hidrologia e gestao de bacias hidrográficas - Águas subterrâneas

7/23/2019 Hidrologia e Gestao de Bacias Hidrográficas - Águas Subterrâneas

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Águas Subterrâneas

Hidrologia e Gestão de Bacias



Hidrologia de águas subterrâneas

ontem: ciência que estuda a ocorrência, distribuição emovimentação da água na parte subterrânea da terra.

hoje: a definição deve ser ampliada para incluir aspectos dequalidade da água, poluição e descontaminação.

O Ciclo Hidrológico é um sistema (constituído de partes física oufuncionalmente integradas). A separação em hidrologia superficial esubterrânea é artificial e imposta pela necessidade de simplificar osestudos.



Características

# movimento lento relativamente a aguas superficiais:• velocidades típicas: 1 m/dia (aguas subterrâneas)

1 m/s (aguas superficiais)

• relação: dezenas de milhares de vezes

• fluxo: agua subt.> laminar agua superf.> turbulento

• tempo de residência médio: 280 anos (ate dezenas de milharesde anos)

•

recarga muito pequena• enorme volume de poros



# consequências:

1. reserva grande e confiável (imune a variações climáticas de curto emédio prazos) e naturalmente protegidas contra poluição.

2. em contrapartida, uma vez poluído pode levar séculos para se auto-descontaminar através de seus mecanismos de fluxo. Os métodos dedescontaminação artificial são lentos e muito caros.

Características



Estimativa das reservas

As estimativas das reservas mundiais variam consideravelmenteentre autores (entre 4 e 60 milhões de km3) mas de qualquer forma sãomuito grandes.

No Brasil a estimativa é de 100.000 km3 dos quais cerca de 50% na

bacia do Paraná.Nos EUA mais de 50% da água potável é proveniente de águas

subterrâneas.

No Brasil as estatísticas são incompletas. No estado de São Paulo

existem mais de 10.000 poços tubulares.



Vantagens do uso de águas subterrâneas para abastecimento

imune a flutuações climáticas (secas prolongadas por exemplo) relativamente protegida contra poluição

geralmente dispensa tratamento e grandes adutoras

escalonamento no tempo e mais flexível (os poços vão sendo

construídos na medida das necessidades)



Aquíferos, Aquitardes e Aquicludes

Aquíferos: formação geológica capaz de armazenar e transmitir

"quantidades significativas " de água sob gradientes naturais.Quantidades significativas: são aquelas economicamente viáveis, por

exemplo para suprir: Α abastecimento municipal: 500 a 10.000 m3/dia Α abastecimento rural: 20 a 100 m3/dia Α abastecimento residencial: 5 a 20 m3/dia

Conceito de aquífero é portanto relativo ( em regiões desérticas 5m3/dia pode caracterizar uma camada geológica como aquífero).

Tipicamente:

• areias e cascalhos em regiões costeiras e planícies aluviais

• arenitos

• basaltos fraturados

• calcáreos



Aquitardes: são formações que armazenam água mas não atransmitem com facilidade (tipicamente argilas e folhelhos). Uma ouduas ordens de grandeza menos permeáveis que os aquíferos.

Não são importantes do ponto de vista de produção de água mas

podem ser do ponto de vista de poluição (concentrações muitopequenas, da ordem de partes por bilhão de benzeno ouorganoclorados podem causar danos à saúde).




Aquicludes: caso extremo de aquitarde; podem ser consideradosimpermeáveis em termos práticos.

Observação: a necessidade de considerar problemas de poluição nãopermite tratar nenhuma formação geológica como impermeável. Apoluição por solventes pode aumentar significativamente apermeabilidade de argilas.




Freáticos ou não-confinados: possuem uma superfície freática, oulençol freático, que é a superfície superior da zona de saturação sujeitaà pressão atmosférica

Classificação dos aquíferos




Representação esquemática da ocorrência do aquífero freático e sua inter-relação comos cursos d’água: num caso, recebendo a alimentação do curso d’água (típico de região

árida cortada por rio perene) e, em outro, alimentando as nascentes do curso d’água

(comum em regiões montanhosas).

f íf



Artesianos ou confinados: são camadas geológicas permeáveissujeitas a uma pressão maior que a atmosférica devido à presença de

camadas relativamente impermeáveis acima e abaixo do aquífero. É acamada B da Figura 1. A área de afloramento 1 é a área de recarga.Nesta área o aquífero é freático.

Poços perfurados em aquíferos confinados apresentam o fenômenode artesianismo, ou seja, o nível d'agua se eleva até atingir a linhapiezométrica. Poços artesianos podem ser surgentes ou não,dependendo da posição da linha piezométrica em relação à superfíciedo solo.


l f d íf




l



gua no solo

Porosidade: é o volume de vazios em uma amostra de solos. Em

porcentagem tem-se:

Porosidade efetiva: refere-se à quantidade de água que drena de uma

amostra saturada apenas pela ação da gravidade.

Retenção específica: é o volume que não drena por gravidade, nr,também chamada capacidade de campo

l



Valores aproximados de porosidade e porosidade efetiva para diversosmateriais

gua no solo

Material Porosidade (%) Porosidade Efetiva

(%)

Argila 45 2Areia 35 25

Pedregulho 25 22

Pedregulho e Areia 20 16

Arenito 15 8

Calcáreo e folhelho 5 2

Quartizito e Granito 1 0,5

M i d á l



Os vazios do solo são geralmente interconectados e permitem, portanto, que a água se

mova através deles. A facilidade ou dificuldade que um solo tem em transmitir água é

a sua propriedade hidrogeológica mais significativa. Este parâmetro chamado de

condutividade hidráulica, K, tem a dimensão de velocidade.

O tamanho dos poros e o grau de interconexão entre eles condicionam o valor deste

parâmetro.Exemplos:

Areia e pedregulho têm grande condutividade hidráulica pois seus poros são

grandes e interconectados.

Basalto vesicular tem muitos poros que entretanto não são conectados e portanto

sua permeabilidade é pequena.

Argila tem porosidade grande mas os poros são muito pequenos e a água tem

dificuldade para movimentar-se.

Movimento da água no solo

M i d á l



Faixas de variação da condutividade hidráulica para diversos materiais


Material Permeabilidade

Intrínseca (darcys) Condutividade (cm/s)

Argila 10-6 a 10-3 10-9 a 10-6

Silte, silte arenoso e areiaargilosa

10-3 a 10-1 10-6 a 10-4

Areias siltosas, areias finas 10-2 a 1 10-5 a 10-3

Areia de granulometria variada 1 a 102 10-3 a 10-1

Pedregulho de granulometriavariada

102 a 103 10-2 a 1

M i d á l



O Experimento de Darcy


K é função do meio poroso e do fluidoonde:Ki = condutividade intrínsecaμ = viscosidade dinâmica

ρ = densidade do fluidog = aceleração da gravidade

M i t d á l




Esquema ilustrativo da

experiência de Darcy(permeâmetro de cargaconstante)

M i t d á l



Quanto maior as aberturas menor a resistência ao movimento. Aquantidade de vazios é função do quadrado do diâmetro médio dosgrãos do solo Dm:

C é o fator de forma que depende do arranjo dos grãos no solo. Ki temdimensão de área.


É comum a apresentação da Lei de Darcy na forma:

onde por analogia com a equação da continuidade substituiu-se Q/Apor Va.

M i t d á l



Va é a velocidade aparente e não representa a velocidade média dofluido pelos poros mas a vazão por unidade de área.

A velocidade média da água é:


Hid á li d



em regime permanente:Se um poço atravessa totalmente um aquífero freático extenso,isotrópico e homogêneo, no qual o lençol é horizontal, ao ser iniciadoum bombeamento forma-se uma depressão circular pois não poderáhaver escoamento em direção ao poço se não houver gradientehidráulico. Esta depressão é chamada de cone de depressão e oabaixamento do nível de água Z chama-se rebaixamento.

Sendo Y a espessura original do aquífero e Y - Z = y, pode-se calcular avazão afluente ao poço a uma distância x deste poço pela lei de Darcy:

Hidráulica de poços

Hid á li d



sendoonde

A = área do cilindro através do qual se verifica o escoamento

Ks = condutividade hidráulica

dh/dx = gradiente hidráulico

Perfurando-se poços de observação a distâncias r1 e r2 do poço que estásendo bombeado e se os

valores de y nesses poços forem d1

e d2

, a integração da equação 10dará, após algumas simplificações


Hid á li d



Esta formula foi proposta por Dupuit (1863).Esta formula também se aplica a aquíferos artesianos com seus termosindicados na Figura 3.

A equação de Dupuit tem aplicações muito limitadas porque:

para que as linhas de fluxo sejam horizontais e preciso que o poçoatravesse todo o aquífero

admite-se regime de equilíbrio (regime permanente), ou seja, asvariáveis do problema não se alteram com o tempo; esta condição

demoraria muito tempo para ocorrer (anos) e na pratica nunca severifica; para aplica-la com penetração parcial (resultadosaproximados) deve-se ter r>1.5y e observar uma serie de outrascondições difíceis de ocorrer na pratica.


Hid á li d




Hid á li d



em regime não permanente:

Será analisado somente o caso de aquíferos confinados. A análise deaquíferos freáticos é um pouco mais complicada, embora seja baseadaem conceitos semelhantes.

A água de um aquífero confinado é obtida da expansão elástica da águaquando a pressão é reduzida e pela redução dos poros pelacompactação do aquífero.

O parâmetro que caracteriza este processo chama-se armazenamentoespecífico, Se, e é definido como sendo a quantidade de água liberadapor um volume unitário de aquífero quando a carga piezométrica abaixa

1 m ( unidade metro-1). Chama-se coeficiente de armazenamento S aoproduto do armazenamento específico pela espessura do aquífero b:

S é adimensional.





O valor de S é normalmente pequeno. Valores da ordem de 0,001 sãotípicos. Como a expansão elástica da água é muito pequena o valor de Sdepende mais da compressibilidade do aquífero.

Para se obter uma produção significativa de um poço perfurado em

aquífero confinado é necessário uma grande extensão de aquífero e/ouum rebaixamento elevado da linha piezométrica.





Exemplo 1


Um aquífero de 400 Km2 cujo coeficiente de armazenamento é 0,005

contém um único poço. Qual a quantidade de água produzida se a linha piezométrica for rebaixada de 30 m?

V= 0.005 x 400 x 106 x 30 = 60 x 106 m3

Este volume é suficiente para atender à demanda de uma cidade de80.000 habitantes durante 10 anos, admitindo consumo de 200l/hab.dia.




Método de Theis

Admite aquífero isotrópico e homogêneo de espessura constante com o

poço penetrando totalmente no aquífero.


ondeQ = vazão de bombeamento constanteh = posição da linha piezométrica após o tempo t

h0 = posição da linha piezométrica antes do início do bombeamentor = distância do poço de observação ao poço de bombeamentoT = transmissividade do aquíferoS = coeficiente de armazenamentoA série infinita entre colchetes é chamada função do poço W(u). A Tabela 3 mostra

valores de W(u) em função de u.




Tabela de Wenzel (1942) para os valores da função do poço, W(u), em termos de u.





T e S são os parâmetros mais importantes de um aquífero confinado.Eles podem ser obtidos da equação de Theis através dos chamadostestes de bombeamento. Nestes testes bombeia-se o poço durante umtempo longo (1 a 2 dias) e registra-se o rebaixamento em poço deobservação situado a uma distância r. No sistema formado pelas

equações 15 e 16 as únicas incógnitas são T e S.A solução não é explícita mas pode ser feita por métodos gráficos enuméricos.





Exemplo 2

Um poço está localizado em um aquífero que tem um a condutividadehidráulica de 15m por dia e coeficiente de armazenamento de 0,005. Oaquífero tem 20 m de espessura e está sendo bombeado com uma vazãoconstante de 2500 m3 /dia. Qual é o rebaixamento a uma distância de 7

m do poço após 1 dia de bombeamento?

T = 15 m/dia x 20 m = 300 m2 /dia

u = (7 m )2

x 0,005 / (4 x 300 m2

/dia x 1 dia) = 0,0002

Da Tabela 3 para u= 0,0002, W(u) = 7,94

h0 - h = (2500 m3 /dia x 7.94) / (4 x 3,14 x 300 m2 /dia) = 5.26 m




BIBLIOGRAFIALEME, Francílio Paes (1984). Engenharia do Saneamento Ambiental . Rio de Janeiro: LTC – LivrosTécnicos e Científicos Editora.DAKER, Alberto (1983). Captação, Elevação e Melhoramento da Água. A Água na Agricultura –

2o volume, 6a edição. Livraria Freitas Bastos.

LENCASTRE, Armando (1983). Hidráulica Geral . Edição Luso-Brasileira. Hidroprojecto. Coimbra,Portugal.TUCCI, Carlos E. M. – organizador (1993). Hidrologia: Ciência e Aplicação. Coleção ABRH deRecursos Hídricos. Porto Alegre: Ed. da UFRGS; ABRH; EDUSP.VILLELA, Swami Marcondes & MATTOS, Arthur (1975). Hidrologia Aplicada. S. Paulo: McGraw-Hill do Brasil.

HAMMER, Mark J., (1986). Water and Wastewater Technology . John Wiley & Sons.

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