Águas Subterrâneas Eudes José Arantes

Importância das Águas Subterrâneas

Ciclo Hidrológico

Formações Geológicas Rochas Ígneas Rochas Sedimentares Rochas Metamórficas Arenito Folhelhos Argilosos Granito Rochas Calcárias Quartzito Filitos e Micaxistos Gnaisse Mármore

Formações Geológicas Isotrópico e Homogêneo Isotrópico e Heterogêneo Anisotrópico e Homogêneo Anisotrópico e Heterogêneo

Formações Geológicas (porosidade)

Tipos de Aqüíferos

Aqüífero Freático.

Zonas de Aeração e Saturação

Origem das Águas Subterrâneas Superfície do terreno Camada Impermeável Zona de aeração ou não saturada Zona saturada L. livre, com P = Patm  = saturado; K = Ks L. confinado, com P > Patm  = s; K = Ks Zona de transmissão Zona radicular Água do Solo  < s; K = K() Água Gravitacional  < saturado; K = K() = umidade volumétrica; s = umidade na saturação ; Ks = condutividade na saturação

Águas Subterrâneas Do ponto de vista hidrológico, a água encontrada na zona saturada do solo, chamada de aqüífero, é dita subterrânea. Segundo Linsley, chama-se aqüífero a formação geológica que contém água e esta pode mover-se em quantidades suficientes para permitir um aproveitamento econômico. Aqüífero: Formação porosa (camada ou estrato) de rocha, areia capaz de armazenar e transmitir água através dos poros.

Águas Subterrâneas Os aqüíferos têm propriedades ligadas ao armazenamento de água no solo tais como a porosidade, a condutividade hidráulica, a umidade, etc. Chama-se porosidade efetiva a quantidade de água que pode drenar livremente de uma amostra saturada dividida pelo volume da amostra. O solo possui duas zonas distintas: a zona não saturada ou de aeração e a zona saturada

Lei de Darcy K H Q L Hipóteses: escoamento permanente (Q = constante) meio homogêneo e isotrópico saturado ( mesmo solo e mesmas propriedades nas três direções – Kx = Ky = Kz = Ks = K) K Q L H

Lei de Darcy Condutividade Hidráulica [L/T]

Lei de Darcy A Lei de Darcy rege o escoamento da água nos solos saturados e é representada pela seguinte equação: Onde: V = velocidade da água através do meio poroso; K = condutividade hidráulica saturada dh = variação de Carga Piezométrica dx = variação de comprimento na direção do fluxo dh/dx = perda de carga Perda de carga = decréscimo na carga hidráulica pela dissipação de energia devida ao atrito no meio poroso. O sinal negativo denota que a carga diminui a medida que x aumenta

Lei de Darcy Condutividade Hidráulica K  medida da habilidade de um aqüífero conduzir água através do meio poroso; é expressa em m/dia, m/s, mm/h [K = v/(dh/dx)]. Condutividade Hidráulica é a não resistência ao fluxo, por exemplo: Na Areia a velocidade do fluxo é maior, então K é maior Na argila a velocidade do fluxo é menor, então o K é menor.

Algumas Propriedades Hidrogeologias Porosidade   razão entre o volume de vazios e o volume de solo: Umidade   razão entre o volume de vazios e o volume de água; para condições saturadas, todos os vazios estão preenchidos com água e, portanto, a umidade é dita saturada e se aproxima do valor da porosidade:

Tipos de Aqüíferos Não-Confinado (Freáticos ou Livres): Aqüífero encerrado apenas por uma formação impermeável na parte de abaixo. A água num aqüífero livre é também dita lençol freático.. Confinado (Artesiano ou Cativo): Aqüífero encerrado entre formações impermeáveis ou quase impermeáveis. Ele está sob pressão maior do que a pressão atmosférica. A água num aqüífero confinado é também dita lençol artesiano.

Tipos de Aqüíferos

Aqüífero livre As cargas h1 e h2 são avaliadas através de piezômetros A= l .h v = k . dh/dx Q = v. A Q = (k.dh/dx).(l.h) Q = k.l.h.dh/dx Integrando:  Q = k.l.(h12 - h22)/(L.2)

Algumas Definições Importantes Perda de Carga: Decréscimo na carga hidráulica causada pela dissipação de energia (fricção no meio poroso). Para o aqüífero freático: Nível Freático ou Nível de Água: Altura da água de um aqüífero não-confinado, freático ou livre medida num poço de observação. Superfície Freática: Superfície cujos pontos em relação igual ao nível de água no aqüífero freático.

Exercício Calcule a condutividade hidráulica e a vazão no aqüífero livre. Dados: K= 1 x 10-3 m/s e l = 10m. 1 2 L= 780m 15m 18m Imper. Datum 10m 7m

Aqüífero confinado As cargas h1 e h2 são avaliadas através de manômetros l Q h1 h2 L Δh b Q = V. A Q =[ K . dh/dx] . A Como: A = l . b , então: Q = K . l . b dh/dx Integrando:  Q = k.l.b.(h1 - h2)/L

Algumas Definições Importantes Perda de Carga: Decréscimo na carga hidráulica causada pela dissipação de energia (fricção no meio poroso). Para o Aqüífero Confinado: Carga Piezométrica ou Altura Piezométrica: Altura da água de um aqüífero confinado medida num piezômetro em relação ao fundo do aqüífero (z + P/). Superfície Piezométrica: Superfície cujos pontos estão em elevação igual à altura piezométrica.

Algumas Propriedades Hidrogeologias Trasmissividade T  taxa volumétrica de fluxo através de uma secção de espessura “b”. T = K . b Onde:T é a coeficiente de transmissividade (m2/s) K é a condutividade hidráulica (m/dia; m/s); b é a espessura do aqüífero confinado (m). b

Exercício Calcule a condutividade hidráulica e a vazão no aqüífero confinado. Dados: K= 1 x 10-3 m/s e l = 10m. Imper. Datum 1 2 L= 780m 10m 13m 5m

Hidráulica de Poços Poço é uma obra de engenharia regida por norma técnica destinada a captação de água do aqüífero; Quando iniciamos o bombeamento de um poço, ocorre um rebaixamento do nível da água do aqüífero, criando um gradiente hidráulico (uma diferença de pressão) entre este local e suas vizinhanças. Este gradiente provoca o fluxo de água do aqüífero para o poço, enquanto estiver sendo processado o bombeamento. A condição de exploração permanente (Q=cte) dá-se quando a vazão de exploração é igual a vazão do aqüífero para o poço; Se o bombeamento parar, o nível d’água retorna ao nível original (recuperação).

Hidráulica de Poços Ao nível em que se encontra a água dentro do poço quando este está sendo bombeado chamamos de nível dinâmico.

Hidráulica de Poços O rebaixamento do nível d’água possui a forma cônica, cujo eixo é o próprio poço. A formação deste cone responde à necessidade de a água fluir em direção ao poço para repor a que está sendo extraída. A forma do cone de depressão dependerá dos seguintes fatores: Do volume de água que está sendo bombeado: um mesmo poço apresentará cones de tamanhos diferentes em função do volume de água que está sendo extraída. Da permeabilidade do aqüífero: esta determinará a velocidade com que a água se movimenta para o poço.

Hidráulica de Poços A vazão que deve ser retirada do poço deve ser menor ou igual a vazão que chega ao poço, para que não ocorra uma depreciação até a exaustão do aqüífero. A estimativa da vazão de exploração através do poço é baseada na equação de Darcy considerando fluxo permanente (Q=cte). A equação de Darcy descreve o comportamento hidráulico dos poços, com base nas seguintes suposições: o poço é bombeado à taxa constante (Q = cte) o fluxo d’água para o poço é radial e uniforme (A = h.2..r) o poço penetra por toda a espessura do aqüífero; o aqüífero é homogêneo em todas as direções;

Hidráulica de Poços Aqüífero Livre Q = vazão rp = raio do poço de produção r1 = distância ao poço de observação p1 r2 = distância ao pço de observação p2 h1,2 = cargas hidráulicas nos poços 1 e 2 Aqüífero Livre r2 r1 Q = cte rp Solo Linha Piezométrica Impermeável h1 h2 h r

Hidráulica de Poços Aqüífero Livre v = -K.dh/dr Q = v.A A = h.2..r Logo: Q = (-K.dh/dr).(h.2..r) [Q/(K.2 )].dr/r = -h.dh integrando entre h1 e h2 quando r=r1 e r=r2 respectivamente, obtém-se Q = K. .(h12 – h22)/[ln(r1/r2)]

Hidráulica de Poços Aqüífero Confinado Q = vazão rp = raio do poço de produção r1 = distância ao poço de observação p1 r2 = distância ao pço de observação p2 h1,2 = cargas hidráulicas nos poços 1 e 2 b = espessura da camada confinada Aqüífero Confinado r2 r1 Q = cte rp Solo Linha Piezométrica Impermeável h1 h2 b

Q = K. b.2..(h1 – h2)/[ln(r1/r2)] Hidráulica de Poços Aqüífero Confinado v = -K.dh/dr Q = v.A A = b.2..r Logo: Q = -K.dh/dr (b.2..r) [Q./(K.2.b.)]dr/r = -dh integrando entre h1 e h2 quando r=r1 e r=r2 respectivamente, obtém-se Q = K. b.2..(h1 – h2)/[ln(r1/r2)]

Exercício: 1 Um poço de 50 cm de diâmetro penetra totalmente em um aqüífero não confinado com espessura de 30m. O rebaixamento no poço bombeado é de 10 m e a permeabilidade doaqüífero de pedregulho é de 6,4 x 10-3 m/s. Se o escoamento é permanente e a vazão bombeada é 0,414 m3/s, determine o rebaixamento da linha freática em um ponto distante 100m do poço. 2 Um aqüífero artesiano de 10 m de espessura com uma superfície piezométrica de 40 m acima do fundo da camada confinante está sendo bombeado por um poço totalmente penetrante. O aqüífero é um meio arenoso com permeabilidade de 1,5 x 10-4 m/s. Dois poços de observação alinhados com o poço tem rebaixamentos observados de 5 e 1 m e estão distanciados, respectivamente, a 20 e 200m do poço bombeado. Determine a vazão.

Parâmetros de Aqüíferos Transmissividade (T) [L2/T] É a capacidade de um aqüífero de transmitir água horizontalmente. Coeficiente de Armazenamento (S) As capacidades dos meios recebedores de água em armazenarem transmitir água. Difusividade Hidráulica (X) [L2/T] É um parâmetro pouco utilizado, este representa o transporte de uma onda mecânica através do aqüífero.

Parâmetros de Aqüíferos Coeficiente de Armazenamento Aqüífero Confinado Aqüífero Livre S0 = Armazenamento específico

Parâmetros de Aqüíferos Determinação dos Parâmetros Métodos de campo. Teste de Bombeamento: Determinação de K, T e S. Infiltração: Determinação de K Open-end-test: Determinação de K Infiltrômetros: Determinação de K Métodos de Laboratório. Ensaios de Permeabilidade (transiente ou permanente): Determinação de K Granulometria: Estimativa de K

Redes de Fluxos

O Aqüífero Guarani. Características Extensão: 1,2 milhões de Km2 Profundidade média ≈ 250 m Profundidade máxima ≈ 1500 m Formações Geológicas: Formação Botucatu e Pirambóia. Área de Afloramento ≈ 150000 Km2 Taxa de recarga estimada ≈ 166 km2/ano

O Aqüífero Guarani

O Aqüífero Guarani

O Aqüífero Guarani (No estado de São Paulo)

Interação Rio x Aqüíferos

Tipos de Interação

Medidas da Interação Infiltrômetros Diferença de Vazões em Trechos Lisímetros de Fundo de Rio Mini-Piezômetros Balanço Hídricos Traçadores

Bacia de Estudos Bacia do Ribeirão da Onça.

Emprego dos Infiltrômetros.

Emprego de Mini-Piezômetros Δl

Estimativa do Surgimento Sendo: L = 38,62 km Largura da seção do Ribeirão da Onça  5 m Largura média dos afloramentos de margem  5 m Largura média total da área de contribuição do aqüífero ao rio, B  10 metros qs [m/s] é a taxa de surgimento qs ≈ 1,58*10-6m/s ou 136,5 mm/dia

Resultados

Resultados

Resultados

Resultados

Resultados

Determinação da Condutividade Hidráulica Equação de Darcy

Estimativa da Condutividade Hidráulica (granulométrica) d10 = 0,12 mm. d60 = 0,27 mm. Cu = 2,25 Classificação: Areia media a fina, uniforme. (HASEN) C=100

Conclusões Água subterrânea é um importante recurso hídrico. O Aqüífero Guarani (uma das maiores reservas de água do planeta) Determinação de parâmetros de aqüíferos Construção de redes de fluxos A utilização de Infiltrômetros na quantificação da interação rio aqüífero e na determinação de da condutividade hidráulica.