Modelo Hidrogeológico Conceitual e Matemático da Bacia Sedimentar do Tucano Central. 12 de agosto de 2014 Mauro C C M Prado Hidrogeólogo, MSc
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1 Modelo Hidrogeológico Conceitual e Matemático da Bacia Sedimentar do Tucano Central 12 de agosto de 2014 Mauro C C M Prado Hidrogeólogo, MSc
2 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 2
3 MODELAGEM MATEMÁTICA DE AQUÍFEROS REGIONAIS BREVE HISTÓRICO Década de 1960: Primeiras soluções analíticas para investigar o fluxo subterrâneo em sub-bacias hipotéticas (Toth, 1963). Primeiros modelos numéricos para simular fluxo regional em sistemas aquíferos hipotéticos com várias camadas (Freeze & Witherspoon, 1966, 1967). Década de 1970: Primeiro código de diferenças finitas, desenvolvido pelo USGS (Trescott, 1975). Primeiras simulações numéricas de sistemas aquíferos regionais, programa RASA (Regional Aquifer System Analysis), USGS, Década de 1980: Desenvolvido código numérico MODFLOW, de diferenças finitas, pelo USGS (McDonald e Harbaugh, 1988). Década de 1990: Desenvolvidas interfaces gráficas para modelagem numérica, tais como Visual Modflow e Groundwater Vistas. Anos 2000: Dezenas de modelos regionais desenvolvidos em grandes bacias sedimentares, por exemplo Death Valley (Estados Unidos), Great Artesian Basin (Austrália), Sistema Aquífero Guarani (Argentina/Brasil/Paraguai/Uruguai). Fonte: Zhou et al,
4 POR QUE MODELAR EM ESCALA REGIONAL? Pressão crescente sobre recursos hídricos superficiais e subterrâneos. Funcionalidades de modelos numéricos de fluxo nestas escalas incluem: Investigação e entendimento de sistemas de fluxo subterrâneo. Avaliação de processos de recarga, descarga e armazenamento. Planejamento e direcionamento dos trabalhos de coleta de dados em campo. Análise e projeção da resposta de sistemas aquíferos à explotação intensa (por exemplo campos de poços para abastecimento industrial ou irrigação). Análise e projeção dos efeitos da explotação intensa em corpos de água superficial. Quantificação do recurso hídrico renovável visando sua explotação em longo prazo. Apoio à gestão dos recursos hídricos subterrâneos pelo poder público, resultando em soluções viáveis de abastecimento. Apoio ao planejamento de políticas públicas para o uso das águas subterrâneas. Visualização e comunicação de questões-chave para gestores e para o público. 4
5 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 5
6 ESTUDO HIDROGEOLÓGICO DO TUCANO CENTRAL Iniciativa do governo do Estado da Bahia Implantação do Sistema Produtor Tucano Escassez de recursos hídricos superficiais Caráter estratégico dos recursos hídricos subterrâneos Fonte: Cerb 6
7 OBJETIVOS Desenvolvimento de solução técnica que demonstre a viabilidade da utilização sustentável de sistemas aquíferos na bacia sedimentar de Tucano para o abastecimento público de água; Execução de modelagem hidrogeológica conceitual e numérica, a partir de dados fornecidos pela CERB, em área central da bacia sedimentar do Tucano, no Estado da Bahia; Transferência de tecnologia e resultados para a CERB ao final dos trabalhos. 7
8 ESCOPO / CRONOGRAMA Visita técnica inicial (out. 2013); Verificação e análise dos dados disponibilizados; Realização de visita a campo e workshop para validação do modelo conceitual (jan. 2014); Construção do modelo numérico (Visual Modflow); Calibração e análise de sensibilidade; Elaboração de modelo de transporte hidroquímico - salinidade (cloreto); Simulações numéricas de fluxo e transporte; Realização do segundo workshop e apresentação dos resultados; Emissão do relatório final (jun. 2014) 8
9 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 9
10 LOCALIZAÇÃO 0 45 km 10
11 mm mm CLIMA Semi-árido (W) a sub-úmido e seco (E) Reposição parcial do déficit hídrico no período das chuvas (maio a agosto) Balanço Hídrico Climatológico - Estação Cipó Balanço Hídrico Climatológico - Estação Monte Santo Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Déficit Excesso Retirada Reposição Déficit Excesso Retirada Reposição 11
12 PLUVIOMETRIA (730,1 mm/ano) (701,1 mm/ano) (921,2 mm/ano) (748,3 mm/ano) 12
13 GEOMORFOLOGIA B A 13
14 HIDROGRAFIA 14
15 GEOLOGIA Bacia sedimentar do tipo rift-sag (CPRM, 2010) Largura aproximada 60-90km Orientação aproximada N-S Espessura sedimentar atinge 12km no Tucano Central (Baixo de Cícero Dantas) DEPOCENTRO Fonte: Silva et. al Fonte: CPRM,
16 ESTRATIGRAFIA Fonte: CPRM,
17 MAPA GEOLÓGICO / ESTRUTURAL (CPRM, 2010) Cícero Dantas 17
18 UNIDADES HIDROESTRATIGRÁFICAS Correspondem aos diferentes meios porosos ou fraturados no subsolo, compartimentados hidrogeologicamente em função de suas propriedades físicas Podem ou não corresponder às unidades estratigráficas / geológicas Dependem da escala do projeto (regional ou local) Na Bacia de Tucano Central, pode-se listar como principais unidades hidroestratigráficas: Fm. Salvador: aquitarde (limite E) Fm. Marizal: aquífero Fm. São Sebastião: aquífero Grupo Ilhas: aquífero Fm. Candeias: aquitarde (limite W) 18
19 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 19
20 POTENCIOMETRIA Setor Dados de NE Dados de NE (histórico) (setembro 2013) Banzaê Cícero Dantas Euclides da Cunha Ribeira do Pombal TOTAL Rebaixamento* (m) Idade dos poços (anos) Mínimo 0 <1 Máximo Média 2,1 17,4 Mediana 0,4 15 n *calculado como a diferença entre o NE medido em setembro de 2013 e o NE medido após a construção de cada poço. 20
21 MAPA POTENCIOMÉTRICO (pós-construção dos poços) 21
22 MAPA POTENCIOMÉTRICO (setembro 2013) 22
23 HIDROQUÍMICA Qualidade da água subterrânea / potabilidade No contexto da Bacia de Tucano, uma das principais preocupações é a salinidade da água Histórico de perfuração de poços com alta salinidade na bacia Elemento de interesse para o estudo: cloreto (Cl - ) 23
24 CLASSIFICAÇÃO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 24
25 HIDROQUÍMICA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL (DADOS 2013) Prof. 0 a 250m 25
26 HIDROQUÍMICA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL (DADOS 2013) Prof. > 250m 26
27 HIDROQUÍMICA - CLORETO 27
28 HIDROQUÍMICA - CLORETO 28
29 Cloreto Histórico (mg/l) HIDROQUÍMICA - CLORETO Cloreto 2013 (mg/l) 29
30 PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS Permitem quantificar a capacidade de um sistema aquífero de transmitir (e produzir) água, relacionam as propriedades físicas de um meio poroso ou fraturado com o movimento de um fluido por estes meios. Principais parâmetros: Transmissividade (T) Coeficiente de armazenamento (S) Condutividade hidráulica (K) Porosidade eficaz (Sy) Capacidade específica (Sc) Medidos por meio de ensaios hidrogeológicos 30
31 ENSAIOS HIDROGEOLÓGICOS BASE DE DADOS Município Tipo de Ensaio No. de Ensaios S (mínimo) S (máximo) K (m/s) (mínimo) K (m/s) (máximo) Rib. Pombal Bomb. 1-2,8 x ,1 x 10-5 Rib. Pombal Recup ,3 x ,3 x 10-5 Cic. Dantas Bomb. 2 1,2 x ,5 x ,1 x ,6 x 10-5 Cic. Dantas Recup ,4 x ,8 x 10-5 Banzaê Bomb. 4 2,3 x ,0 x ,2 x ,3 x 10-5 Banzaê Recup ,7 x ,2 x 10-4 E. Cunha Recup ,7 x ,0 x 10-5 Outros Recup ,9 x ,4 x
32 VALORES DE CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA Unfractured Igneous and Metamorphic Rocks Shale Unweathered Marine Clay Limestone and Dolomite Sandstone Karst Limestone Permeable Basalt Fractured Igneous and Metamorphic Rocks Glacial Till Silt, loose Silty Sand Clean Sand Gravel Rocks Unconsolidated Deposits K (cm/s) K (m/s) Freeze & Cherry, 1979 K (m/day)
33 VALORES DE TRANSMISSIVIDADE NA ÁREA DE ESTUDO 33
34 VALORES DE CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NA ÁREA DE ESTUDO 34
35 COEFICIENTE DE ARMAZENAMENTO NA ÁREA DE ESTUDO 35
36 TIPOS DE SOLO Potencial para infiltração Tipos existentes: Areias Quartzosas Argissolo Vermelho Latossolo Vermelho Podzolico Vermelho Adaptado a partir de dados CERB
37 TIPOS DE SOLO De acordo com sua permeabilidade, é possível reclassificá-los em três categorias: Permeabilidade Baixa Permeabilidade Moderada Permeabilidade Moderada - Alta
38 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 38
39 MODELO HIDROGEOLÓGICO CONCEITUAL O modelo conceitual resume as condições naturais do meio considerado, as quais são hidrogeologicamente complexas, em uma representação simplificada dos principais mecanismos que controlam o fluxo das águas subterrâneas. Principais componentes: Balanço hídrico Hidroestratigrafia e parâmetros hidrodinâmicos Recarga Mecanismos de fluxo subterrâneo Projeto Tucano: entendimento dos mecanismos de controle da salinidade 39
40 BALANÇO HÍDRICO (ESTADO ESTACIONÁRIO) Componentes mm/ano m 3 /h %PMA 2 Entrada Precipitação 790, ,0% TOTAL ENTRADA 790, ,0% Saída Escoamento Superficial 3 39, ,0% Evapotranspiração Real 4 629, ,6% Recarga 121, ,4% TOTAL SAÍDA 790, ,0% 1) Área aproximada do projeto: 3736 km 2 2) PMA = Precipitação Média Anual 3) Valor calculado a partir do Método Racional (Q=CiA) 4) Valor estimado a partir dos dados de precipitação e evaporação disponíveis da Estação Cipó (mais próxima da área em estudo) 40
41 HIDROESTRATIGRAFIA Propriedades hidrodinâmicas semelhantes para os vários aquíferos Distribuição das propriedades (em particular condutividade hidráulica) pode ser feita, com base nos resultados dos ensaios hidrogeológicos Fm. Salvador: aquitarde (limite E) Fm. Marizal: aquífero Fm. São Sebastião: aquífero Grupo Ilhas: aquífero Fm. Candeias: aquitarde (limite W) Barreira ao fluxo Sistema aquífero regional, heterogêneo e anisotrópico Barreira ao fluxo 41
42 RECARGA E MECANISMOS DE FLUXO 42
43 SALINIDADE DA ÁGUA SUBTERRÂNEA Modelo conceitual baseado no provável ambiente de sedimentação das formações sedimentares. Formação de lagoas rasas em depressões topográficas; Altas taxas de evaporação. Mecanismos principais: Interação água / rocha; Evaporação. Ocorrência preferencial de níveis evaporíticos na Fm. Marizal. Condição inicial para o modelo dada pela atual distribuição de cloreto no aquífero, conforme base de dados existente 43
44 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 44
45 MODELAGEM MATEMÁTICA 45
46 PROTOCOLO DE MODELAGEM Definição dos objetivos Modelo conceitual Seleção do código numérico Construção do modelo Calibração Análise de sensibilidade Simulações Interpretação e apresentação de resultados 46
47 OBJETIVOS DO MODELO Status do sistema aquífero da Bacia do Tucano Central quanto à explotação. Risco/potencial para salinização de poços de captação. 47
48 FERRAMENTAS UTILIZADAS (SOFTWARE) VISUAL MODFLOW MODFLOW 2000 (modelo de fluxo) Zone Budget (balanço de massa em subdomínios) MT3DMS (modelo de transporte) PETREL Modelo de distribuição de concentrações de cloreto (condição inicial) 48
49 CONSTRUÇÃO DO MODELO NUMÉRICO 80km x 60km 200 linhas x 200 colunas 24 camadas numéricas Malha regular (plano) Células de 400m x 300m 49
50 2013 Schlumberger. All rights reserved. CONSTRUÇÃO DO MODELO NUMÉRICO 50
51 CONSTRUÇÃO DO MODELO NUMÉRICO Quaternário Fm. Marizal Grupo Ilhas Fm. São Sebastião 51
52 DADOS DE ENTRADA Poços Bombeamento Observação (carga hidráulica e concentrações) Propriedades Condutividade hidráulica, coef. de armazenamento, porosidade Concentrações iniciais Condições de contorno Recarga Cargas especificadas Concentrações especificadas 52
53 POÇOS Poços de Bombeamento 89 poços de bombeamento com dados de vazão e perfil construtivo Poços de observação níveis estáticos (cargas hidráulicas) 2 conjuntos de poços / dados Topografia SRTM: 97 poços Topografia CERB: 70 poços Poços de observação concentrações de cloretos 57 poços de observação Dados de
54 PROPRIEDADES Condutividade hidráulica, coeficiente de armazenamento Ensaios de bombeamento Porosidade total, porosidade efetiva Valores em literatura Concentrações de cloreto Condição inicial (atual) 54
55 CONDIÇÕES DE CONTORNO - RECARGA 55
56 CONDIÇÕES DE CONTORNO CARGAS ESPECIFICADAS 56
57 CONDIÇÕES DE CONTORNO CONCENTRAÇÕES (PETREL) Ferramenta desenvolvida pela Schlumberger para a indústria do petróleo Comunicação direta com Visual Modflow 57
58 CONDIÇÕES DE CONTORNO CONCENTRAÇÕES (PETREL) 58
59 CONDIÇÕES DE CONTORNO CONCENTRAÇÕES (PETREL) 59
60 CONDIÇÕES DE CONTORNO CONCENTRAÇÕES (PETREL) 60
61 CONDIÇÕES DE CONTORNO CONCENTRAÇÕES (Visual Modflow) 61
62 CONDIÇÕES DE CONTORNO CONCENTRAÇÕES (Visual Modflow) W E 400m ZONA DE INTERPOLAÇÃO 0m Cl = 150 mg/l Cl = 200 mg/l Cl = 500 mg/l Cl = 1000 mg/l -700m 62
63 CALIBRAÇÃO MODELO DE FLUXO Comparação das observações feitas em campo com aquelas reproduzidas no modelo Cargas hidráulicas e gradientes Estado permanente fluxo 2 conjuntos de dados topográficos: CERB / SRTM 63
64 CALIBRAÇÃO MODELO DE FLUXO Topografia CERB Topografia SRTM 64
65 CALIBRAÇÃO MODELO DE FLUXO (BASE CERB) 65
66 CALIBRAÇÃO MODELO DE FLUXO (BASE SRTM) 66
67 POTENCIOMETRIA MODELO DE FLUXO 67
68 BALANÇO DE MASSA 68
69 CALIBRAÇÃO PARÂMETROS FINAIS Condutividade Hidráulica Kx = Ky (m/s) Kz (m/s) Quaternário (aluviões) 3,0E-04 3,0E-05 Fm. Marizal 1,0E-05 1,0E-06 Conglomerados 5,0E-07 5,0E-08 Fm. São Sebastião 5,0E-05 1,0E-05 Grupo Ilhas 2,0E-06 2,0E-07 Recarga 5 zonas de recarga, variando entre 24 e 85 mm/ano 69
70 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 70
71 CENÁRIOS CONSIDERADOS Modelo de Fluxo Cenário atual (89 poços de bombeamento) Cenário com o dobro da vazão captada Modelo de Transporte Cenário atual (10 e 100 anos) Cenário com o dobro de poços (10 e 100 anos) Cenário hipotético com poços mais profundos (10 e 100 anos) 71
72 CENÁRIO 1 ATUAL (FLUXO) 73
73 CENÁRIO 2 - DOBRO DA VAZÃO ATUAL (FLUXO) 74
74 SIMULAÇÕES DE TRANSPORTE (0, 10, 100 anos) 75
75 RESULTADOS QUALIDADE 76
76 CENÁRIO COM POÇOS PROFUNDOS (0, 10, 100 anos) 77
77 CENÁRIO COM POÇOS PROFUNDOS - QUALIDADE 78
78 CENÁRIO DE TRANSPORTE - VIDEO 79
79 AGENDA Introdução Justificativa Descrição da área de estudo Análise de dados Modelo conceitual Modelo matemático Cenários Conclusões Discussão 80
80 CONCLUSÕES PRINCIPAIS Não existe atualmente superexplotação do sistema aquífero da Bacia do Tucano Central, dentro da área avaliada. Mesmo dobrando-se a taxa de bombeamento atualmente conhecida não há impacto significativo no sistema hidrogeológico. A construção de poços mais profundos no sistema aquífero, assumindo a ocorrência de águas de maior salinidade em profundidade, pode impactar a qualidade da água captada nestes poços, com o tempo (upconing). Necessita-se entretanto, em um primeiro momento, caracterizar verticalmente a hidrogeologia e salinidade do sistema aquífero, a profundidades maiores do que aquelas atualmente conhecidas. 81
81 RECOMENDAÇÕES Manter o uso ativo do modelo hidrogeológico (apoio à gestão dos aquíferos) e atualizá-lo conforme novos dados sejam disponibilizados. Implantação de uma rede de poços de monitoramento (existentes ou novos) para o registro das variações sazonais de nível d água. Em particular seria importante a instalação de pelo menos um poço de monitoramento multinível, que atingisse profundidades maiores do que aquelas atualmente explotadas. O monitoramento hidrogeológico, uma vez implantado, deverá incluir também medições periódicas de condutividade elétrica e/ou concentração de cloretos. Séries históricas de monitoramento serão fundamentais para o melhor entendimento dos mecanismos de fluxo, recarga e salinização dos aquíferos. Deve-se considerar a instalação de uma ou mais estações climáticas na área de estudo. 82
82 Obrigado! 83
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