APLICAÇÃO DE UMA TÉCNICA MISTA DE ANÁLISE EM COMPONENTES PRINCIPAIS E VARIOGRAFIA À CLASSIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE PIEZÓMETROS

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1 APLICAÇÃO DE UMA TÉCNICA MISTA DE ANÁLISE EM COMPONENTES PRINCIPAIS E VARIOGRAFIA À CLASSIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE PIEZÓMETROS An Cristin BUXO 1 ; Luís RIBEIRO 2 RESUMO A onitorizção dos sistes quíferos e gerl e e prticulr dqueles sujeitos fortes pressões externs, uits vezes decorrentes d ctividde hun, iplic utilizção de técnics que perit identificr quis s principis crcterístics do siste. A plicção de técnics de nálise de ddos à onitorizção piezoétric, pode ser usd coo u eio expedito pr coprr grndes volues de ddos, ebor teoricente, ests técnics presente desvntge de sere incpzes de incorporr o conheciento epírico que o hidrogeólogo possui sobre o quífero. U ds liitções à plicção corrente dest técnics é o fcto de, n iori ds redes de onitorizção, s séries teporis dos piezóetros não se presentre contínus e siultânes entre os vários pontos. Aplicou-se ssi e lterntiv, u técnic de nálise de ddos e que se substitui inforção ds séries teporis pelos vriogrs teporis, sendo que est edid geoesttístic te coo vntge o fcto de ser u síntese dos vários fctores que ctu sobre o siste. Plvrs-chve: Sistes Aquíferos, Monitorizção, Séries Piezoétrics, Análise e Coponentes Principis (ACP), Vriogrfi. 1 - INTRODUÇÃO 1 Geólog, CVRM / Instituto Superior Técnico, Av. Rovisco Pis, 196 Lisbo - Portugl 2 Prof. Auxilir, CVRM / Instituto Superior Técnico, Av. Rovisco Pis, 196 Lisbo - Portugl 1

2 A inforção piezoétric, pel su nturez é cpz de fornecer váris igens sobre o coportento de u quífero ou siste quífero. Mis frequenteente nálise fz-se trvés d obtenção de odelos d superfície piezoétric, plicndo étodos de estição ou outros, prtir ds edições pontuis efectuds nos diversos piezóetros disponíveis. Contudo est inforção tbé pode ser trblhd do ponto de vist d su evolução teporl, trvés do estudo, individul ou conjunto, ds séries teporis dos diferentes piezóetros. U outro specto uito iportnte ter e cont n nálise do quífero ou siste quífero é su intercção co os vários sistes externos, nturis ou ntropogénicos, que influenci su evolução. Nesse sentido foi objectivo deste trblho nlisr intercção de u siste quífero co fctores coo pluviosidde ou rede de drenge superficil, lé do potencil ipcte gerdo pel presenç de u explorção ineir e profundidde. Contudo, há que ter e cont que diferentes fenóenos poderão ter efeitos siilres sobre piezoetri. Por exeplo, nu piezóetro onde se verifique u tendênci continud pr descid do nível piezoétrico, este efeito poderá ser devido quer à drenge profund provocd pelos ocos ineiros coo poderá tbé resultr d progressiv diinuição d quntidde de águ d chuv disponível pr recrg dos quíferos, e resultdo do período de sec que fectou região. Por fi há igulente que considerr nturez do siste quífero estuddo e e prticulr d su unidde is profund, correspondente u quífero co crcterístic de frcturdo ou fissurdo, resultnte d presenç de u icrofissurção generlizd e loclente dens, s uito heterogéne. Há ssi interesse e deterinr possibilidde de existir u pdrão espcil prticulr, noedente zons onde se verifique vrições bruscs do nível piezoétrico nu rio de poucos etros e oposição blocos is ou enos hoogéneos onde o coportento dos piezóetros sej is ou enos siilr. 2 - A REDE DE OBSERVAÇÃO PIEZOMÉTRICA N áre de estudo considerd (Áre Mineir de Neves Corvo) existe u siste quífero coplexo constituído por três sub-sistes e conexão hidráulic entre si. As crcterístics destes sub-sistes são s seguintes: Sub-Siste Superficil ou Epidérico Tbé designdo por Sub-Siste Cutâneo, coport-se coo u quífero/quitrdo reltivente heterogéneo de crácter livre sei-confindo, correspondente à cd superficil de rochs eteorizds, ssocids u fix de fissurção superficil resultnte d descopressão dos teriis rochosos, e prticulr os de nturez is copetente. Pel su génese est fix de teriis lterdos terá espessurs pouco significtivs té porque s fissurs tende fechr pr profundidde, diinuindo perebilidde do eio. Sub-Siste Interédio ou Hipodérico 2

3 Loclizdo bixo do siste cutâneo è tbé designdo por Siste Coplexo e é fordo pelo conjunto de flhs sub-verticis que trvess sequênci litoestrtigráfic desde superfície té grndes profundiddes. Est zon clssific-se coo u quífugo, coportndo-se essencilente coo u zon de trnsferênci de águ entre os sistes supr e subjcentes, sendo o sentido dess trnsferênci deterindo e cd ltur pels diferençs de potencil desses sistes. Sub-Siste Profundo È o is profundo dos sistes identificdos. Corresponde u quífero que n situção nterior o desenvolviento dos trblhos ineiro seri confindo, resultnte d presenç de u icrofissurção be disseind, centiétric deciétric. Este siste encontrv-se inicilente nu situção de equilíbrio dinâico, co counicção hidráulic entre estes três níveis, e que o sentido do fluxo verticl dependi essencilente d relção deste siste quífero co s vriáveis cliátics, e prticulr pluviosidde e co rede de drenge superficil. Posteriorente, foi iplntd n zon u explorção ineir que e profundidde veio lterr o esque de circulção existente, trvés d crição de ocos que se locliz fundentlente o nível do sub-siste profundo. Co o objectivo de estudr evolução deste siste quífero e e prticulr do ipcte d explorção ineir no sub-siste profundo, foi nlisd evolução d superfície piezoétric o longo de u período de 12 nos. A rede de observções piezoétric cobre u áre de cerc de 5 K 2 e é constituíd por cerc de 2 piezóetros pr os quis existe u totl de quse 52 edições efectuds o longo de u período de 12 nos. Apesr d prente densidde e riquez de ddos, estes não pode contudo ser nlisdos e/ou coprdos directente devido à nturez d rede piezoétric. Assi, há que considerr os seguintes fctores: No conjunto dos piezóetros referidos nteriorente, distingue-se dois grupos principis: u fordo por poços de pequen profundidde, designdos por ntepoços e outro fordo por poços que teoricente trvess todo o siste quífero, designdos por sondgens profundos; A profundidde dos piezóetros não se nteve constnte o longo do tepo visto que lguns nte-poços for posteriorente profunddos; A configurção d rede de observção piezoétric é uito vriável o longo do tepo devido à constnte construção de novos piezóetros ou bndono de outros, gerlente devido à degrdção e colpso ds predes dos poços; N verdde, do totl de 2 piezóetros referidos nteriorente, pens 6 tê edições regulres o longo de todo o período considerdo; A periodicidde de ostrge foi reltivente inconstnte durnte os prieiros qutro nos de edições, s prtir dess dt pssou ser relizd enslente. Contudo, nlisndo individulente cd piezóetro é frequente encontrr séries reltivente descontínus. A iportânci d onitorizção deste siste quífero prende-se co questões de nturez divers, noedente questões de âbito hidrogeológico e bientl coo sej o 3

4 ipcte d explorção ineir n quntidde e qulidde ds reservs quífers s tbé questões de orde técnic relcionds co prevenção de forção de águs ácids, o diensionento de equipentos de bobge e construção e diensionento de brrgens de rzenento ds águs extríds. 3 - METODOLOGIA APLICADA De u for genéric, qundo se pretende estudr u ddo fenóeno nturl e s intercções entre os fctores intervenientes, existe lgus técnics que pode ser plicds ness nálise. No entnto, há que ter e cont que os fenóenos nturis não são fáceis de preender n su totlidde e qundo uito pens sbeos que esse fenóeno é resultnte de u vsto núero de vriáveis, se que no entnto sej possível enuerá-ls tods. Por su vez, est diversidde é difícil de nlisr directente, pelo que se recorre à plicção de técnics de nálise ultivrid de ddos cuj principl função é descrever e nlisr s relções entre s váris vriáveis que intervê nu deterindo fenóeno. De entre estes étodos existe u conjunto de técnics genericente designds por Análise Fctoril que pode ser plicds pr deterinção de grus de seelhnç/diferenç entre ostrs e/ou entre proprieddes (vriáveis). Isto iplic orgnizção dos ddos sob for de trizes e que s n linhs corresponde às váris ostrs ou observções e s p coluns corresponde às diverss vriáveis considerds n descrição do fenóeno. Este conjunto de ddos tbé pode ser descrito e teros geoétricos, coo projecção de u conjunto de n vectores, correspondentes às ostrs, nu espço pluridiensionl, co tnts diensões p qunto o núero de vriáveis considerds n nálise. Pr grnde iori dos csos será ssi de esperr que, quer e teros de triz de ddos, quer eso e teros geoétricos, este conjunto de ddos sej desido vsto pr se extríre directente, conclusões sobre s intercções existentes. A Análise Fctoril bsei-se n plicção dos conceitos de Vlores Próprios e Vectores Próprios (eigenvlues e eigenvectores), extrídos prtir de u triz qudrd resultnte d ultiplicção d triz de ddos (ou u su trnsford) pel su trnspost (DAVIS, 1986), dndo orige u novo espço (fctoril), onde se project s ostrs e/ou s proprieddes. A utilizção dos conceitos de vlores e vectores próprios, pels sus crcterístics, perite crir u novo sistes de eixos e que su iportânci diinui à edid que uent su orde de extrcção. Logo é possível reduzir o espço de nálise pr u espço fctoril bi- ou tri-diensionl, obtendo ssi u elhor percepção ds relções existente. A Análise e Coponentes Principis (ACP), é u tipo de nálise fctoril que plic o cálculo dos vlores e vectores próprios prtir d triz d vriânci/covriânci ou d triz dos coeficientes de correlção entre s vriáveis. N fse inicil do trblho prieir hipótese pr plicção d ACP foi sobre s séries piezoétrics edids e vários pontos (ver figur 1), considerndo u triz de 4

5 ddos cujs n linhs corresponderi os piezóetros e s p coluns corresponderi às diverss dts e que for efectuds edições (ver Qudro 1). Est triz teri ssi u estrutur nálog à representção gráfic de u conjunto de séries piezoétrics: Nível Piezoétrico () NA11 NG1 SO18 NF2 SY24 NF My-82 Oct-83 Feb-85 Jul-86 Nov-87 Figur 1 - Séries piezoétrics Apr-89 Aug-9 Qudro 1 Exeplo d triz de ddos plicd à nálise ds séries piezoétrics, e que s n linhs corresponde os vários piezóetros existente n rede de observção e s p coluns corresponde às diferentes dts e que for obtids edições. P i e z ó e t r o s NA11 NA16 SX2 SX2 SY24 D t s dd// dd// dd// dd// dd// Contudo, ddo grnde vribilidde d configurção d rede de observção piezoétric, e que vários piezóetros for sendo incluídos ou excluídos do conjunto de pontos onitorizdos, o fcto de s séries piezoétrics presentre lcuns e não siultneidde ds séries piezoétrics, levou verificr que u triz de ddos co est estrutur não er de todo viável. Est situção pode eso ser considerd o cso is norl qundo se nlis conjuntente s séries teporis de vários pontos de u rede de onitorizção, o que explic tbé porque n iori ds vezes se opt por étodos de nálise epíricos por for suprir s dificulddes de obtenção de registos contínuos e siultâneos de vlores. Foi ssi decidido plicr ACP u novo conjunto de ddos resultnte d plicção de u nálise vriográfic ds séries teporis de cd piezóetro. 5

6 Sendo o vriogr u edid d vribilidde espcil ou teporl entre s ostrs, est edid geoesttístic é cpz de identificr s estruturs inerentes à vriável, crcterizndo ssi o seu coportento. O vriogr experientl (clculdo prtir ds ostrs) é ddo pel expressão: e que: [ Z x Z i+ h xi ] γ * 1 N ( h) 2 ( h) = ( ) ( ) 2N ( h) i= 1 N(h) é o núero totl de pres de pontos seprdos por u distânci h Z (xi) é o vlor d vriável observd no ponto x i Z (xi+h) é o vlor d vriável observd u distânci h de x i (1) Pr o cso dos vriogrs teporis, distânci considerd é obtid e uniddes de tepo. A interpretção do vriogr é feit e função d su for, do seu coportento junto à orige (que define o efeito de pepit) e do seu coportento pr grndes distâncis. A etodologi de coprção dos vriogrs teporis dos vários piezóetros prte do pressuposto que configurções seelhntes dos vriogrs trduze coportentos seelhntes, resultntes dos esos fctores. Considerndo que periodicidde édi ensl ds edições, foi clculdo o vriogr experientl pr cd piezóetro pr u série de clsses teporis, co u psso édio de 3 dis, definids genericente por (hx3), co h=1,2,3,,n. Por u questão de siplificção e fibilidde d nálise, for pens considerdos os piezóetros pr os quis fosse possível o cálculo do vriogr té u distânci de pelo enos qutro nos, ou sej, do totl inicil de 2 piezóetros pens for considerdos 52. De qulquer for, iori dos piezóetros não nlisdos presentv u núero escsso de edições ou séries uito descontínus. Co os ddos dos vriogrs teporis (ver figur 2) obté-se u nov triz de ddos sobre qul se vi plicr ACP. Neste triz (ver Qudro 2) s n linhs represent os piezóetros e s p coluns corresponde os vlores do vriogr teporl pr s váris clsses de tepo Sei-vriogr NA11 NG1 SO18 NF2 SY24 2 dis Figur 2 - Vriogrs teporis de piezoetri 6

7 Qudro 2 Mtriz de ddos pr plicção d Análise e Coponentes Principis, e que s n linhs corresponde os piezóetros e s p coluns corresponde os vlores do vriogr teporl pr diferentes clsses de distâncis. P i e z ó e t r o s NA11 NA16 SX2 SX2 SY24 Clsses de Tepo 3 d 6 d 9 d 12 d 147 d 4 - RESULTADOS DA ACP SOBRE A MATRIZ DOS VARIOGRAMAS TEMPORAIS O cálculo d ACP sobre triz dos vriogrs teporis dá orige à definição de u espço fctoril onde se vão projectr os piezóetros. O objectivo é verificr se neste espço is siplificdo, resslt pdrões de ssocição de piezóetros co coportento siilres. E teros de significânci dest nálise verific-se que inérci ssocid os três prieiros eixos fctoriis é respectivente, 71.5% pr o Eixo 1, 13.2% pr o Eixo 2 e 4.9% pr o Eixo 3, ou sej, n totlidde estes três eixos explic quse 9% de tods s inter-relções entre s entiddes. Isso tbé indic que há u bo discriinção entre piezóetros. No gráfico d figur 3, que represent projecção do diferentes piezóetros sobre o 1º Plno Fctoril, é possível estbelecer seprção entre lguns grupos distintos de piezóetros. Assi, verific-se que discriinção dos piezóetros se fz principlente o longo do 1º Eixo. De u for gerl os piezóetros sepr-se e dois grupos que se project respectivente n prte positiv do 1º Eixo fctoril e n prte negtiv deste eixo. A diferencição dos piezóetros e função do 2º Eixo não é, prenteente, tão significtiv. Qundo se observ os vriogrs teporis deste dois grupos, verific-se que diferenç básic entre eles reside no fcto de o conjunto de 8 piezóetros projectdos no seieixo positivo presentre u coportento, que dentro dos liites teporis considerdos, é não estcionário, ou sej, present u cresciento constnte d função vriogr. Qundo se nlis s série piezoétrics, verific-se que são csos e que ocorrer descids bruscs do nível piezoétrico se que tenh hvido posterior recuperção. Reltivente os piezóetros projectdos no sei-eixo negtivo tê u coportento que, pesr de poder ser clssificdo coo estcionário, present-se is heterogéneo e portnto is difícil de interpretr. A dificuldde de crcterizção deste grupo 7

8 uent ind is qundo se nlis s séries piezoétrics, porque existe configurções uito diverss. 2 Eixo 2 1 SO14 Eixo SJ SJ6 19 SO Nível Piezoétrico Nível Piezoétrico Jn-79 My-8 Sep-81 Feb-83 Jun-84 Nov-85 Mr-87 Aug-88 Dec-89 Jn-79 My-8 Sep-81 Feb-83 Jun-84 Nov-85 Mr-87 Aug-88 Dec G G Dis Dis Figur 3 - Resultdos d nálise e coponentes principis (ACP) sobre os vriogrs teporis ds séries piezoétrics. Observ-se u discriinção dos piezóetros e função d su projecção sobre o 1º Eixo Fctoril, co u seprção grdul entre piezóetros onde predoin u tendênci pr não estcionriedde e os piezóetros co coportento estcionário. No prosseguiento do trblho decidiu-se nlisr is detlhdente o coportento dos piezóetros cujos vriogrs presentv coportento tendencilente estcionário. Pr esse efeito refez-se triz dos vriogrs teporis, excluindo gor quele conjunto de oito piezóetros que se presentv perfeitente diferencidos n prieir ACP. 8

9 O resultdo dest segund nálise (ver figur 4), pr u grupo is restrito de piezóetros veio efectivente confirr que estes presentre vriogrs cujo coportento é estcionário, ou sej, os vlores do vriogr, prtir de u distânci designd plitude, tende estbilizr e torno de u ptr. A distânci prtir do qul ess estbilizção se verific corresponde à distânci áxi que s ostrs estão correlcionds. 2 Eixo 2 1 SH6 Eixo SH6 2 2 Nível Piezoétrico Nível Piezoétrico Jn-79 My-8 Sep-81 Feb-83 Jun-84 Nov-85 Mr-87 Aug-88 Dec-89 Jn-79 My-8 Sep-81 Feb-83 Jun-84 Nov-85 Mr-87 Aug-88 Dec G G Dis Dis Figur 4 - Resultdos d nálise e coponentes principis (ACP) sobre os vriogrs teporis sobre u grupo is restrito de piezóetros, selecciondos d nálise nterior, todos co coportento predoinnteente estcionário, s que reflecte fenóenos co diferentes escls teporis. 9

10 Nest segund ACP é possível distinguir piezóetros que reflecte eventos de diferentes escls teporis, ou sej distinção é essencilente feit co bse n plitude do vriogr. Assi os piezóetros projectdos no 1º sei-eixo negtivo represent vriogrs e que plitude d estrutur é reltivente pequen, n orde dos 3 4 dis. E uitos deles observ-se ind ocorrênci de estruturs periódics (repetição do eso pdrão). Ests crcterístics são indicdors d presenç de u efeito cíclico, que pel plitude ds estruturs prece corresponder o efeito szonl d precipitção. Qunto os piezóetros projectdos no 1º sei-eixo positivo present vriogrs is coplexos, or representdos por estruturs de grnde plitude teporl, noutros csos por estruturs ibricds. Neste grupo é is difícil identificr o fenóeno predoinnte, tnto podendo corresponder u efeito de grnde escl coo u ciclo de sec ou ind u efeito sodo de u descrg suve induzid pelos trblhos ineiros, prcilente recuperd pel precipitção. 5 - CONCLUSÃO Este tipo de nálise sobre os vriogrs teporis é pens u dos uitos pontos de prtid pr nálise do coportento d piezoetri e consequenteente do próprio quífero e si. E prieiro lugr há que distinguir este tipo de bordge de outrs etodologis is correntes, de criz is epírico, e sber quis s vntgens e desvntgens de cd etodologi. N verdde, lguns dos resultdos presentdos poderi ter sido obtidos de fors is directs. Por exeplo, pr vlir influênci d pluviosidde sobre série piezoétric de cd piezóetro, poderíos ter plicdo o cálculo do coeficiente de correlção entre bs s série, té porque coo áre de estudo não é uito grnde, podeos ssuir que os ddos de precipitção obtidos n estção eteorológic locl são válidos pr tod zon. Qunto o estudo d interferênci dos trblhos ineiros ns séries piezoétrics, questão já não é tão siples, porque não podeos quntificr esse efeito. Tbé própri interpretção dos vriogrs teporis poderi ter sido relizd pelo étodo trdicionl, nlisndo os vriogrs u u e registndo os prâetros que os define. Contudo, coo será fácil de perceber, qulquer u dests bordgens não só é extreente oros coo é fundentlente subjectiv. No presente cso cresce o fcto de hver u volue rzoável de inforção que se fosse tod considerd tornv tref uito confus. Os étodos de clssificção de ddos, ebor insensíveis à inforção específic e epíric que se te sobre o eio e estudo, são u prieir bordge eficz e rápid, constituindo u bo ponto de prtid pr interpretção do siste quífero. 1

11 A plicção d ACP sobre os vriogrs teporis deonstrou ser cpz de identificr lgus crcterístics fundentis do siste quífero e substitui, co lgu vntge, o eso tipo de nálise sobre s séries piezoétrics, gerlente descontínus e dificilente siultânes pr todos os piezóetros. Este tipo de técnic poderá eso servir de bse à definição de índices de gitbilidde/estbilidde dos piezóetros e os resultdos obtidos pode depois ser crtogrfdos e cruzdos co outros tipos de inforção geológic, estruturl ou geoorfológic, pr peritir su vlidção e explicção. AGRADECIMENTO Agrdece-se à SOMINCOR cedênci dos ddos hidrogeológicos ssi coo tod inforção disponibilizd pr o presente trblho. BIBLIOGRAFIA CORTEZ, L.; RIBEIRO, L. - Aplicção de Redes Neuronis à Crcterizção de Sistes Aquíferos Cársicos, in Anis do Seinário Recursos Hídricos Subterrâneos e Portugl: Quntidde e Qulidde. Lisbo, Lbortório Ncionl de Engenhri Civil, Setebro DAVIS, J.C. - Sttistics nd Dt Anlysis in Geology. 2ª ed. John Wiley & Sons DEUTSCH, C.V.; JOURNEL, A.G. - GSLIB: Geoesttisticl Softwre Librry nd Users s Guide. Oxford (U.K.), Oxford University Press ISAAKS, E.H.; SRIVASTAVA, R.M. - An Introduction to Applied Geoesttistics. Oxford (U.K.), Oxford University Press