do que pelos valores dos pontos mais geológica é ilustrado na figura B.12, onde foi afastados. utilizada interpolação pelo método kriging e, A maneira mais prática de lidar com a descrição finalmente, na figura B.13, mostra-se a interpolação espacial é a visual, a exemplo do histograma na pelo método do vizinho natural. O leitor pode usar descrição univariada e do gráfico (x,y) de pontos o computador e verificar. dispersos na descrição bivariada. Isso pode ser facilmente realizado usando um programa de computador. As principais técnicas utilizadas na análise de dados espaciais são: 1) Mapas de Locação dos Dados - particularmente, se a locação dos dados em mapa for realizada segundo classes de valores, com simbologias ou cores distintas, é possível obter uma boa compreensão de como os valores se distribuem no espaço. A figura B.10, por exemplo, é um mapa de locação de 96 valores de altitude do topo de uma camada geológica. Nesse mapa, construído com o programa Surfer, os pontos verdes no quadrante NW, possuem cotas superiores a 510 m; os pontos vermelhos, concentrados no quadrante SE, apresentam cotas inferiores a 500 m, e os pontos azuis, distribuídos pelo restante da área, situam-se em cotas compreendidas entre 500 e 510 m. 2) Mapas de Contorno - os mapas de contorno ou de curvas de nível são projeções de uma superfície no plano. O programa Surfer, por exemplo, dispõe Figutra. B.11 - Altitude da camada geológica obtida com de diversos algorítmos de interpolação (inverso interpolação pelo inverso da distância. 801 Apêndice B_FFI.indd 9 9/12/2008 22:30:11 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada linha x=y com inclinação de 45º que passa pela origem. À medida que os valores, em pontos afastados de uma distância |h|, se tornam menos semelhantes, a nuvem de pontos no gráfico h-xy torna-se mais dispersa. A direção é importante na construção de um gráfico h-xy. Um par de valores v(x) e v(x+h) só aparece uma vez como [v(x), v(x+h)] e não outra vez como [v(x+h),v(x)]. Os gráficos das figuras B.14 e B.15 representam os pares de valores tomados nas direções N-S e E-W, respectivamente, e afastados de uma distância h=150 m variável de 1 a 4 h. Esses pares são representados pelos vetores h=(0,150), h=(0,300), h=(0,450) e h=(0,600). Como se observa nas mencionadas figuras, os pontos correspondentes aos pares de valores da variável, afastados da distância h, apresentam maior dispersão com o aumento da distância de separação. Isto se deduz do coeficiente de correlação cujo valor diminui quando aumenta a distância entre pontos. Desta forma, Figura B.12 - Altitude da camada geológica obtida com justifica-se a hipótese de que os valores de uma variável interpolação pelo método kriging. regionalizada, distribuídos no espaço, tendem a diferir mais significativamente uns dos outros com a distância que os separa. Funções de Correlação, Funções de Covariância e Variogramas A exemplo de outros métodos, também é necessário no caso dos gráficos h-xy, usar algum resumo estatístico quantitativo da informação exibida no referido gráfico, ou seja, um resumo indicativo do grau de dispersão dos pontos. Para isto existe o coeficiente de correlação. Como no caso só existe uma variável em jogo, se poderia falar em coeficiente de autocorrelação, embora a rigor não se esteja tentando correlacionar a variável consigo mesma, mas, sim, tentando caracterizar a continuidade dos valores da variável no espaço. Outras estatísticas usadas, além do coeficiente de correlação, são: a covariância e o momento de inércia. Função de Correlação Figura B.13 - Altitude da camada geológica com interpolação pelo método vizinho natural. A relação entre o coeficiente de correlação de um gráfico h-xy e h é chamada função de correlação ou correlograma. O coeficiente de correlação depende Gráficos h-xy do vetor h, que possui magnitude e direção. Não obstante, a forma tradicional de apresentação dos Um gráfico h-xy de uma variável n relaciona os valores correlogramas consiste em gráficos separados da n(x) dessa variável em um ponto x, no eixo das abcissas, função de correlação r(h) contra a magnitude de h contra os valores n(x+h) dessa mesma variável em um para várias direções (figuras B.16a e B.16b). ponto x+h, no eixo das ordenadas. A dispersão da nuvem de pontos em um gráfico h-xy nos dá uma idéia do grau Função de Covariância de continuidade dos valores da variável até uma certa distância e numa dada direção. A relação entre a covariância de um gráfico h-xy e o Se os valores dos dados são muito semelhantes em vetor h é chamada função de covariância. É também pontos afastados de uma distância h, então os pares de um índice alternativo que se pode utilizar na análise da valores aparecerão no gráfico h-xy muito próximos da continuidade espacial. 802 Apêndice B_FFI.indd 10 9/12/2008 22:30:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Figura B.14 - Gráficos h-xy das cotas do topo de uma Figura B.15 - Gráficos h-xy das cotas do topo de uma formação geológica, para distâncias de separação 150, 300, formação geológica, para distâncias de separação 150, 300, 450 e 600 m na direção N-S. 450 e 600 m na direção E-W. 803 Apêndice B_FFI.indd 11 9/12/2008 22:30:11 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada Figura B.17 - Ilustração das posições dos pares de valores afastados de: (a) –h; e (b) +h Figura B.16 - Função de correlação das cotas do topo de uma formação geológica: (a) na direção N-S; e (b) na direção E-W. A função de covariância para uma variável v é dada pela equação: = 1 n C(h) ∑ v(x) ⋅ v(x + h)− v ⋅ v (B.25) n(h) −h +h1 A somatória se aplica apenas aos n pares de valores [v(x), v(x+h)]1,...,[v(x), v(x+h)]n, cujas posições estão separadas pelo vetor h. Os valores médios v-h e v+h são dados pelas equações (B.26) e (B.27): 1 n v−h = ∑ v(x) (B.26)n(h) ii=1 1 n v(x + h)i = ∑ v(x + h) (B.27)n(h) ii=1 A equação (B.26) é a média de todos os valores cujas posições x estão afastadas -h de uma posição (x-h) (figura B.17a) e a equação (B.27) é a média de todos os valores cujas posições x estão afastadas +h de uma posição (x-h) (figura B.17b). A função de covariância C(h) é ilustrada na figura B.18a para a direção N-S e na figura B.18b para a Figura B.18 - Função de covariância das cotas do topo de uma direção E-W. formação geológica: (a) na direção N-S; (b) na direção E-W. 804 Apêndice B_FFI.indd 12 9/12/2008 22:30:11 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Momento de Inércia O problema da Estimativa Espacial e o O momento de inércia em torno da linha x=y é dado Variograma pela equação: Embora os gráficos h-xy contenham muito mais 1 n informação do que as três funções aqui consideradas, momento de inércia = ∑(x − y )2 2n i i (B.28) na prática costuma-se descrever a continuidade i=1 espacial usando uma das funções: r(h), C(h) ou g(h), A relação entre o momento de inércia de um sendo que a mais comumente usada é o variograma. gráfico h-xy e |h|é chamado semivariograma ou, Existem três características importantes geralmente simplesmente, variograma. O semivariograma g(h) é utilizadas para descrever um variograma: a metade da diferença média quadrática entre os pares de valores situados nas posições x e (x+h): • Raio de Influência - à medida que aumenta a distância entre os pares de pontos, o valor do 1 n 2[ ] variograma geralmente também aumenta. Em g(h) = ∑ v(x)− v(x + h) (B.29) 2n(h) muitas situações, observa-se que a partir de uma i=1 certa distância, o valor do variograma se mantém Ao contrário das funções de correlação e de praticamente constante ou com pouca variação, covariância, que decrescem com a distância de independente do aumento da distância. A distância separação entre os pares de valores da variável em na qual o variograma atinge esse valor praticamente estudo, o semivariograma cresce (figuras B.19a e constante é chamada de raio de influência; B.19b). • Patamar - é o valor alcançado pelo variograma para uma distância igual ou maior do que o raio de influência; • Efeito Pepita - teoricamente, o valor do variograma para h=0 é igual a zero, mas, na prática, devido a variações de pequena escala, os valores medidos entre pontos situados a distâncias muito pequenas podem ser bastante diferentes. Isso produz uma descontinuidade na origem do variograma. O salto vertical do valor zero na origem para o valor do variograma a distâncias extremamente pequenas, é chamado de efeito pepita. Um problema de estimativa espacial consiste em avaliar o valor de uma propriedade em um ponto no qual a mesma é desconhecida, usando, para isso, valores medidos dessa propriedade em pontos de coordenadas conhecidas, distribuídos em uma certa área ou campo de medidas. Admite-se que dentro da área de interesse existe uma estrutura sistemática local na vizinhança de cada ponto, até uma distância igual ao raio de influência. Portanto, o valor estimado da propriedade em qualquer ponto é influenciado apenas pelos valores medidos dentro do domínio delimitado pelo raio de influência. Em resumo, pode-se dizer que o problema da estimativa espacial consiste em responder a 3 (três) questões: a) Que pontos devem ser levados em conta? (ou seja, qual é o raio de influência?). Tipicamente, a análise da continuidade espacial se inicia com um variograma omnidirecional para o qual só a magnitude do vetor h é levada em conta. Isto significa que todas as direções possíveis são combinadas em um único variograma. Se o omnivariograma obtido possuir um patamar, então essa primeira questão está respondida. b) Quais os pesos w i que fornecem a melhor Figura B.19 - Variogramas da cotas do topo de uma formação estimativa? geológica: (a) na direção N-S; e (b) na direção E-W. c) Qual é a confiabilidade do valor estimado? 805 Apêndice B_FFI.indd 13 9/12/2008 22:30:11 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada A figura B.20 mostra uma área em que foram feitas nada sugere que todos os pontos exercem a mesma medidas de uma propriedade em 7 (sete) diferentes influência na estimativa do valor desconhecido no pontos e se deseja conhecer o valor da propriedade em ponto A. Enfim, o modelo expresso pela equação um ponto A em que não foram feitas medidas. (B.30), que atribui a cada ponto amostral um peso Uma alternativa para a estimativa no ponto A inversamente proporcional à sua distância do ponto seria considerar o seu valor como a média aritmética A, é o que de fato representa a “melhor” estimativa dos valores de todos os pontos dentro da região de para o valor da variável (ou propriedade) v no ponto A influência. Nesse caso esses pontos exerceriam a Assim, depois de avaliados os pesos, a confiabilidade mesma influência sobre o ponto A. É intuitivo, porém, da estimativa pode ser determinada. que os pontos mais próximos de A devem ter um maior peso do que os mais afastados. Assim, ao invés Estimativa Linear, Espacial e Volumétrica da pura e simples média aritmética uma “melhor” estimativa pode ser feita usando o modelo: Da equação (B.11) infere-se que o erro padrão da média de uma população: m v̂ = ∑ wivi (B.30) σ s i=1 ou de uma amostra sendo wi o peso dado ao valor amostral vi e m o n n número de pontos dentro da região de influência é função do tamanho da amostra. Assim, os valores do local onde se deseja fazer a estimativa. Por de uma propriedade, que estão associados a médias exemplo, se na região delimitada pelo retângulo da no espaço, apresentam variações muito grandes figura 4.11, onde existem 7 (sete) pontos amostrais quando o tamanho da amostra é pequeno. Quando a (n=7), se o círculo é a região de influência, então extensão espacial ou o volume da amostra aumentam, devem ser considerados na estimativa apenas os a variância das diferenças entre as várias medidas da pontos 1, 2, e 5 ou seja, m=3. Determinado o raio propriedade diminui, ou seja, o patamar do variograma de influência (o que é feito com o variograma), a diminui. Na prática isso tem implicações importantes estimativa pode ser feita. Se for adotado o conceito na tomada de decisão quanto ao tamanho de amostras de valor médio para a avaliação, a “melhor” que devem ser coletadas para permitir o uso de estimativa será dada pela equação: certas metodologias de computação. Por exemplo, um problema prático pode ser o uso de valores de m v = 1 ∑ v (B.31) umidade de um solo, medidos em alguns pontos, para m ii=1 determinar a umidade média do solo em uma certa que representa um modelo mais simples do que a área. O tamanho da amostra pode ser importante. equação (B.30), já que dispensa a estimativa dos No manuseio de dados que correspondem a pesos wi. Mas, certamente, deixa muito a desejar, pois médias no espaço, torna-se necessário distinguir: i) medidas pontuais (por exemplo, a altura da chuva em um pluviômetro ou a profundidade do nível da água subterrânea de um aqüífero em um poço); ii) medidas lineares, feitas ao longo de uma linha (por exemplo, um perfil de medições geofísicas; um perfil de medidas da qualidade da água de um aqüífero feitas em um conjunto de poços alinhados); iii) medidas bidimensionais, tomadas em pontos distribuídos em uma área; iv) medidas tridimensionais, como, por exemplo, as que podem ser feitas a diferentes profundidades, em uma rede de poços distribuídos em uma certa área. Aos conjuntos de dados (ou amostras) correspondentes, em cada caso, dá-se o nome de suporte. O processo de tomada da média em cada tipo de suporte, reduz a variância. Essa redução, é chamada regularização. O processo inverso, de deduzir um semivariograma pontual a partir de um suporte linear, bidimensional ou tridimensional, é denominado desregularização. Estes processos podem ser vistos comparando o semivariograma para um ponto, com o semivariograma para um comprimento, para uma área ou para um volume. Isso equivale a mostrar a relação entre Figura B.20 - Distribuição esquemática dos pontos de o desvio padrão s das medidas pontuais de uma variável medida de uma propriedade em uma área. aleatória e o erro padrão s/√n, da média do suporte. 806 Apêndice B_FFI.indd 14 9/12/2008 22:30:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Regularização com Suporte Linear O comprimento L e a largura W da área são No processo de regularização com uma linha de normalizados mediante divisão pelo raio de influência. comprimento L (figura B.21) o semivariograma g (h), Os valores tabulados da função auxiliar de área, L para todos os possíveis pares de pontos P e P dentro F(L,W) para valores de L/r e W/r são mostrados na 1 2 da linha pode ser deduzido da equação (B.29). tabela B.6 para o modelo esférico. Cálculo do Variograma Experimental Considere uma área na qual foram feitas medidas em pontos distribuídos numa malha regular de lado h (figura B.23). A distribuição dos pontos de amostragem em uma malha regular não é uma exigência básica, pois na prática dificilmente se dispõe de dados afastados Figura B.21 - Amostra ou suporte linear. exatamente da distância h. Pode-se admitir, como será visto adiante, uma tolerância na distância e na direção O patamar será representado por g . Iterando sobre relativa entre os dois pontos ou seja, no vetor h.rL todos os possíveis pares de pontos P e P , inclusive no Para fins de conceituação do variograma, suponha, 1 2 caso P = P (correspondente a h=0) pode-se calcular por enquanto, que a magnitude do vetor h é constante e 1 2 a média dos valores do semivariograma g(P -P ) igual a 1 m (|h|=h=1). O valor medido em cada ponto 1 2 para todos os pares. Essa média daria uma medida do campo, representando a população, é definido da variância dentro da linha e representaria a diferença como v(x), sendo x=(x,y) um vetor de posição dos entre os patamares dos semivariogramas para os pontos do campo. O valor medido em cada ponto da pontos e para a linha, ou seja, (g -g ). Essa diferença amostra no campo é designado vi(x) e para cada ponto r rL também poderia ser avaliada pela equação: da amostra existe (num raio h) pelo menos um outro L L ponto amostral vi(x+h) afastado da distância h. gr − grL = 1 ∫ ∫ g(P −P )dP dP (B.32) Admite-se, ainda, que a área em que foram feitas 1 2 1 2 L2 0 0 as medidas (ou campo das medidas) representa um que é chamada função auxiliar de comprimento, campo estatisticamente estacionário. Isto significa indicativa do tipo de suporte existente. dizer que, por hipótese, a diferença [vi(x) - vi(x+h)] A função auxiliar também pode ser calculada para dos valores medidos entre dois pontos quaisquer amostras em um campo (área), ou seja, para um dentro do campo, só depende do vetor h e não do suporte bidimensional. Nesse caso, a integração deve vetor de posição x. A metade da média da soma dos ser feita para cada possível par de pontos P e P na quadrados das diferenças entre os valores dos pares 1 2 superfície do campo (figura B.22). de pontos da amostra, distantes de h, é definida através da expressão: 1 n 2 g(̂h) = ∑[v (x) - v (x + h)] (B.34) 2n i ii=1 Figura B.22 - Amostra ou suporte bidimensional (campo de dimensões L x W). Regularização com Suporte Bidimensional A integral quádrupla é: L W L W gr − g 1 rL = ∫ ∫ ∫ ∫ g(P1 −P )dP dP dP dP(LW)2 2 1 2 1 2 (B.33)0 0 0 0 O cálculo com a equação (B.33) é trabalhoso e por isso na prática usam-se soluções obtidas de tabelas para Figura B.23 - Dados para exemplo de cálculo do variograma modelos normalizados (nos quais r=1 e g =1). (teor de umidade de um solo).r 807 Apêndice B_FFI.indd 15 9/12/2008 22:30:12 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada W/r 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 L/r 0,1 0,078 0,120 0,165 0,211 0,256 0,300 0,342 0,383 0,422 0,457 0,2 0,120 0,155 0,196 0,237 0,280 0,321 0,362 0,401 0,438 0,473 0,3 0,165 0,196 0,231 0,270 0,309 0,349 0,387 0,424 0,460 0,493 0,4 0,211 0,237 0,270 0,305 0,342 0,379 0,415 0,451 0,484 0,516 0,5 0,256 0,280 0,309 0,342 0,376 0,411 0,445 0,479 0,511 0,541 0,6 0,300 0,321 0,349 0,379 0,411 0,443 0,476 0,507 0,538 0,566 0,7 0,342 0,362 0,387 0,415 0,445 0,476 0,506 0,536 0,565 0,591 0,8 0,383 0,401 0,424 0,451 0,479 0,507 0,536 0,564 0,591 0,616 0,9 0,422 0,438 0,460 0,484 0,511 0,538 0,565 0,591 0,616 0,640 1,0 0,457 0,473 0,493 0,516 0,541 0,566 0,591 0,616 0,640 0,662 1,2 0,520 0,534 0,551 0,572 0,539 0,616 0,638 0,660 0,682 0,701 1,4 0,572 0,584 0,600 0,618 0,637 0,657 0,677 0,697 0,716 0,733 1,6 0,614 0,625 0,639 0,655 0,673 0,691 0,709 0,727 0,744 0,760 1,8 0,650 0,659 0,672 0,687 0,703 0,719 0,736 0,752 0,767 0,782 2,0 0,679 0,688 0,700 0,713 0,728 0,743 0,758 0,773 0,787 0,800 2,5 0,735 0,743 0,752 0,763 0,775 0,788 0,800 0,813 0,824 0,835 3,0 0,775 0,781 0,789 0,799 0,809 0,820 0,830 0,841 0,851 0,860 3,5 0,804 0,810 0,817 0,825 0,834 0,843 0,852 0,861 0,870 0,878 4,0 0,827 0,832 0,838 0,845 0,853 0,861 0,870 0,878 0,885 0,892 5,0 0,860 0,864 0,869 0,874 0,881 0,887 0,894 0,901 0,907 0,913 W/r 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 L/r 0,1 0,520 0,572 0,614 0,650 0,679 0,735 0,775 0,804 0,827 0,860 0,2 0,534 0,584 0,625 0,659 0,688 0,743 0,781 0,810 0,832 0,864 0,3 0,551 0,600 0,639 0,672 0,700 0,752 0,789 0,817 0,838 0,869 0,4 0,572 0,618 0,655 0,687 0,713 0,763 0,799 0,825 0,845 0,874 0,5 0,593 0,637 0,673 0,703 0,728 0,775 0,809 0,834 0,853 0,881 0,6 0,616 0,657 0,691 0,719 0,746 0,788 0,820 0,843 0,861 0,887 0,7 0,638 0,677 0,709 0,736 0,758 0,800 0,830 0,852 0,870 0,894 0,8 0,660 0,697 0,727 0,752 0,773 0,813 0,841 0,861 0,878 0,901 0,9 0,682 0,716 0,744 0,767 0,787 0,824 0,851 0,870 0,885 0,907 1,0 0,701 0,733 0,760 0,782 0,800 0,835 0,860 0,878 0,892 0,913 1,2 0,736 0,764 0,788 0,807 0,823 0,854 0,876 0,892 0,905 0,923 1,4 0,764 0,790 0,811 0,828 0,842 0,870 0,890 0,904 0,915 0,931 1,6 0,788 0,811 0,829 0,845 0,858 0,883 0,901 0,914 0,924 0,938 1,8 0,807 0,828 0,845 0,859 0,871 0,894 0,910 0,921 0,931 0,944 2,0 0,832 0,842 0,858 0,871 0,882 0,903 0,917 0,928 0,936 0,948 2,5 0,854 0,870 0,883 0,894 0,903 0,920 0,932 0,941 0,948 0,957 3,0 0,876 0,890 0,901 0,910 0,917 0,932 0,942 0,950 0,955 0,964 3,5 0,892 0,904 0,914 0,921 0,928 0,941 0,950 0,956 0,961 0,969 4,0 0,905 0,915 0,924 0,931 0,936 0,948 0,955 0,961 0,966 0,972 5,0 0,923 0,931 0,938 0,944 0,948 0,957 0,964 0,969 0,972 0,977 Tabela B.6 - Função auxiliar de área F(L,W) para modelo esférico com r=1 e gr=1. 808 Apêndice B_FFI.indd 16 9/12/2008 22:30:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações O gráfico da relação entre a quantidade g(̂h) e a h=(3,0). Na direção N-S também existem 24 pares de distância h é chamado de semivariograma. A rigor, o pontos, sendo 12 pares de pontos formados com o variograma é o gráfico de 2g(̂h) versus h. Como a forma vetor h=(0,1), 8 pares de pontos com o vetor h=(0,2) do gráfico não muda com o fator 2, o semivariograma é, e 4 pares de pontos com o vetor h=(0,3) Os cálculos muitas vezes, simplesmente chamado de variograma. são os seguintes: A quantidade g(̂h) correspondente ao valor do Direção E-W variograma experimental é a metade da variância das diferenças entre os valores dos pares de pontos da 12 pares h=(1,0) amostra afastados da distância e direção definidas pelo 1 2 2 vetor h. Essa quantidade representa uma estimativa g(̂1m) = (3,1- 3,5) + (3,7 - 3,8)2(12) do valor do variograma da população, designado 2 2 2 por g(h), que é estimado através de um modelo de +(4,3 - 3,7) + (3,4 - 3,9) + (3,5 - 2,8) variograma. Esse modelo aparece no gráfico como (B.35)+(3,8 - 3,4)2 + (3,7 - 3,3)2 + (3,9 - 3,7)2 uma curva contínua ajustada através da nuvem de 2 2 2 pontos do variograma experimental. +(2,8 - 3,3) + (3,4 - 3,6) + (3,3 - 3,8) A representação gráfica de g(̂h) contra|h|=h é +(3,7 - 3,3 )2 = 0,097 (%)2 chamada variograma experimental direcional, para  a distância de separação h na direção do vetor h. 8 pares h=(2,0): A representação gráfica de g(̂h) versus h, isto é, 1 do variograma em função, apenas, da distância, sem g(̂2m) = (3,1- 2,8) 2 +(3,7 - 3,4)2 levar em conta a direção, é chamada omnivariograma 2(8) experimental. +(4,3 - 3,3)2 + (3,4 - 3,7)2 + (3,5 - 3,3)2 (B.36) Para a população, o gráfico de g(h) versus h na +(3,8 - 3,6)2 + (3,7 - 3,8)2 direção do vetor h, é o variograma direcional e o gráfico de g(h) versus h, sem levar em conta a direção +(3,9 - 3,3 )2 = 0,108 (%) 2 do vetor h, é o omnivariograma. Conclui-se que a denominação variograma é um 4 pares h=(3,0): termo geral envolvendo gráficos que satisfazem à 1 2 2 equação (B.19), mas com particularidades específicas g(̂3m) = (3,1- 3,3) + (3,7 - 3,6)2(4) que podem estar associadas à amostra ou à população (B.37) 2 2 2 e que podem levar em conta ou não uma direção, +(4,3 - 3,8) + (3,4 - 3,3 )  = 0,039 (%) ou seja, que podem considerar o vetor h ou apenas a sua magnitude h. O exemplo de cálculo a seguir Direção N-S deverá ajudar a melhor entender este aspecto. Antes porém, vale dizer que a unidade da função g(h) é a 12 pares h=(0,1): mesma unidade do quadrado de v. Se v é o valor da 1  2 2 concentração de um contaminante em ppm, a unidade g(̂1m) = (3,1- 3,7) + (3,5 - 3,8)2(12) de g(h) será (ppm)2. Suponha que os dados da figura B.23 representam +(2,8 - 3,4) 2 + (3,3 - 3,6)2+ (3,7-4,3)2 (B.38) valores do teor de umidade de um solo (em porcentagem) +(3,8 - 3,7)2 + (3,4 - 3,3)2 + (3,6 - 3,8)2 medidos em uma área com dimensões de 3 m x 3 m. O +(4,3 - 3,4)2 + (3,7 - 3,9)2 + (3,3 - 3,7)2 que se deseja é calcular valores de g(̂h) para construir um gráfico chamado variograma. Antes de mais nada, +(3,8 - 3,3 )2 = 0,108 (%) 2 verifica-se que para uma distância de separação igual a zero, v (x)=v(x+h) e, portanto, g(̂h) = 0i i . Isto significa 8 pares h=(0,2): que o primeiro ponto do gráfico encontra-se na origem. 1g(̂2m) = (3,1- 4,3)2 + (3,5 - 3,7)2 Ademais, como cada diferença é elevada ao quadrado, 2(8)  então, para h>0 a metade da variância das diferenças é 2 2 2 positiva, ou seja, g(̂h) > 0 +(2,8 - 3,3) + (3,3 - 3,8) +(3,7-3,4). Na figura B.23 existem três (B.39) direções nas quais é possível calcular um valor de g(̂h) +(3,8 - 3,9)2 + (3,4 - 3,7)2 : i) direção E-W; ii) direção N-S; e iii) direção NE-SW. +(3,6 - 3,3 )2 =0,141(%)2 Na direção E-W (no sentido de oeste para leste), os  valores de g(̂h) podem ser calculados para valores de 4 pares h=(0,3): h=(1,0); h=(2,0); h=(3,0), ou seja, para distâncias h 1 2 2 iguais a 1, 2 e 3 m. O número total de pares de pontos g(̂3m) = (3,1- 3,4) + (3,5 - 3,9)2(4) na direção E-W é igual a 24, sendo 12 pares de pontos (B.40) 2 2 2 formados com o vetor h=(1,0); 8 pares de pontos +(2,8 - 3,7) + (3,3 - 3,3 )  = 0,133(%) com o vetor h=(2,0) 4 pares de pontos com o vetor 809 Apêndice B_FFI.indd 17 9/12/2008 22:30:12 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada Os variogramas direcionais para os dados da figura B.23, nas direções E-W e N-S, cujos cálculos acabam de ser apresentados, são mostrados nas figuras B.24 e B.25, respectivamente. O omnivariograma (figura B.26) além dos valores g(̂1) = 0,102 , g(̂2) = 0,124 e g(̂3) = 0,086 para os pares de pontos nas direções E-W e N-S, inclui ainda o valor de g(̂ 2) = 0,095 calculado na direção NE-SW. O variograma representativo da população é mostrado na figura B.27 e corresponde ao modelo definido pela equação (B.30), que é do tipo esférico com patamar 0,11 e raio de influência igual a 2. O ajuste do referido modelo tem finalidade tão somente didádica, no sentido de ilustrar as características principais do variograma, já que a amostra, obviamente, é pequena demais. O modelo ilustrado na figura B.27 é dado pela equação: g(0) = 0   Figura B.26 - Omnivariograma.g = g 3 h 3   (h) (r) − 1 h   para 0 < h < r3 (B.41)  2 r 2 r  g(h) = g(r) para h > r Figura B.27 - Forma típica do variograma. Figura B.24 - Variograma direcional E-W. Modelos de Semivariograma Um conjunto de variogramas experimentais em diferentes direções dá uma boa idéia da continuidade espacial. Os variogramas experimentais, todavia, sendo constituídos de pontos discretos, são limitados a certos valores de h. Uma generalização do cálculo do variograma para qualquer valor de h somente pode ser obtida através de uma função contínua que, devidamente ajustada ao variograma experimental, constitui um modelo do variograma. Os modelos de semivariograma podem ser de dois tipos: i) modelos que atingem um patamar g(r) a uma distância r chamada raio de influência; e Figura B.25 - Variograma direcional N-S. ii) modelos que não atingem um patamar. 810 Apêndice B_FFI.indd 18 9/12/2008 22:30:12 Hidrogeologia - Conceitos e Aplicações Os modelos que atingem um patamar são ditos de transição e alguns deles atingem o patamar assintoticamente. Para esses, o raio de influência é arbitrariamente definido como a distância na qual o variograma atinge 95% do valor do patamar. Nos modelos do segundo tipo, ou seja, de variogramas que não atingem um patamar, o valor de g(h) cresce indefinidamente quando h cresce. Nos quatro modelos básicos apresentados a seguir, os gráficos são normalizados para g(r)=1 e r=1. Modelo Esférico (figura B.28)   h h 3  g(r)1,5 − 0,5      para h < rg(h) =   r  r   (B.42) Figura B.28 - Modelo esférico. g(r) para h ≥ r É um dos mais usados. Linear para pequenos valores de h, decresce rapidamente quando o valor de h se aproxima do raio de influência. No ajuste desse modelo a um variograma experimental, lembrar que a tangente na origem alcança o patamar a cerca de 2/3 do raio de influência. Modelo Exponencial (figura B.29)   g(h) = g 3h(r)  1− exp − r  (B.43)     Comporta-se como linear a pequenas distâncias da origem. Alcança o patamar assintoticamente e Figura B.29 - Modelo exponencial. o raio de influência corresponde ao ponto em que o valor do variograma é igual a 95% do valor do patamar. No ajuste desse modelo a um variograma experimental, lembrar que a tangente na origem alcança o patamar a cerca de 1/5 do valor do raio de influência. Modelo Gaussiano (figura B.30)   g = g − − 3h 2  (h) (r)1 exp r2  (B.44)    É um modelo de transição geralmente usado para modelar fenômenos muito contínuos. A exemplo do modelo exponencial, o modelo Gaussiano alcança Figura B.30 - Modelo Gaussiano. o patamar assintoticamente e o raio de influência é definido como a distância na qual o valor do variograma é igual a 95% do valor do patamar. O que distingue esse modelo dos demais é o seu comportamento parabólico perto da origem. É o único que possui um ponto de inflexão. Modelo Linear (figura B.31) g(h) = bh (B.45) Cresce linearmente com h, portanto, nem possui patamar nem raio de influência. O parâmetro b é simplesmente o coeficiente angular da reta e h é a distância de separação (ou módulo do vetor h) entre os valores da variável em cada par de pontos. Figura B.31 - Modelo linear. 811 Apêndice B_FFI.indd 19 9/12/2008 22:30:12 Apêndice B - Noções de Geoestatística Aplicada Referências DUBREUIL, P. Estudo geral de base do Vale do Jaguaribe: monografia hidrológica. Recife: Sudene; Grupo de Estudos do Vale do Jaguaribe, 1967. ISAAKS, E. H.; SRIVASTAVA, R. Mohan. Applied geoestatistics. New York: Oxford University Press, 1989. 561 p. MASSEY, F. J. The Kolmogorov – Smirnov Test for Goodness of Fit. Journal of the American Statistical Association, New York, v. 46, n. 253, p. 68-78, mar. 1951. MCCUEN, R., H.; SNYDER, W. M. Hydrologic modeling: statistical methods and applications. Englewood Cliffs, N. J.: Prentice Hall, 1986. 568 p. 812 Apêndice B_FFI.indd 20 9/12/2008 22:30:12