As Águas Subterrâneas no Ciclo Hidrológico

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1 HIDROGEOLOGIA AVANÇADA PARTE II Aula 02 As Águas Subterrâneas no Ciclo Hidrológico Prof. Milton Matta

2 O CICLO HIDROLÓGICO A água na hidrosfera se encontra em seus três estados físicos básicos: sólido, líquido e gasoso. O segundo estado é o que tem maior interesse para a hidrogeologia, uma vez que é na fase líquida que a água se acumula no interior da Terra, além de constituir os principais cursos superficiais. Tanto na linguagem vulgar, como na científica, a palavra água, salvo quando especificado diferentemente, se refere à sua fase líquida. O ciclo hidrológico representa o movimento da água no meio físico. Dentro do ciclo hidrológico, a água pode estar no estado gasoso, líquido ou sólido, distribuindo-se tanto na subsuperfície e superfície da Terra como na atmosfera. Portanto, a água está em constante circulação, passando de um meio a outro e de um estado físico a outro, sempre mantendo o equilíbrio, sem ganhos ou perdas de massa no sistema.

3 Fig. 01 -Esquema do Ciclo Hidrológico

4 Os processos que permitem esta circulação da água são: evaporação, transpiração, precipitação, escoamento superficial, infiltração e escoamento subterrâneo. O ciclo da água na terra, ou ciclo hidrológico, é a contínua circulação da água em nosso planeta. Não tem início nem fim, mas é comum se começar sua descrição com as águas do oceano, uma vez que cobrem cerca de três quartos da superfície terrestre. Assim, a água evapora a partir dos oceanos e corpos d água, formando as nuvens, que, em condições favoráveis, dão origem à precipitação, seja na forma de chuva, neve ou granizo. Os hidrólogos e outros chamam-na de água de origem meteórica. A precipitação, ao atingir o solo, pode escoar superficialmente até atingir os corpos d água ou infiltrar até atingir o lençol freático. Além disso, a água, interceptada pela vegetação e outros seres vivos, retorna ao estado gasoso através da transpiração. A precipitação sobre a superfície da Terra é a origem de todos os nossos suprimentos de água potável. Dela depende a reposição da quantidade que é retirada dos lagos e outros cursos superficiais para os numerosos usos do homem.

5 A água retorna ao mar através do escoamento superficial pelos rios, do escoamento subterrâneo pela descarga dos aqüíferos na interface água doce/água salgada e, também, através da própria precipitação sobre a área dos oceanos. Outra parte se impregna no solo. Grande parte da água que penetra no solo é retida na zona das raízes das plantas, retornando eventualmente à superfície, pelos vegetais ou pela capilaridade do solo. Parte, porém, se infiltra abaixo da zona das raízes, continuando a mover-se para baixo, até alcançar os reservatórios de água subterrânea.

6 Ao juntar-se à massa da água subterrânea, a água infiltrada move-se através dos poros da matéria do subsolo podendo, eventualmente, reaparecer na superfície em diferentes locais dependendo de diversos fatores que gerenciam os fluxos subterrâneos e suas interações com a superfície topográfica e as águas superficiais. Os cursos, carreando as águas de escoamento superficial e as descargas naturais da água subterrânea, eventualmente as fazem retornar ao oceano. Um outro tipo de água chega também à superfície terrestre, associada às emanações magmáticas e tem sido denominada de água juvenil ou primária. A relevância dessas águas para o ciclo hidrológico tem sido objeto de discussão na comunidade geológica. Essas águas primárias têm um alto teor de substâncias dissolvidas e os volumes que, efetivamente, chegam à superfície têm sido considerados como pouco significantes para o ciclo hidrológico.

7 O ciclo hidrológico é, pois, o sistema pelo qual a natureza faz a água circular dos oceanos para a atmosfera e retornar, superficial e subterraneamente, aos oceanos por vias tortuosas, umas curtas e outras longas, quer quanto ao tempo, quer quanto ao espaço. Os agentes que participam desse processo são a irradiação solar, a gravidade, a atração molecular e a capilaridade. De uma maneira geral, o ciclo hidrológico pode ser dividido em três setores distintos. O sistema hidrometeorológico está relacionado com a porção aérea do ciclo, envolvendo o processo de evaporação, evapotranspiração e precipitação. O sistema hidrográfico cobre os aspectos superficiais do ciclo, envolvendo os diversos cursos de águas que se direcionam aos oceanos.

8 O sistema hidrogeológico gico, por sua vez, está relacionado à porção subterrânea do ciclo, envolvendo processos de infiltração, além de fluxos horizontais e verticais subsuperficiais Figura 02 Representação Esquemática do Ciclo Hidrológico.

9 Pode dizer-se que a quantidade de água do planeta se tem mantido constante desde o aparecimento do homem. A água existente nos oceanos, continentes e atmosfera faz parte de um ciclo perpétuo que é mantido em movimento pela energia do sol e pela força gravítica.

10 O ciclo hidrológico é essencial ao Meio Ambiente: transporta e faz circular a água de umas regiões para as outras; é um importante agente modelador da crosta terrestre ( devido à erosão e ao transporte de sedimentos); e acaba por ser um condicionante de toda a cobertura vegetal do planeta, ou seja, de toda a vida na Terra.

11 O BALANÇO HÍDRICO MUNDIAL É importante que se discuta alguns dados numéricos sobre o balanço hídrico mundial, no sentido de se avaliar a importância quantitativa das águas subterrâneas relativamente à ouros componentes do ciclo hidrológico. EVAPORAÇÃO: embora a maior parte da umidade atmosférica provenha da evaporação dos mares, a evaporação dos lagos, cursos superficiais e do solo, mais a transpiração das folhas das plantas também concorrem para o total. Cientistas calculam que aproximadamente km 3 de água são evaporados anualmente dos oceanos. Outros km 3 são evaporados de áreas continentais (Cetesb, 1978)

12 PRECIPITAÇÃO: a precipitação total da atmosfera é sempre igual à evaporação por ela recebida. Assim cerca de km 3 de água caem sobre a Terra a cada ano. Às superfícies continentais cabem cerca de km 3 desse total (Cetesb, 1978) ÁGUA SUBTAERRÂNEA: Freeze & Cherry, 1979) mostraram que se for removido os 94% de água da Terra que se encontra em oceanos e mares com alta salinidade, a auqntidade de água subterrânea passará a constituir cerca de 2/3 de toda água doce do mundo. Se nos limitarmos à parcela utilizável da água doce do mundo (retirando a porção que se encontra sob a forma de gelo icecaps e glaciers), a água subterrânea será responsável por quase a totalidade do volume disponíve na Terra.

13 Pode-se também considerar somente a fração explotável das águas subterrâneas, retirando os volumes que se encontram em condições desfavoráveis do ponto de vista financeiro. A estimativa de Lvovitch apud Freeze & Cherry (1979) é de tenhamos 4x10 6 km 3 de volume explotável de águas subterrâneas. Isso corresponderia a cerca de 95% d total, ficando 3.5% para lagos, pântanos, reservatórios e canais de rios e 1.5% para solos em geral. Outro fator importante a ser considerado nesse balanço é o tempo de residência médio. Águas de rios Águas subterrâneas Tempo médio de residência de 2 semanas Tempos de residência de dezenas, centenas ou mesmo milhares de anos

14 ÁGUAS SUPERFICIAIS Como foi mostrado na discussão do ciclo hidrológico, existe uma interação bastante importante entre os recursos hídricos superficiais e as águas subterrâneas. De uma maneira geral, a parte superficial do ciclo hidrológico é formada pelos oceanos e mares, rios, lagos e outros reservatórios, pântanos, etc. A quantidade de água que se acumulará nesses elementos será função de uma série de fatores, como clima, taxa de evaporação, índice pluviométrico local, interação com outros elementos do ciclo, etc. Conforme discutido nos itens anteriores, cerca de 97% da água da terra está concentrada nos mares e oceanos. Apesar da grande importância dessas regiões para o balanço hídrico mundial e para a preservação da vida humana no que concerne ao equilíbrio de nosso ecossistema, essas águas tem uma salinidade muito elevada o que as inviabilizam para o consumo humano. Elas não contribuem, portanto, para compor a quantidade de água doce disponível na Terra.

15 Outro elemento de importância na hidrologia superficial é a rede de drenagem que, gradual e continuamente, se dirige para os oceanos e mares. Essa água constitui um dos elementos físicos mais importantes na composição da paisagem terrestre, interferindo na vida animal-vegetal e humana, a partir da interação com os demais elementos. Nas regiões costeiras do mundo, as interações das águas do mar com as águas subterrâneas tem representado um problema bastante sério para o abastecimento populacional. São bastante comuns as cunhas de água salgada que interagem com os aqüíferos contaminando-os e exigindo um controle muito rígido na alocação de poços e nas relações espaciais entre poços e/ou redes de poços.

16 ÁGUAS SUBSUPERFICIAIS Nem toda a água que se infiltra no solo vai compor as águas subterrâneas. Três situações podem ocorrer: 1) a água pode voltar à superfície por capilaridade e evaporar-se na atmosfera; 2) Pode ser absorvida pelas raízes das plantas e retornar à atmosfera pela transpiração vegetal; 3) A água que penetrou bastante desce por gravidade até atingir o nível da zona de saturação, passando a fazer parte das águas subterrâneas que, eventualmente, abastecerá poços.

17 A taxa de infiltração de água no solo depende de muitos fatores: 1-Sua porosidade: A presença de argila no solo diminui sua porosidade não permitindo uma grande infiltração. 2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do que um solo desmatado. 3-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rápido diminuindo o tempo de infiltração. 4-Do tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas tem mais tempo para se infiltrarem.

18 O MOVIMENTO DA ÀGUA NO SOLO A água proveniente da precipitação penetra no solo e infiltra-se gradualmente até chegar à ZONA SATURADA. Em solos altamente permeáveis a taxa de percolação é de vários metros por ano, em solos argilosos é de cerca de 1 2 m e, em solos muito compactos, pode ser de apenas alguns centímetros por ano. Uma parte da água infiltrada, a chamada água capilar, é retida e armazenada nos poros do solo. A quantidade de água retida como água capilar e aquela que se infiltra como água gravitacional depende da natureza do solo e das dimensões e distribuição dos seus poros (Fig. 15). Poros com menos de 10 μm de diâmetro retêm a água por capilaridade, enquanto que os poros maiores (> 60 μm de diâmetro) deixam a água infiltrar-se mais rapidamente (Larcher, 1995). A água que permanece num solo depois da passagem da água gravitacional é retida nos poros por capilaridade; pode ficar presa aos colóides do solo e, no caso dos solos salinos, pode ficar osmoticamente ligada a iões.

19 Figura 03 - O estado da água em solos saturados (a parte esquerda do esquema) e em solos bem arejados (parte direita). FONTE: Larcher (1995)

20 Forças que interagem no processo de Infiltração da Água Tensão Superficial Quando um líquido está em repouso e em contacto com o ar, as forças de atração que se exercem entre as moléculas do líquido são diferentes para as que estão à superfície e para as que estão no interior do líquido. No interior do líquido, cada molécula liga-se às restantes por forças iguais em todas as direções. À superfície, as moléculas são apenas puxadas para o interior líquido, pois não existem moléculas na parte exterior do líquido para exercerem qualquer força, formando-se assim uma espécie de película elástica. A água líquida tem uma tensão superficial extremamente elevada, explicada pelas ligações por pontes de hidrogênio que mantêm as moléculas fortemente unidas.

21 As gotas de água que se observam nas folhas ilustram bem a tensão superficial. As menores constituem esferas perfeitas. As maiores são ovais, achatadas e as maiores de todas, pesadas demais para serem sustentadas pela tensão superficial, espalham-se. Alguns insetos como o alfaiate passeiam sobre a água devido à sua tensão superficial

22 CAPILARIDADE O fenômeno da capilaridade está relacionado com a tensão superficial: quando se introduz um tubo capilar em água, esta sobe espontaneamente pela parede do tubo, formando um filme fino e aderente. Tubos Capilares Atração Adesiva

23 A INFILTRAÇÃO E O CAMINHO SUBTERRÂNEO DA ÁGUA A água que se infiltra está submetida a duas forças fundamentais: a gravidade e a força de adesão de suas moléculas às superfícies das partículas do solo (força de capilaridade). Pequenas quantidades de água no solo tendem a se distribuir uniformemente pela superfície das partículas. A força de adesão é mais forte do que a força da gravidade que age sobre esta água. Como conseqüência ela ficará retida, quase imóvel, não atingindo zonas mais profundas. Chuvas finas e passageiras fornecem somente água suficiente para repor esta umidade do solo. Para que haja infiltração até a zona saturada é necessário primeiro satisfazer esta necessidade da força capilar.

24 Relação entre Zona Saturada, Zona Não Saturada e Solo Aqüífero Livre

25 Relação entre Aqüífero Confinado e Zona de Solo

26 Zonas de ocorrência da água no solo de um aqüífero freático

27 Zonas de ocorrência da água no solo de um aqüífero freático (Livre) Zona de aeração: é a parte do solo que está parcialmente preenchida por água. Nesta zona a água ocorre na forma de películas aderidas aos grãos do solo. Solos muito finos tendem a ter mais umidade do que os mais grosseiros, pois há mais superfícies de grãos onde a água pode ficar retida por adesão. Na zona de aeração podemos distinguir três regiões: 1- Zona de umidade do solo: é a parte mais superficial, onde a perda de água de adesão para a atmosfera é intensa. Em alguns casos é muito grande a quantidade de sais que se precipitam na superfície do solo após a evaporação desta água, dando origem a solos salinizados ou a crostas ferruginosas (lateríticas).

28 2- Franja de capilaridade: é a região mais próxima ao nível d água do lençol freático, onde a umidade é maior devido à presença da zona saturada logo abaixo. 3- Zona intermediária região compreendida entre as duas anteriores e com umidade menor do que na franja capilar e maior do que na zona superficial do solo. Em áreas onde o nível freático está próximo da superfície, a zona intermediária pode não existir, pois a franja capilar atinge a superfície do solo. São brejos e alagadiços, onde há uma intensa evaporação da água subterrânea.

29 Zona de Saturação ou Zona Saturada é a região abaixo do lençol freático (nível freático) onde os poros ou fraturas da rocha estão totalmente preenchidos por água. Observe-se que em um poço escavado num aqüífero deste tipo a água o estará preenchendo até o nível freático.