Hidrogeologia Ambiental

Gary Wealthall

Dr. Gary Wealthall – Associate • “Gary has more than 25 years

experience investigating contaminated sites world-wide, and has lead advanced training courses in Europe, the Middle East, and North America. He holds advanced degrees in hydrogeology (M.Sc) and Environmental Engineering (Ph.D). Gary has co-authored guidance on investigation and conceptual site model development for DNAPLs and LNAPLs, and is an expert in fractured rock hydrogeology.”

Dr. Gary Wealthall

Tópicos da Apresentação

1. Introdução

2. Sistemas de Águas Subterrâneas

3. Uso de Águas Subterrâneas

4. Descrição dos aquíferos e aquitardes

5. Velocidade de fluxo das águas subterrâneas

6. Discussão

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Introdução

Os Recursos Hídricos na Terra

> 70% da superfície do nosso planeta é coberta por água

97,5% de toda a água na Terra é água salgada

~ 70% da água doce está congelada nas calotas polares

~ 1% da água doce do mundo é acessível para uso direto

Água doce é encontrada em lagos, rios, reservatórios e nas fontes subterrâneas que são rasas o suficiente para serem exploradas a um custo acessível. Somente esta quantidade é periodicamente renovada pela chuva e neve, e é, portanto, disponível numa base sustentável

O Ciclo Hidrológico

O “Reservatório” subterrâneo

• A precipitação entra no subsolo através de infiltração

• As propriedades do solo e vegetação governam a taxa de infiltração

• Água infiltrada aumenta a umidade do solo e o volume da água subterrânea – A água infiltrada aumenta a umidade do solo

– Parte é absorvida por capilaridade pelas raízes, parte é evaporada

O “Reservatório” Subterrâneo

• A água infiltrada percola a um nível mais profundo

• É adicionada a água que ocupa espaços vazios subsuperficiais

• Esta é água subterrânea

Sistemas de Águas Subterrâneas

Sistemas de Águas Subterrâneas

Porosidade

A maioria das águas subterrâneas residem em poros = pequenos espaços dentro de rochas

Porosidade refere-se ao volume total de espaços vazios no interior da rocha e que geralmente é apresentado em percentual (por exemplo, rocha tem uma porosidade de 25%)

Porosidade varia muito entre diferentes tipos de rochas

Zonas Hidrogeológicas

Zona Insaturada / Zona Vadosa A porção de subsuperfície onde alguns dos poros são parcialmente preenchidos com ar, ou preenchidos apenas com ar

Zona Saturada / Zona Freática A porção de subsuperfície onde os poros são completamente preenchidos com água

O lençol freático

• O limite entre as zonas insaturadas e saturadas

• O lençol freático não é uma superfície plana que nunca muda – Pode ter oscilações sazonais (períodos chuvoso e seco) e subir e descer

• Debaixo de montanhas e colinas, o lençol freático segue uma forma semelhante, mas moderada

O que faz com que as águas subterrâneas escoem?

• Carga Hidráulica – Uma medida da energia potencial disponível para

direcionar o escoamento de um dado volume de água subterrânea

– A água subterrânea flui a partir de locais de alta carga hidráulica para locais com baixa carga hidráulica

– Geralmente expressa em metros acima de um ponto de referência (normalmente usa-se o nível do mar)

Gradiente hidráulico (medido nos poços)

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Gradiente Horizontal

Gradiente Vertical

Recarga e Descarga

• Fluxos de Água Subterrâneas – Descendente em áreas de Recarga, e

– Ascendente em áreas de Descarga

Linhas de Fluxo de Águas Subterrâneas

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Uso de Águas Subterrâneas

Poços – Como podemos acessar as águas subterrâneas?

• Como a água é importante para a sociedade, o acesso à água subterrânea é importante.

• Temos acesso a água subterrânea através de poços e nascentes (onde as águas subterrâneas afloram na superfície da Terra)

• Poços de águas subterrâneas penetram a uma profundidade abaixo do nível freático, onde um aqüífero permite o acesso a água corrente

Rebaixamento de poço e Cones de depressão • Quando um poço é perfurado para acessar um aquífero, sondadores gostam

de fazê-lo rasos para economizar custos

• Se um poço bombea água mais rápido do que ela é substituída pelo fluxo normal das águas subterrâneas, o rebaixamento forma um cone de depressão

• Cones de depressão podem secar temporariamente os poços próximos

Então, durante a perfuração de um poço, os sondadores devem considerar tanto a taxa de fluxo do aqüífero quanto as taxas de bombeamento de poços nas proximidades.

• Alta, ou localizada, a extração de água subterrânea pode mudar a direção do fluxo da água subterrânea, movendo-se, assim, contaminantes para locais inseguros

Problemas nas águas subterrâneas

• Água salgada é mais densa do que a água doce então ela permanece abaixo do lençol freático de água doce

• O bombeamento e o rebaixamento podem causar influxo de água salgada para o que seriam naturalmente aquíferos de água doce

Problemas nas águas subterrâneas

• Pressão das águas subterrâenas mantém os grãos da rocha afastados

• Quando a água é removida a pressão da água subterrânea é reduzida, causando subsidência acima do aqüífero

Problemas nas águas subterrâneas

Descrição dos Aquíferos e Aquitardes

Aquíferos e Aquitardes

Aquífero: corpo de rocha ou sedimento saturado através do qual a água pode mover-se facilmente

Aquitarde: rocha ou sedimento que retarda o fluxo de águas subterrâneas devido à baixa porosidade e/ou permeabilidade

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Caracterização do Fluxo de Águas Subterrâneas

Lei de Darcy

A lei de Darcy fornece uma descrição precisa do fluxo de água subterrânea em quase todos os ambientes hidrogeológicos

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Henri Darcy

Henri Darcy estabeleceu empiricamente que o fluxo de água através de uma formação permeável é proporcional à área de escoamento e ao gradiente hidráulico, e é inversamente proporcional ao comprimento do percurso do fluxo.

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Em geral, a Lei de

Darcy serve para

1. Fluxo saturado e insaturado fluxo

2. Estado estacionário e fluxo transiente

3. Fluxo em aquíferos e aquitardes

4. Fluxo em sistemas homogêneos e heterogêneos

5. Fluxo em meios isotrópicos ou anisotrópicos

6. Fluxo em rochas e meios granulares

* Pode também ser válido para o fluxo em meio fraturado

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Lei de Darcy

Aparelho experimental

K = Condutividade Hidráulica

Q ∝ A Q ∝ Δh

Q ∝ 1/L

Q ∝ A Δh/L

Q=-KAI

where I = Δh/L

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K representa uma medida da capacidade de fluxo através de meios porosos

Faixa de Condutividade Hidráulica (K)

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V (L/T) Q taxa de descarga (L3/T)

Área de seção transversal (L2)

A

Q = V*A (continuity equation)

Velocidade de Darcy = Descarga Específica

=

Velocidade de Darcy

Velocidade de Darcy é uma velocidade fictícia, uma vez

que assume que o fluxo ocorre através de toda a

secção transversal da amostra de solo

O fluxo de fato ocorre apenas através de canais de

poros interconectados

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Velocidade de Darcy

Velocidade de infiltração

Velocidade de infiltração v (L/T) = Q (L3/T)

A n (L2)

mas Q = K i A (Lei de Darcy)

n K i

A n K i A

então v = =

Velocidade de infiltração

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n = porosidade (adimensional)

v = Velocidade média linear [L/T]

K = Condutividade hidráulica [L/T]

ne = Porosidade efetiva [L3/L3]

h/ l = Gradiente hidráulico [L/L]

Velocidade média linear

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- v = K ne

h l

Velocidade de fluxo das águas subterrâneas

Cálculo*

1) Determinar a taxa de fluxo no aquífero

2) Estimar o tempo de deslocamento do topo do aquífero para um ponto 4 km a jusante

* assumindo nenhuma dispersão ou difusão

Características do local

• Um aquífero confinado tem uma fonte de recarga

• K para o aquífero é 50 m/dia, e n é 0.2

• A carga piezométrica em dois poços 1000 m distantes

é 55 m e 50 m respectivamente, a partir de um

ponto de referência comum.

• A espessura média do aqüífero é de 30 m, e a largura

média é de 5 km

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Solução (Velocidade de Darcy)

• Área da seção transversal

A =30x5000 = 15x104 m2

• Gradiente hidráulico

I = (55-50)/1000 = 5x10-3

• Taxa de fluxo

Q=KAI = (50 m/dia)(15x104 m2)(5x10-3) = 37,500 m3/dia

• Velocidade de Darcy

V = Q/A = (37,500m3/dia)/(15x104 m2) = 0.25m/dia

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Solução (Velocidade de Infiltração e Tt)

• Velocidade de Infiltração

Vs = V/n = (0,25) / (0,2) = 1.25 m/dia (cerca de 4,1 ft/dia)

• Tempo de deslocamento 4 km a jusante

Tt = 4000m/1,25m/dia = 3200 dias ou 8,77 anos

Este exemplo mostra que a água subterrânea pode se mover muito lentamente ~ 9 anos para percorrer 4 km

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Estimated groundwater residence times

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A heterogeneidade resulta em uma variedade de características de fluxo e transporte em sistemas naturais

Resumo

• O fluxo de águas subterrâneas é um processo complexo, que é descrito por leis empíricas baseadas em hipóteses simplificadas

• A zona insaturada é um ambiente de fluxo complexo que é descrito por processos não-lineares, e pode ser caracterizada por fluxos de escoamento preferenciais

• Os sistemas naturais são caracterizados por variabilidade (heterogeneidade) que se estende até 14 ordens de grandeza da condutividade hidráulica - velocidades de fluxo podem variar em função disso (por exemplo, km/dia a mm/ano)