Parâmetros dos solos voltados para modelagem de fluxos subterrâneos relacionados aos processos de voçorocamento: bacia do rio Bananal, SP/RJ.

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1 Parâmetros dos solos voltados para modelagem de fluxos subterrâneos relacionados aos processos de voçorocamento: bacia do rio Bananal, SP/RJ. Thiago Aurealino Mulato Aluno de graduação em Geografia-UFRJ Bolsista: CNPq - PIBIC Paulo Jorge Vaitsman Leal Doutorando PPGG André de Souza Avelar Prof. Adjunto Depto. Geografia Ana Luiza Coelho Netto Profa. Titular Depto. Geografia, Pesquisadora 1B-CNPq Financiamento: CNPq (Universal, PRONEX e CT-Hidro), FAPERJ e FUJB/UFRJ Laboratório de Geo-Hidroecologia Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Departamento de Geografia. Av. Athos da Silveira Ramos, 274 Edifício do Centro de Ciências Matemáticas e da Natureza, Cidade Universitária Ilha do Fundão CEP Rio de Janeiro/RJ Brasil RESUMO O presente trabalho está associado a uma tese de doutorado que investiga a rede de fluxos em cabeceira de drenagem de primeira ordem, na bacia do rio Bananal (RJ/SP), aonde o voçorocamento se expandiu entre 1985 e 2001, e hoje se encontra estabilizado (Rocha-Leão, 2005). Tem como objetivo principal mensurar os parâmetros dos solos que contribuem para a modelagem de fluxos subterrâneos e seus processos erosivos correlatos ('piping' e voçorocamento), tal como vem sendo abordado pelo programa de pesquisas do Laboratório de Geo-Hidroecologia da UFRJ. Pretende-se criar subsídios para o entendimento da modelagem de fluxos subterrâneos, utilizando o conhecimento do comportamento hidrológico de solos segundo diferentes metodologias de análise granulométrica, comparando estes resultados com os encontrados nos testes de condutividade hidráulica realizados em campo. Amostras de solo foram coletadas durante sondagens para instalação de aparelhos de monitoramento hidrológico e foram analisadas granulometricamente segundo o método da ABNT (norma técnica NBR 7181/84). Algumas amostras foram analisadas por outra metodologia referente a granulometria floculada, que compreende um método modificado sem uso de defloculante no processo de sedimentação, como descrito por Moraes Silva (2000). Em campo foram mensurados valores de condutividade hidráulica através do "slug test" de injeção (Hvorslev, 1951), através dos piezômetros previamente instalados. Na modelagem de processos hidrológicos, os parâmetros referentes ao solo são determinantes nas análises geradas pelo modelo, portanto é necessário considerar não somente a granulométria dos solos, como também a estrutura que o mesmo possui em campo, assim como os valores de condutividade hidráulica referente aos pontos de monitoramento. Os resultados das análises granulométricas mostram que não há significativa variação entre os solos desta cabeceira de drenagem. Além disso, os resultados dos ensaios de condutividade hidráulica também mostraram-se muito similares, com ordem de grandeza de valores entre 10-2 a 10-4cm/s. PALAVRAS-CHAVE: Análise Textural, Condutividade Hidráulica e Água Subterrânea.

2 ABSTRACT This work is associated with a doctoral thesis that investigates the network of headwater streams in the Bananal river basin (RJ / SP), where the erosion process (Gully) expanded between 1985 and 2001, and today is stabilized (Rocha-Leão, 2005). The main goal is to measure the parameters of the soil that contributes to the modeling of groundwater flow and erosion processes related ('piping' and Gully erosion) as has been approached by the Laboratory of Geo-Hydroecology of UFRJ. It is intended to create benefits for the understanding of groundwater flow modeling, using the knowledge of the hydrological behavior of soils by different methods of analysis, comparing these results with those found in tests of hydraulic conductivity made in the field. Soil samples were collected during surveys for installation of equipment for monitoring water and grain size were analyzed by the ABNT (technical standard NBR 7181/84) method. Some samples were analyzed by another method for flocular size, which includes a modified method without using deflocculant in the process of sedimentation, as described by Moraes Silva (2000). In the field were measured values of hydraulic conductivity through the "Slug test" injection (Hvorslev, 1951), through the previously installed piezometer. In the modeling of hydrological processes, the parameters for the soil are decisive in the analysis generated by the model, so it is necessary to consider not only the grain size, but also the structure that it has in the field, as well as the values of hydraulic conductivity related to points of monitoring. The results of granulometric analysis show that there is significant variation between the soils of headwater drainage. Furthermore, the results of tests of hydraulic conductivity also showed to be very similar, with the scale of values between 10-2 to 10-4cm /s. KEYWORDS: Textural Analysis, Hydraulic Conductivity and Groundwater. INTRODUÇÃO Algumas bacias que drenam a vertente direita (serra da Bocaina) do médio vale do rio Paraíba do Sul vem expandindo suas respectivas redes de canais, especialmente nos vales de cabeceiras de drenagem. Isto decorre do crescimento regressivo de canais incisos por ativação de mecanismos erosivos associados a descargas críticas de água subterrânea em faces de exfiltração (Coelho Netto et al., 1988). Este tipo de canal erosivo, resultante da ação de água subterrânea, foi denominado por Pichler (1953) de voçoroca. Na bacia do rio Piracema, principal tributário do rio do Bananal, afluente à direita do rio Paraíba do Sul, Cambra (1998) verificou que 83% das voçorocas (n=117) estão topograficamente ajustadas à rede regional de canais. Significa, portanto, que é no domínio das cabeceiras de drenagem, aonde crescem estes canais de ordem hierárquica inferior, que ocorre a principal integração dos processos de encostas com os processos fluviais (Coelho Netto, 2003). A evolução da rede de canais, no entanto, não apresenta um comportamento espacialmente uniforme, especialmente no dominio de colinas rebaixadas. Ou seja, os canais crescem e bifurcam irregularmente no espaço e no tempo, de tal modo que hoje se observa uma paisagem aonde às cabeceiras de drenagem apresentam-se em diferentes estágios evolutivos. Enquanto muitas cabeceiras ainda estocam espessos pacotes de sedimentos, acumulados no ciclo de instabilidade erosivodeposicional entre e anos atrás (Dietrich et al., 1991; Coelho Netto et al., 1994), outras já foram erodidas pelo avanço das voçorocas. Uma parte destas voçorocas está em processo ativo de

3 crescimento vertical e regressivo, outra parte já se encontra estabilizada por ajuste de declive com o canal coletor adjacente (Gilbert, 1877) e/ou rebaixamento do nível d água subterrâneo e/ou redução da descarga do fluxo d água subterrânea no fundo do canal (Rocha-Leão, 2005). Avelar e Coelho Netto (1992a e 1992b) verificaram o paralelismo entre a orientação dos eixos de vales de cabeceiras e a orientação das fraturas locais e, através de uma extensa rede de piezômetros e poços, observaram a ocorrência de fluxos d água artesianos ao longo do eixo de um vale de cabeceira suspenso que acompanha o fraturamento subjacente. Os autores associaram a exfiltração destes fluxos artesianos à iniciação de canais e origem dos vales de cabeceiras de drenagem. Mais recentemente, Fonseca et al. (2006) confirmaram a ocorrência de artesianismo no fundo de um vale de cabeceira ajustado topograficamente ao rio Bananal, e sob voçorocamento ativo. Todos estes autores detectaram um atraso da ordem de 2 a 4 meses nas resposta das cargas de pressão em relação às chuvas precipitadas sobre a bacia do rio Bananal, confirmando que estes fluxos artesianos em fraturas não são regulados por aqüífero local e sim regional. Alguns trabalhos relevantes discutem a relação entre o crescimento de canais e suas respectivas áreas de contribuição e gradiente topográfico. Os trabalhos clássicos de Horton (1945) e Dunne (1980) apontam que os canais crescem regressivamente até uma distância crítica do divisor, a partir de onde a concentração dos fluxos d água da área de contribuição não atingiria uma descarga crítica, limitando trabalho erosivo. Montgomery e Dietrich (1990) ponderam que o tamanho da área de contribuição varia inversamente com o gradiente topográfico. No entanto, no ambiente de colinas da bacia do rio Piracema, o desenvolvimento de alguns canais nem sempre é controlado pelo tamanho e/ou gradiente topográfico das suas respectivas áreas de contribuição. O presente trabalho focaliza a caracterização textural dos materiais do regolito, e direciona atenção especial para as amostras mais profundas para relacioná-las com medidas in situ de condutividade hidráulica, como suporte aos estudos voltados a modelagem da Rede de fluxos de água subterrânea entre cabeceiras de vales adjacentes e implicações no crescimento da rede de canais: médio vale do rio Paraíba do Sul, tese de doutorado de Paulo V. Leal. MATERIAL E MÉTODO Área de estudo: a bacia do rio Piracema A área de estudo (~4 km 2 ) está localizada na fazenda Bela Vista, a 12km da cidade de Bananal (SP),e, é formada pelo anfiteatro da Bela Vista (0,25 km 2 ) e pelas sub-bacias com relação de vizinhança direta. Toda a drenagem da área converge para o rio Piracema, que possui 132 km 2 de área de bacia, e é o principal afluente do rio do Bananal (518km 2 de área de bacia).

4 O Anfiteatro da Bela Vista é formado por uma concavidade principal, a qual é alimentada por concavidades menores. O fundo da concavidade principal está preenchido por um pacote aluviocoluvionar espesso, que vem sendo dissecado pelo avanço remontante da voçoroca da Bela Vista, que tem aproximadamente 450 metros de comprimento, 40 metros de largura média e profundidades superiores a 15 metros. A localização regional da área de estudo pode ser vista na figura 1A. Na figura 2 estão destacados quatro vales de cabeceira de drenagem, vizinhos ao Anfiteatro da Bela Vista (V1). A cabeceira V2 está topograficamente suspensa em relação ao Anfiteatro da Bela Vista, possui fundo plano e não é canalizada. As cabeceiras V3, V4 e V5 estão rebaixadas em relação ao Anfiteatro da Bela Vista, sendo que a cabeceira V3 possui fundo aplainado e divisor topográfico comum à cabeceira V4 muito rebaixado. Figura 1 A- Localização regional da bacia do rio do Bananal (em laranja) e do rio Piracema A bacia do rio do Bananal apresenta duas unidades fisiográficas distintas, que podem ser observadas também na bacia do rio Piracema (figura 1B): uma, o compartimento montanhoso da Serra da Bocaina, com desnivelamentos topográficos acima dos 600 metros, encostas íngremes e fundos de vale estreitos; outra, o compartimento de colinas, com fundos de vales largos e ligeiramente inclinados com desnivelamentos abaixo dos 500 metros (Fernandes, 1990). A área de estudo (figura 2) está localizada no compartimento colinoso. A área de estudo drena um substrato geológico de rochas gnáissicas da unidade metassedimentar São João (Sillimanita-granada-muscovita-biotita gnaisse com intercalações de níveis ou lentes de rochas calciossilicáticas, gondito, mármores e de sillimanita-muscovita-biotita xisto) descritas por Almeida et al. (1991 e 1993).

5 Figura 2 - Mapa da área de estudo, mostrando a localização dos piezômetros (os destacados em amarelo são os que foram usados nos testes de condutividade hidráulica). Análise Textural e Condutividade Hidráulica As sondagens foram feitas com um trado mecânico e as amostras foram colhidas nas profundidades que apresentaram mudança textural. As análises granulométricas foram realizadas no laboratório de caracterização da COPPE-Geotecnia, através da metodologia da ABNT (NBR 7181/84). Foram ainda realizadas análises através de uma metodologia adaptada sem o uso de defloculante e aparelho dispersor (Rodriguez, 2005). (Fotografias referentes aos ensaios conduzidos em laboratório)

6 Os testes de condutividade hidráulica do tipo slug test de injeção, foram conduzidos em campo, seguindo a metodologia do Hvorslev (1951), em piezômetros previamente instalados. Os testes consistem na medição do nível de água dentro do aparelho, na injeção de água limpa nos piezômetros e na observação do tempo que o nível da água dentro do piezômetro leva para descer. Para facilitar a leitura do nível da água dentro do piezômetro, um tubo de PVC do mesmo diâmetro do piezômetro, com um tubo transparente acoplado e uma fita métrica foi usado (Figura 3). Para o cálculo da condutividade hidráulica (K), foi utilizada a seguinte fórmula: K=Qc/ (F x Hc) Sendo: Qc a vazão da condição de fluxo constante F Fator forma 2 L/ln [(L/D)+1+(L/D)2] Hc Carga constante Figura 3 Ensaios de condutividade hidráulica (slug test injeção) realizados em campo. As amostras mais profundas de cada sondagem foram selecionadas para serem analisadas segundo as duas metodologias (com e sem defloculante e aparelho dispersor), por serem nessas profundidades que os piezômetros foram instalados. Portanto, quando se faz o slug test é a camada de solo na profundidade da ponta do piezômetro que se analisa. Os resultados foram então comparados com os valores de condutividade estabelecidos para cada tipo de material (tabela1). Material K (cm/s) Cascalho 10-1 a 100 Lavada 10-4 a 1 siltosa 10-5 a 10-1 Silte 10-7 a a 10-6 Tabela 1 Valores de condutividade hidráulica (Freeze & Cherry, 1979)

7 RESULTADOS E DISCUSSÕES D1 - domínio de fundo de vale (alúvio-coluvio). E 30 E 35 Profundidade (m ) 0,3-0, Profundidade (m ) 0,3-0,5 1-1,2 5,5-5,7 9,3-9,5 11,5-11,8 D2 - domínio dos divisores de drenagem E 24 E 33 E 34 P rofun d id ad e (m ) % 20% 40% 60% 80%100% A reia A rgila P ro fu n did ad e (m ) 3,7-3,9 6,6-6,8 15,8-16 P rofun d id ade (m ) 0,4-0,6 1,4-1,6 1,9-2,1 3,8-4 5,8-6 6,4-6,7 7,2-7,3 8,1-8,3 A reia A rgila D3 - domínio de encostas - concavidades superiores (colúvios) P rofundidade (m ) 9, ,6-0,6-0,7 1,6-1,9 3,8-4 5,9-6,2 7-7,4 8,4-8,6 9,4-9,6 12, ,2 18,8- E 26 E 27 E 29 E 36 P rofundidade (m ) 1,3-1,6 2,4-2,7 3,1-3,4 4,4-4,7 7,4-7,6 8,4-8,6 9,5-9, ,2 De acordo com 13-13,5 a caracterização textural do regolito nas diferentes estações piezométricas, 8-8,2 8,8-9 11,7511,95 16,4-16,7 0,3-0,6 0,9-1,20 2,3-2,5 2, ,3 4,7-4,9 6,8-7 foram estabelecidos diferentes domínios de acordo com as características P rofundidade (m ) P rofundidade (m ) 1,4-1,6 9,8-10 Com os resultados da análise granulométrica foram desenvolvidos gráficos em ambiente Excel para uma melhor análise dos mesmos, que posteriormente foram agrupados em diferentes domínios de acordo com suas características texturais. Domínio dos divisores de drenagem: camadas alternadas mais arenosas ou mais sílticas, com menores teores de argila em E33 e E24 (saprolito no biotita-gnaisse da Unidade São João); Domínio de fundo de vale (alúvio-coluvio): predomínio de sedimentos finos no metro superior do solo; em profundidade prevalece a fração areia (alúvio-colúvio, incoeso); Domínio de encostas - concavidades superiores (colúvios): camadas alternadas no perfil; tende a apresentar maiores teores de argila nos perfis.

8 Referente às amostras mais profundas, foi feita a classificação destas segundo o triângulo textural proposto por Trefethen (1950) como pode ser observado abaixo: Argi la Silt e (%) Silte (%) Arei a Legenda: E30 Cd E30 Sd E29 Cd E29 Sd E26 Cd E26 Sd E28 Cd E28 Sd E27 Cd E27 Sd E34 Cd E34 Sd E36 Cd E36 Sd E35 Cd E35 Sd E33 Cd E33 Sd E2 Cd E2 Sd E4 Cd E4 Sd E6 Cd (%) Classificação das amostras segundo o triângulo textural proposto por Trefethen (1950). E6 Sd E11 Cd E11 Sd E12 Cd E12 Sd Nesta classificação as amostras correspondem às profundidades em que foram realizados os ensaios de campo para avaliar a condutividade hidráulica saturada. Predominando materiais arenosiltosos e areno-argilo-siltosos. Os resultados dos testes de condutividade mostraram valores muito próximos para as estações E29, E30, E34, E35 e E36 (Ksat=10-4). As estações E24 e E38 apresentaram valores de condutividade maiores (Ksat=10-2) onde a figura 4 permite uma localização espacial das estações onde foram conduzidos os testes de condutividade hidráulica.

9 Figura 4 MDT com as estações piezométricas CONCLUSÕES Ficou constatado que a porção argilosa desses solos encontra-se totalmente, agregada entre si, ou com partículas siltosas e arenosas. Deve-se chamar a atenção para o fato de a maioria das amostras selecionadas serem arenosas, e por esse motivo não mudarem de classe, quando o método de análise foi alterado. No entanto, pode-se perceber que mesmo quando a amostra se apresentou argilosa (E29), a metodologia modificada mostrou que o conteúdo de argila estava todo agregado, principalmente à fração arenosa. Os valores de condutividade hidráulica encontrados, mostram que a caracterização granulométrica dos solos feita com a metodologia modificada (sem uso de defloculante e aparelho

10 disperssor) expressa melhor o comportamento hidrológico dos pacotes sedimentares, já que os valores encontrados tem condutividade de areias lavadas a areias siltosas. Futuramente, ensaios de condutividade serão realizados nos outros piezômetros, para entender o comportamento hidrológico dos solos presentes na área de estudo, pois o entendimento dessas características é fundamental para a construção de um modelo conceitual que possibilite uma modelagem hidrológica que represente a realidade de forma satisfatória. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, J.C.H.; EIRADO SILVA, L.G.A. & AVELAR, A.S. (1991). Coluna tectonoestratigráfica de parte do Complexo Paraíba do Sul na Região de Bananal - S.P. Atas do 2o Simp. Geol. Sudeste, São Paulo. SBG. p ALMEIDA, J.C.H.; EIRADO SILVA, L.G.A. & VALLADARES, C.S. (1993). O Grupo Paraíba do Sul e as rochas granitóides na região de Bananal (SP) e Rio Claro (RJ): uma proposta de formalização litoestratigráfica. Atas do 3o Simp. Geol. Sudeste, São Paulo. SBG. AVELAR, A.S. & COELHO NETTO, A.L. (1992a). Fraturas e desenvolvimento de unidades geomorfológicas côncavas no médio vale do rio Paraíba do Sul. Rev. Bras. de Geociências. AVELAR, A.S. & COELHO NETTO, A.L. (1992b). Fluxos d água subsuperficiais associados a origem das formas côncavas do relevo; Anais da 1a Conferência Brasileira de Estabilidade de Encostas / COBRAE, ABMS e SBGE, Rio de Janeiro; vol. 2: p. CAMBRA, M.F.E.S. (1998). Movimentos de água na porção superior de solos sob pastagem: o papel do sistema radicular. Tese de Mestrado, IGEO/UFRJ, Rio de Janeiro, 144p. COELHO NETTO, A.L, FERNANDES, N.F. & DEUS, C.E. (1988). Gullying in the Southeastern Brazilian Plateau: Bananal, SP. Sediment Budgets (Proceedings of the Porto Alegre Symposium, Decemmber 1988). IAHS Publ. nº 174, p DIETRICH. W.E.; MONTGOMERY. D.; COELHO NETTO, A.L. & MOURA, J.R.S. (1991). Evidence for regional aggradation starting in the Early Holocene in southeastern Brazil and for degradation due to deforestation. Am. Geoph.Union, Fall Meet.,San Francisco,USA/EOS,vol.70(43):1124. DUNNE, T. (1980). Formation and controls of channel networks. Prog. Phis. Geogr.4: Fernandes, N.F. (1990). Hidrologia subsuperficial e propridades físico-mecânicas dos Complexos de Rampa - Bananal (S.P.). Tese de Mestrado, IGEO/UFRJ, Rio de Janeiro 151p. GILBERT, K.G. (1877). Report on the geology of the Henry Mountains (Utah). U.S.Geogr. Geol. Survey Rocky Mtn. Region (Powell): FREEZE, R. A. & CHERRY, J. A. (1979). Groundwater. Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice Hall Inc., 604p.

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