ANÁLISE POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS E HIDROQUÍMICOS DE FATORES CONDICIONANTES DO POTENCIAL HÍDRICO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS -

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2 ANÁLISE POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS E HIDROQUÍMICOS DE FATORES CONDICIONANTES DO POTENCIAL HÍDRICO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS - ESTUDO DE CASOS NO QUADRILÁTERO FERRÍFERO (MG)

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4 FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO Reitor João Luiz Martins Vice-Reitor Antenor Barbosa Júnior Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação Tanus Jorge Nagem ESCOLA DE MINAS Diretor Antônio Gomes de Araújo Vice-Diretor Marco Túlio Ribeiro Evangelista DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA Chefe César Augusto Chicarino Varajão iii

5 EVOLuÇÃO CRUSTAL E RECURSOS NATURAIS iv

6 CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA VOL. 28 DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Nº 240 ANÁLISE POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS E HIDROQUÍMICOS DE FATORES CONDICIONANTES DO POTENCIAL HÍDRICO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS - ESTUDO DE CASOS NO QUADRILÁTERO FERRÍFERO (MG) Fernanda Martineli Costa Orientador Luis de Almeida Prado Bacellar Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciências Naturais, Área de Concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais OURO PRETO 2005 v

7 Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas - Departamento de Geologia - Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais Campus Morro do Cruzeiro s/n - Bauxita Ouro Preto, Minas Gerais Tel. (31) , Fax: (31) pgrad@degeo.ufop.br Os direitos de tradução e reprodução reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser gravada, armazenada em sistemas eletrônicos, fotocopiada ou reproduzida por meios mecânicos ou eletrônicos ou utilizada sem a observância das normas de direito autoral. ISSN Depósito Legal na Biblioteca Nacional Edição 1ª C837a Costa, Fernanda Catalogação: Martineli. Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos de fatores condicionantes do potencial hídrico de bacias hidrográficas [manuscrito]: Estudo de casos no Quadrilátero Ferrífero (MG) / Fernanda Martineli Costa xxiii, 147f.: il., grafs., tabs.; mapas. Orientador: Prof. Dr. Luís de Almeida Prado Bacellar. Área de concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais Dissertação (Mestrado) Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Programa de pós-graduação em evolução Crustal e Recursos Naturais. 1.Geologia - Teses. 2. Bacias hidrográficas. - Quadrilátero Ferrífero (MG) - Teses. 3. I. Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Programa de pós-graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. II. Título. CDU: 551(815.1) Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br vi

8 Dedico este trabalho à minha família, tudo em minha vida: meu pai Antonio M. Costa, minha mãe Ilda M. Costa, minha irmã Daviane, meu marido Sávio e meu filho João Sávio. vii

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10 Agradecimentos Registro aqui, sinceros agradecimentos aos que contribuíram para o presente trabalho, seja diretamente ou por meio de uma palavra verdadeira de incentivo. Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais pela oportunidade e pela confiança. Ao Departamento de Geologia da Escola de Minas da UFOP, pela infra-estrutura disponibilizada e, em especial, ao Laboratório de Geoquímica Ambiental (LGqA). Agradeço aos funcionários do departamento, em particular aos secretários Edson e Aparecida. Sinceros agradecimentos ao Prof. Dr. Luis de Almeida Prado Bacellar, pela marcante orientação, pelas discussões e todos ensinamentos e, também, pelo apoio e amizade. Aos professores Dr. Hermínio Nalini Júnior, Dr. Issamu Endu e Dr. Antenor Barbosa, pelas discussões valiosas e, em especial, ao Prof. Dr. Marco Antonio Fonseca, sobretudo pela confiança. Agradeço ao projeto Instituto do Milênio: Água uma visão mineral pelo apoio financeiro à pesquisa e ao CNPq pela bolsa de estudo concedida. A todos colegas que me acompanharam e me ajudaram nos campos, em especial para os bolsistas voluntários, alunos da engenharia geológica da UFOP, Eder Fonseca Silva e Gustavo E. A. Prado (Grilo), também pelas ajudas em escritório. Aos monitores de campo, pelo compromisso e responsabilidade na medição de dados. Um agradecimento muito carinhoso às amigas Ariana C. S. Almeida, Adriana Trópia A. Guimarães, Janice Cardoso, Cristina Martins, Aline Kelly, Luciana Vetel, Maria Inês Bonaccorsi, Maria Carolina, Pamella Schefer e Letícia Drumond, pela amizade e sabedorias compartilhadas. À Janice, Cristina, Luciana e, em especial, Adriana, agradeço também pelos ensinamentos em hidrogeoquímica. Agradeço aos colegas Zé Augusto e Charles pelas dicas valiosas. Agradecimentos também aos amigos da República Marragolo pelo apoio, desde o período da minha graduação. Agradeço à minha irmã, Daviane Martineli Costa, pelas ajudas no campo e em escritório e pela imensa colaboração e apoio quando eu tanto precisei. Aos meus pais, por torcerem mais pelos meus sonhos que eu mesma e pelo apoio incondicional aos meus estudos. Agradeço, imensamente, ao meu marido, Sávio F. Trindade, por tudo! Você é essencial em minha vida! E agradeço também ao meu filho, João Sávio, que mesmo tão pequenino despertou em mim os mais nobres sentimentos e uma energia espontânea para terminar este trabalho. Agradeço a Deus por permitir, mais uma vez, a realização de um sonho. ix

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12 Sumário AGRADECIMENTOS... ix LISTA DE FIGURAS... xv LISTA DE TABELAS... xix RESUMO... xxi ABSTRACT... xxiii CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO OBJETIVOS... 2 CAPÍTULO 2 ASPECTOS GERAIS DA REGIÃO ASPECTOS GEOLÓGICOS Estratigrafia do Quadrilátero Ferrífero Complexo Metamórfico Bação (CMB) Supergrupo Rio das Velhas (SgRV) Supergrupo Minas (Sg Minas) GEOMORFOLOGIA DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO ASPECTOS DO CLIMA, VEGETAÇÃO, SOLO E USO/OCUPAÇÃO NO QF HIDROGEOLOGIA DO QUADRILÁERO FERRÍFERO Rochas ferríferas da Formação Cauê (Grupo Itabira) Quartzitos ferruginosos da Formação Cercadinho (Grupo Piracicaba) Dolomitos da Formação Gandarela (Grupo Itabira) Quartzitos da Formação Moeda (Grupo Caraça) Sistema aqüífero cristalino Sistema aqüífero superficial IMPACTOS SOBRE OS RECURSOS HÍDRICOS NO QF CAPÍTULO 3 FLUXOS HÍDRICOS E VARIÁVEIS DO REGIME HIDROLÓGICO CONCEITO DE MICROBACIA RELAÇÃO ENTRE ÁGUA SUBTERRÂNEA E SUPERFICIAL ANÁLISE DE HIDROGRAMAS COMPONENTES PRINCIPAIS DO FLUXO Fluxo Superficial Fluxo Subsuperficial Fluxo de Base ANÁLISE DO FLUXO DE BASE Recessão do fluxo de base Separação do fluxo de base em hidrogramas xi

13 3.5.3 Determinação do coeficiente de recessão (α) Método Correlação Método Matching Strip DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS FATORES QUE INTERFEREM NO REGIME HIDROLÓGICO/HIDROGEOLÓGICO Clima Geologia Geomorfologia Cobertura Vegetal Uso e ocupação do solo EVOLUÇÃO QUÍMICA DAS ÁGUAS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS CAPÍTULO 4 - METODOLOGIA ETAPA 1: AQUISIÇÃO DOS DADOS BÁSICOS ETAPA 2: SELEÇÃO DAS BACIAS E MICROBACIAS ETAPA 3: OBTENÇÃO DE DADOS DAS BACIAS Instrumentação das microbacias Dados de chuva Dados de vazão Levantamento dos dados das bacias com séries hidrológicas históricas ETAPA 4: MONITORAMENTO DOS DADOS NAS MICROBACIAS Dados hidrológicos Dados hidrogeoquímicos ETAPA 5: TRATAMENTO DOS DADOS ETAPA 6: INTEGRAÇÃO/ INTERPRETAÇÃO E CONCLUSÕES CAPÍTULO 5 CARACTERIZAÇÃO DAS BACIAS DE DRENAGEM MICROBACIAS INSTRUMENTADAS Seleção das microbacias para monitoramento BACIAS COM SÉRIES HISTÓRICAS GEOLOGIA Microbacias monitoradas Unidade Gnáissica Unidade Máfica Intrusiva - Anfibolitos Grupo Nova Lima (SgRV) quartzo-mica xistos Unidade Ultramáfica/metaultramáfica Unidade Granitóide Sg Minas Grupo Piracicaba (indiviso) Bacias com séries hidrológicas históricas xii

14 5.4 GEOMORFOLOGIA DAS MICROBACIAS USO E OCUPAÇÃO DO SOLO NAS MICROBACIAS CAPÍTULO 6 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS REGIME PLUVIOMÉTRICO E FLUVIOMÉTRICO DAS MICROBACIAS Dados pluviométricos Dados fluviométricos REGIME FLUVIOMÉTRICO DAS BACIAS COM DADOS HISTÓRICOS SEPARAÇÃO DE HIDROGRAMAS E QUANTIFICAÇÃO DO FLUXO DE BASE Microbacias Bacias com dados hidrológicos históricos COEFICIENTE DE RECESSÃO (α) Microbacias Matching Strip Correlação Bacias com dados fluviométricos históricos Matching Strip e Correlação Método de Barnes ANÁLISES HIDROQUÍMICAS Controle de qualidade dos resultados das análises hidroquímicas Conteúdo iônico das águas das microbacias Diagrama de Piper CAPÍTULO 7 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS PADRÃO DE FLUXO DAS MICROBACIAS Padrão hidroquímico das microbacias Análise das assinaturas hidroquímicas e as litologias Análise das assinaturas hidroquímicas e a vazão PADRÃO DE FLUXO DAS BACIAS COM DADOS HISTÓRICOS DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS CONDICIONANTES DO REGIME HIDROLÓGICO Condicionantes Geológicos Condicionantes Geomorfológicos Condicionantes Antrópicos Influência da voçoroca na dinâmica hidrológica/hidrogeológica de microbacias CAPÍTULO 8 CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS xiii

15 ANEXO I Definição de altura pluviométrica e Métodos de determinação de vazão em pequenas drenagens ANEXO II Vertedores portáteis utilizados nas microbacias ANEXO III Planilhas de monitoramento ANEXO IV Balanço iônico nas microbacias ANEXO V Variação iônica e parâmetros físico-químicos das microbacias BANCA EXAMINADORA (Ficha de Aprovação) xiv

16 Lista de Figuras Figura Coluna estratigráfica do QF Figura Mapa das unidades hidroestratigráficas do Alto rio das Velhas Figura Hidrograma tipo com os três segmentos básicos Figura Rotas de fluxo em encostas Figura Modelo conceitual proposto por Boussinesq em Figura Determinação do coeficiente de recessão pelo método de Barnes Figura Técnicas de separação de hidrogramas Figura Método gráfico de Barnes de separação das componentes do fluxo Figura Típica curva de recessão mestra (CRM) obtida pelo método Correlação Figura Típica curva de recessão mestra (CRM) obtida pelo método Matching Strip Figura Fluxograma metodológico do desenvolvimento da pesquisa Figura Pluviômetros instalados nas microbacias B3 e B Figura Vertedores portáteis instalados nas microbacias Figura A = Método volumétrico; B = Régua para leitura da carga hidráulica Figura A = Multiparâmetro utilizado em campo Figura Determinação de A = alcalinidade; B = cloreto; C = sulfato Figura A = Vertedor na microbacia B7; B = canal assoreado da microbacia B Figura Microbacia B8: sem processo erosivo; Microbacia B8.1: com voçoroca Figura Localização das microbacias monitoradas Figura Localização das duas bacias monitoradas pela parceria CEMIG/IGAM Figura Mapa geológico correspondente a cada microbacia Figura Mapa de Domínios Geomorfológicos da BRM com localização das microbacias. 67 Figura Representação gráfica das formas de uso e ocupação do solo em cada microbacia.70 Figura Hietograma com a precipitação mensal de cada microbacia Figura Hietograma com a precipitação média diária das microbacias Figura Hietograma diário considerando a média de todas as microbacias xv

17 Figura Correlação entre os dados de vazão pelo vertedor e método volumétrico (B5)...73 Figura Variação da vazão ao longo do dia na microbacia B Figura Hidrogramas das microbacias com vazão específica diária Figura Hidrogramas com médias mensais das bacias com dados hidrológicos históricos.. 77 Figura Hidrogramas com médias mensais do rio Maracujá e Alto rio das Velhas Figura Hidrogramas com vazões diárias do rio Maracujá e Alto rio das Velhas Figura Hidrogramas com separação do fluxo de base pela técnica smoothed minima Figura Hidrogramas das bacias ( , , ) com a separação do fluxo de base pelo método de Barnes Figura Hidrogramas das bacias ( , , ) com a separação do fluxo de base pelo método de Barnes Figura Hidrogramas com separação do fluxo de base pela técnica smoothed minima das bacias Alto rio das Velhas e Maracujá Figura Método Matching Strip aplicado à microbacia B Figura Método Correlação aplicado à microbacia B Figura Técnica Matching Strip aplicada às Bacias Alto Rio das Velhas e Rio Maracujá. 90 Figura Técnica Correlação aplicada às Bacias Alto Rio das Velhas e Rio Maracujá Figura Teor de alcalinidade ao longo do ano nas microbacias Figura Teor de cloreto ao longo do ano nas microbacias Figura Variação dos cátions fundamentais ao longo do ano nas microbacias Figura Variação na concentração iônica média entre as microbacias Figura Diagrama de Piper com a classificação das águas das microbacias Figura 7.1 Gráfico evidenciando a correlação inversa entre coeficiente de recessão e BFI Figura 7.2 Gráfico do coeficiente de recessão em relação ao FBE Figura 7.3 Fluxo de base específico das microbacias com destaque para as respostas de recarga dos aqüíferos Figura 7.4 Relação inversa entre a concentração dos íons principais e a razão rk/rna Figura 7.5 Variação da concentração química ao longo do ano com a vazão Figura 7.6 Não-correlação encontrada entre o BFI e a concentração iônica média Figura 7.7 Coeficiente de recessão versus BFI para todas bacias analisada. A = pelos métodos Matching Strip e Smoothed; B = pelo método de Barnes xvi

18 Figura 7.8 Gráfico de cruzamento entre slope index e coeficiente de recessão Figura 7.9 Gráfico do índice de compacidade x coeficiente de recessão Figura 7.10 Correlação entre coeficiente de recessão e porcentagem de mata e pastagem Figura 7.11 Variação no coeficiente de recessão e BFI em conseqüência da voçoroca Figura 7.12 Microbacias B8 e B8.1 com nítida diferença na morfologia dos canais Figura 7.13 Perfil esquemático A = microbacia B8, com lençol freático no regolito; e B = microbacia B8.1, com o lençol rebaixado para a rocha alterada xvii

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20 Lista de Tabelas Tabela Comparação entre bacias de drenagem em diferentes escalas Tabela Tipos de vertedores empregados nas microbacias Tabela Erro admissível no balanço iônico segundo Custodio & Llamas (1976) Tabela Síntese das características das microbacias monitoradas Tabela Localização das microbacias e dos respectivos vertedores Tabela Localização, período de monitoramento e área das bacias com dados históricos Tabela Litologias das microbacias Tabela Litologias das bacias com dados hidrológicos históricos Tabela Índices morfométricos das microbacias Tabela Uso e ocupação do solo das microbacias Tabela Equação de correlação entre as vazões pelo vertedor e método volumétrico Tabela Cálculos referentes à técnica smoothed minima para a microbacia B Tabela BFI das microbacias calculado por meio da técnica smoothed minima Tabela Fluxo de base específico (FBE) anual das microbacias Tabela BFI s e FBE s anuais das bacias com dados hidrológicos históricos Tabela Exemplos de α calculados a partir de curvas com sutil diferença na inclinação Tabela Coeficiente de recessão das microbacias pelo Matching Strip e Correlação Tabela Coeficientes de recessão das bacias com dados hidrológicos históricos Tabela Razões iônicas médias definidas para as microbacias Tabela 7.2 Valores estimados de difusividade e transmissividade xix

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22 Resumo Os meios hídricos superficiais e subterrâneos estão em dinâmica interação e, conseqüentemente, eventuais interferências em um meio são refletidas, a curto ou longo prazo, em todo o sistema, o que justifica a necessidade de gerenciamento integrado. Esta interconexão possibilita ainda a análise das condições dos aqüíferos a partir de informações hidrológicas por meio dos métodos indiretos de caracterização hidrogeológica, fundamento da presente pesquisa. Trata-se de investigações baseadas, em especial, na análise das taxas de recessão do fluxo de base, ou seja, na capacidade do aqüífero produzir água e contribuir para a vazão das drenagens superficiais. Com este método, a partir do conhecimento do regime hidrológico das bacias, é possível analisar as variáveis que participam da definição do potencial hídrico de uma região. Ressalta-se que tais variáveis, além numerosas, atuam de forma integrada, tendo geralmente seus efeitos superimpostos. Neste trabalho, as variáveis consideradas foram: geologia, geomorfologia e uso e ocupação do solo, em especial a presença de voçorocas. Foram analisadas nove microbacias de drenagem com características preferencialmente homogêneas em toda a sua extensão e que se diferenciavam entre si por alguma particularidade prédefinida. Buscou-se assim avaliar o efeito deste atributo diferencial no potencial hídrico da bacia, que foi determinado pelos métodos hidrológicos e hidroquímicos (métodos indiretos). A maioria das microbacias localiza-se no Complexo Metamórfico Bação, sendo duas estruturadas em rochas do Supergrupo Minas, ambas unidades localizadas no Quadrilátero Ferrífero MG. No monitoramento destas microbacias, com duração de um ano hidrológico, foram utilizados pluviômetros alternativos com resultados satisfatórios. Na determinação da vazão utilizou-se vertedores portáteis de placa de metal semelhantes aos sugeridos pelo USGS, de baixo custo, altamente confiáveis e de grande praticidade. Paralelamente, foram analisadas bacias com dados fluviométricos históricos em tamanhos variados a fim de balizar os resultados. xxi

23 O índice hídrico coeficiente de recessão foi determinado por meio de técnicas pouco divulgadas em âmbito nacional e de grande utilidade por necessitar de séries fluviométricas relativamente curtas. Trata-se dos métodos da Correlação e Matching Strip, sendo que, para os dados disponíveis, o segundo apresentou melhores resultados. Para a separação dos hidrogramas, determinação do fluxo de base (utilizando-se, em especial, o índice BFI: percentual do fluxo de base em relação ao fluxo total) e de outros índices foi aplicada a técnica Smoothed Minima, que gerou resultados igualmente coerentes. Foi aplicado também o tradicional método de Barnes, em especial nas bacias com dados fluviométricos históricos. A partir dos preceitos de Maillet e Rorabaugh, foi estimada, ainda, a difusividade (transmissividade/coeficiente de armazenamento) das microbacias e indicados alguns valores possíveis da transmissividade. A comparação entre as microbacias evidenciou que aquelas estruturadas em granito-gnaisse tendem a um maior potencial hídrico que aquelas estruturadas em xistos e filitos. E, sob mesmas condições geológicas, aquelas com relevo mais acentuado, apresentam menor potencial hídrico. Porém, deve-se considerar que há uma tendência do manto de intemperismo ser mais espesso em áreas de relevo mais plano nos terrenos granito-gnaissicos, o que também contribui para o maior potencial hídrico das bacias. Não foi possível observar com clareza os efeitos das formas de uso e ocupação do solo sobre os recursos hídricos, sendo necessários estudos mais detalhados para interpretações definitivas. Porém, verificou-se uma significativa diminuição do fluxo de base nas microbacias afetadas por voçorocas, causando expressivo impacto sobre o regime hidrológico. Devido ao baixo custo e praticidade, a metodologia aqui empregada se mostrou adequada para analisar o potencial hídrico de regiões com deficiência de dados hidrológicos e hidrogeológicos. xxii

24 Abstract As surface water and groundwater are continuously interacting, any external influence is able to affect them in the long or short term. Because of this interconnection, aquifer information can be obtained by the analysis of drainage flow pattern (hydrological approach). This approach is based on the analysis of baseflow recession, i.e., the study of the aquifer ability to yield water and to maintain the stream flow. This approach can be used to analyze the variables that affect the hydrological potential of a basin. It should be stressed that there are many variables which can act together in the flow pattern, sometimes with superimposed effects. In this work the following variables were analyzed: geology, geomorphology, and land degradation, especially by gullies. Nine small catchments were selected, with similar characteristics, but with some pre-defined differences. This research aims to analyze the role of the above mentioned variables in the catchment hydrological potential through indirect (hydrological and hydrogeochemical) methods. The catchments are located in the Quadrilátero Ferrífero region, two of them in rocks of Minas supergroup and the other ones in the Bação Metamorphic Complex. Some alternative monitoring equipments (pluviometers and portable steel weirs, USGS type) were used and they showed very goods results at low operating costs. Some larger hydrographic basins of the region were simultaneously analyzed, in order to compare the results. The recession coefficient was determined through some methods that are very useful to treat small fluviometric series: the correlation method and the matching strip method. The last one showed the best results for the available data. The smoothed minima technique was used to determine the ratio of base flow to total flow (base flow index) and other indices and the results were equally very good. The graphical method of Barnes was applied simultaneously, especially with the data of the larger basins. The diffusivity (transmissivity/storage coefficient) was calculated thorough the assumptions established by Maillet and Rorabaugh, allowing the estimation of an average transmissivity for the study catchments. xxiii

25 The results showed that those catchments on granite-gneissic terrains tend to have bigger hydrological potential than the ones on schists and phillites. The catchments placed in high relief areas present lower hydrological potential. In fact, the regolith tends to be thicker over gently sloping areas in basement rocks, which contributes to their higher hydrological potential. Land degradation usually affects the water resources, but in this study these effects were not properly detected. However, it was noted that gullies tend to decrease the baseflow, causing a great impact in the hydrological regime of streams. This study proved that the adopted methodology is very useful to analyze the hydrological potential, even when there is not a great amount of hydrological and hydrogeological data. xxiv

26 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO A água, como recurso natural, tem sido cada vez mais foco de atenção de pesquisadores, governantes e da própria população, uma vez que seu consumo segue uma tendência crescente enquanto ocorrem quedas na sua disponibilidade, em geral, associadas às variações climáticas e/ou práticas não adequadas de uso e ocupação do solo. Medidas imprescindíveis diante deste cenário consistem no uso racional da água e na adoção de medidas conservacionistas, atitudes que podem ser potencializadas com a evolução dos conhecimentos. Na busca do melhor entendimento sobre os recursos hídricos é fundamental a compreensão dos meios subterrâneos e superficiais como um sistema integrado, dinâmico e complexo (Castany 1971, Winter et al. 1998). Tal conexão deve ser considerada nos estudos e planejamentos de recuperação e preservação dos recursos hídricos, uma vez que interferências em um meio afetam todo o sistema. Adicionalmente, esta interconexão pode fornecer subsídios para caracterização do meio hídrico subterrâneo a partir de informações do meio superficial. Como exemplo, têm-se os métodos indiretos de caracterização hidrogeológica (Castany 1971, Trainer & Watkins Jr. 1974, Custodio & Llamas 1976, Feitosa & Manoel Filho 1997, USAE 1999), que constituem o fundamento desta pesquisa. Essa possibilidade é de grande interesse em especial para regiões onde os dados hidrogeológicos obtidos de forma direta, geralmente mais onerosa, são escassos. Em contrapartida, em grande parte do território nacional estão disponíveis extensas séries hidrológicas históricas que podem fornecer importantes informações sobre as condições dos aqüíferos locais. Há de se considerar também que as características do meio físico, sempre associadas com o clima, definem as condições de armazenamento e circulação e, deste modo, o potencial hídrico de uma região. De fato, algumas bacias hidrográficas, conforme suas peculiaridades, são mais propícias à produção de água de forma sustentável. O conhecimento desta relação constitui ferramenta importante no contexto de gestão dos recursos hídricos. O melhor entendimento das variáveis que interferem na produção de água, assim como os mecanismos envolvidos, são de fundamental importância como suporte tanto na previsão de regiões de maior potencial como no estabelecimento de áreas que mereçam uma preservação mais efetiva.

27 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... A presente pesquisa é desenvolvida na bacia do Alto rio das Velhas, importante tributário do rio São Francisco. Esta bacia é responsável por cerca de 50% do abastecimento de água da rede metropolitana de Belo Horizonte, além de demandas com minerações e abastecimento de cidades menores (Golder Associates 2001). O conhecimento das condições hídricas desta bacia constitui, assim, elemento essencial em programas locais de gerenciamento dos recursos hídricos. Foram selecionadas para monitoramento, microbacias representativas do Complexo Metamórfico Bação (região central do Quadrilátero Ferrífero MG), uma unidade do embasamento cristalino com limitados recursos hídricos e ainda pouco estudados. Em termos gerais, esta pesquisa pode também contribuir para a evolução do entendimento dos sistemas aqüíferos cristalinos, que embora abranjam cerca de 62% das reservas de águas subterrâneas no Brasil, são ainda relativamente pouco conhecidos (Rebouças 1980). A escala de microbacias assegura uma maior homogeneidade do meio físico e das condições bioclimáticas. As microbacias estudadas possuem formas e dimensões semelhantes com áreas de até cerca de 1km 2. Na Europa e América do Norte, diferentemente da América Latina, pequenas bacias (1-10 km 2 ) como estas são amplamente usadas em estudos hidrológicos e ambientais (Moldan & Cerný 1994). Bacias maiores com dados fluviométricos históricos envolvendo diferentes unidades geológicas do Quadrilátero Ferrífero também foram analisadas visando complementar a investigação. 1.1 OBJETIVOS Os objetivos gerais desta pesquisa consistem na caracterização das condições dos fluxos hídricos subterrâneos por métodos hidrológicos e hidroquímicos e, a partir destas informações, verificar e por vezes confirmar as variáveis potencialmente influenciadoras na produção de água em bacias hidrográficas. As variáveis consideradas referem-se à geologia (em especial à litologia), à geomorfologia e ao estado de preservação da bacia. Em particular, pretende-se avaliar os potenciais impactos de voçorocas no regime hídrico, assunto ainda pouco enfocado na literatura. Os objetivos específicos são:» Verificar a aplicabilidade dos vertedores portáteis semelhantes aos sugeridos pelo USGS (Rantz 1982);» Aplicar métodos alternativos de determinação do coeficiente de recessão (matching strip e correlation methods); 2

28 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p.» Estimar o índice de fluxo de base (BFI) e fluxo de base específico (FBE) por meio da técnica smoothed minima;» Determinar os índices coeficiente de recessão, BFI e FBE por meio do método gráfico de Barnes (Custodio & Llamas 1976);» Medir o impacto das atividades antrópicas, especialmente voçorocas, na dinâmica hidrológica e, considerando que estas são freqüentes na região, verificar possíveis efeitos cumulativos no Alto rio das Velhas,» Aplicar os métodos indiretos de determinação de parâmetros hidrodinâmicos de aqüíferos. 3

29 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... 4

30 CAPÍTULO 2 ASPECTOS GERAIS DA REGIÃO Neste capítulo apresenta-se uma caracterização geral da região em termos de seus aspectos físicos relevantes para o entendimento do comportamento hidrológico/hidrogeológico. A região estudada localiza-se na porção centro-sul do estado de Minas Gerais e pertence à bacia do rio das Velhas, importante afluente da margem direita do Alto rio São Francisco. As microbacias analisadas situam-se, especificamente, na bacia do rio Maracujá, afluente esquerdo do Alto rio das Velhas. Geologicamente a área está inserida no Quadrilátero Ferrífero (QF), unidade localizada no extremo sul do Cráton São Francisco. A pesquisa tem enfoque em áreas do embasamento cristalino, concentrando-se no Complexo Metamórfico Bação, porção central do QF. Foram definidas também algumas bacias de diferentes dimensões em outras unidades com o objetivo de balizar os resultados ASPECTOS GEOLÓGICOS O Quadrilátero Ferrífero é uma unidade mundialmente conhecida por seus depósitos minerais e amplamente estudada, com vários trabalhos desenvolvidos na tentativa de esclarecer a sua constituição e evolução geológica (e.g. Dorr 1969, Carneiro et al. 1995, Endo 1997, Alkmin & Marshak 1998) Estratigrafia do Quadrilátero Ferrífero A primeira coluna estratigráfica do QF foi proposta por Harder & Chamberlain em 1915, a qual foi sendo reformulada e atualizada com a evolução dos conhecimentos. Uma versão clássica foi elaborada por Dorr (1969), na ocasião do mapeamento na escala 1/ realizado pelo convênio DNPM/USGS, e uma contribuição mais recente foi proposta por Alkmin & Marshak (1998). O QF é constituído por 3 unidades litoestratigráficas fundamentais (Figura 2.1): - Complexos Metamórficos, que constituem o embasamento cristalino de idade Arqueana; - Seqüências vulcano-sedimentares Arqueanas - greenstone belt (Supergrupo Rio das Velhas); - Seqüências supracrustais Proterozóicas (Supergrupo Minas e Grupo Itacolomi).

31 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos.... Têm-se ainda, de ocorrência mais restrita, bacias sedimentares terciárias (bacias do Gandarela, Fonseca e Gongo-Soco) e sedimentos quaternários. A seguir, apresenta-se uma descrição sumária destas seqüências, sendo que entre os complexos metamórficos será abordado apenas o Bação, por constituir o foco desta pesquisa Complexo Metamórfico Bação (CMB) O Complexo Metamórfico Bação apresenta forma aproximadamente circular e área de cerca de 385km 2. Segundo Johnson (1962), esta unidade seria relativamente homogênea, representada por rochas granito-gnáissicas indiferenciadas, apresentando lentes de rochas do Supergrupo Rio das Velhas e alguns diques de anfibolitos, migmatitos e granitóides. Estudos posteriores, em escalas de maior detalhe, possibilitaram sucessivas descobertas sobre sua constituição geológica. Em particular, destaca-se o mapeamento geológico na escala 1/ realizado no âmbito dos Trabalhos de Graduação (TG s) de alunos do Departamento de Geologia da UFOP (e.g. Ferreira 1999, Franco 1999, Martins 1999, Martins 2001). A partir deste mapeamento, ficou evidente uma maior heterogeneidade desta unidade, em termos estruturais e especialmente litológicos (descrições no capítulo 5). Em geral os afloramentos são escassos, muitas vezes intemperizados, havendo espesso manto de intemperismo que atinge até 50m de espessura. Nestes terrenos observam-se concentrações de voçorocas e ravinas de grandes dimensões (Sobreira 1998, Sobreira & Bacellar 1999, Bacellar 2000, Costa & Sobreira 2000, Costa & Sobreira 2001) Supergrupo Rio das Velhas (SgRV) O Supergrupo rio das Velhas é dividido, da base para o topo, em dois grupos: - Grupo Nova Lima - Possui grande extensão sendo composto pelas unidades: Metavulcânica (rochas entre as quais: ultramáficas, metatufos, serpentinitos, esteatitos, filitos grafitosos e metascherts - correspondentes ao Grupo Quebra Ossos, definido por Schorscher (1978)); Unidade metassedimentar química (xistos carbonáticos, metacherts, formação ferrífera do tipo Algoma e filitos grafitosos); Unidade Metassedimentar Clástica (quartzo-xistos, filitos e quartzitos e metaconglomerados). - Grupo Maquiné - Constitui-se da Formação Palmital (filito com lentes de quartzito e metaconglomerado) e Formação Casa Forte (quartzitos, conglomerados e filitos). 6

32 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Figura Coluna estratigráfica do QF (Modificada de Alkmin & Marshak 1998) Supergrupo Minas (Sg Minas) O Supergrupo Minas, estratigraficamente disposto acima do SgRV, é composto, da base para o topo, pelos seguintes grupos e formações: 7

33 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos Grupo Caraça - constituído por metaconglomerados e quartzitos (Formação Moeda), que passam a metassedimentos mais pelíticos (filitos sericíticos e grafitosos) da Formação Batatal. - Grupo Itabira - constitui a seqüência de metassedimentos químicos do Sg Minas. A Formação Cauê, constituída essencialmente por itabiritos, representa os depósitos de minério de ferro do QF. Acima tem-se a Formação Gandarela, representada principalmente por mármores dolomíticos com intercalações de itabirito, filitos e filitos dolomíticos. - Grupo Piracicaba - na base deste grupo tem-se a Formação Cercadinho, constituída por quartzitos e filitos ferruginosos e dolomito subordinado. Acima encontra-se a Formação Fecho do Funil com filitos, filitos dolomíticos e dolomitos. A Formação Taboões engloba quartzitos finos e maciços, e no topo ocorrem filitos e filitos grafitosos da Formação Barreiro. - Grupo Sabará - composto por clorita-xistos, metatufos, grauvacas, quartzitos e metaconglomerados. - Grupo Itacolomi engloba quartzitos, quartzitos conglomeráticos e lentes de conglomerado com seixos de itabirito, filito, quartzito e quartzo de veio GERMORFOLOGIA DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO O Quadrilátero Ferrífero é caracterizado por feições geomorfológicas singulares, conseqüências de controles estruturais e paleoclimáticos e resistência intempérica diferencial dos litotipos. Nas bordas têm-se porções com altimetria elevada e na parte central o relevo encontra-se rebaixado (dissecado). O Complexo Metamórfico do Bação está topograficamente deprimido em relação aos metassedimentos que o bordeja. Os gnaisses, litotipo dominante do CMB, são mais intemperizáveis e erodíveis que as rochas supracrustais, e assim, o relevo foi sendo atenuado ao longo do tempo geológico. Nesta unidade predomina relevo colinoso, constituindo mares de morros. Nas rochas bordejantes (metassedimentos) o relevo é escarpado, os vales bem encaixados e as cristas de serras sustentadas, em especial, pelos quartzitos e itabiritos (RADAM BRASIL 1983, Barbosa 1984). 8

34 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. A bacia do rio Maracujá tem sua cabeceira em rochas supracrustais e o restante em rochas do CMB e, portanto, apresenta no mínimo dois compartimentos geomorfológicos distintos. Em estudo de maior detalhe, Bacellar (2000) distinguiu quatro domínios geomorfológicos. No domínio 1 têm-se terrenos com relevo suave, com pequeno desnivelamento topográfico. Onde o relevo apresenta maiores desnivelamentos, distingue-se o domínio 3, englobando rochas do embasamento e do Supergrupo Rio das Velhas. O domínio 2 corresponde ao relevo com características intermediárias entre os domínios 1 e 3. Onde afloram as rochas do Supergrupo Minas (Alto rio Maracujá), com relevo típico das supracrustais, definiu-se o domínio geomorfológico ASPECTOS DO CLIMA, VEGETAÇÃO, SOLO E USO/OCUPAÇÃO NO QF O clima no QF é classificado nos tipos CWa e CWb de Köppen. O primeiro predomina na área do CMB, sendo caracterizado por temperatura média de 27,9º, com chuvas concentradas nos meses de outubro a março. O CWb, comum nas áreas mais altas onde se têm as supracrustais, é marcado por um maior índice pluviométrico, correspondendo ao clima tropical de altitude (RADAM BRASIL 1983). Os registros da pluviosidade média anual para a região do Complexo Metamórfico Bação, em particular para a Bacia do rio Maracujá, é de 1550mm considerando dados do início do século XX (Freiberg 1934 in Johnson 1962). Na estação da Fazenda Maracujá (localizada no Baixo rio Maracujá - referente à bacia analisada neste trabalho), os dados obtidos pela CEMIG/IGAM para os anos de 2001 e 2002 indicam uma pluviosidade de 1256mm. Em estação próxima (Barragem de Rio de Pedras) a média é de 1348 mm para a década de 90. Para as regiões mais elevadas onde afloram supracrustais, a média pluviométrica é de 2100mm (Freiberg 1934 in Johnson 1962). A evaporação anual média obtida na área da mina de Capão Xavier (mineração de ferro da MBR), região norte do QF onde afloram rochas do Supergrupo Minas, é de 963mm anuais (Amorim et al. 1999). Em termos de vegetação, o QF é uma área de transição entre a mata atlântica (que predomina nos solos mais férteis) e cerrado (que predomina nos solos mais pobres em termos de fertilidade), com ocorrência de campos rupestres especialmente nas serras com quartzito. Devido à intensa exploração mineral e ocupação humana, a vegetação nativa encontra-se bastante degradada. Especificamente na região do CMB, destacam-se campos e cerrados entremeados por matas ciliares, que atualmente encontram-se parcialmente substituídos por formações secundárias e pastagens (Farias 1982 in Bacellar 2000, RADAM BRASIL 1983). 9

35 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos.... O solo mostra-se em grande variedade no QF conforme a diversidade litológica existente. Em geral, pode-se considerá-lo mais desenvolvido sobre rochas granito-gnáissicas e delgado em rochas supracrustais, em especial sobre aquelas que apresentam maior resistência ao intemperismo, como itabiritos e quartzitos (Franco 1999, Bacellar 2000, Martins 2001). Porém, sobre mesma unidade litológica, o manto de intemperismo pode apresentar espessuras muito variáveis conforme diferenças composicionais e estruturais, como constatado por Bacellar (2000) em saprolitos do gnaisse Funil no CMB. Especificamente neste complexo predominam os latossolos e, secundariamente, solos podzólicos e cambissolos, em geral espessos e com ocorrência freqüente de camada de colúvio. Em setores com rochas mais resistentes pertencentes aos supergrupos Minas e Rio das Velhas, incluindo porções com granitóides no próprio CMB, têm-se solos litólicos. O solo da região do CMB é também condicionado por aspectos geomorfológicos, sendo em geral mais espesso (freqüentemente maior que 50m) em setores com relevo mais suave e à montante dos níveis de base locais (Bacellar 2000). Conquanto existam as variações entre cambissolos, latossolos e solos podzólicos, em ambientes bem drenados estes podem ser considerados relativamente homogêneos em relação às propriedades hidráulicas (Santos 1997 in Bacellar 2000). Em geral, solos derivados de gnaisses apresentam baixa permeabilidade, em torno de 10-4 cm/s (Lambe 1996 in Bacellar 2000). Especificamente para o saprolito dos gnaisses do CMB, os valores da condutividade hidráulica variam entre 2,3 x 10-5 e 3,7 x 10-6 cm/s, segundo dados de Bacellar (2000). Nos colúvios, os valores foram em média da ordem de 10-4 cm/s e, portanto, apresentam-se mais permeáveis que os saprolitos. O início da ocupação das terras do QF está relacionado, em especial, com o ciclo do ouro, cujo auge da exploração data dos meados do século XVIII. A partir de então, houve uma crescente pressão sobre os recursos naturais, inicialmente com o desmatamento de matas e cerrados. O CMB, embora constituído por rochas desprovidas deste metal, sofreu vários impactos, uma vez que, por sua posição estratégica, solo relativamente mais fértil e relevo mais apropriado à cultura, serviu como centro fornecedor de alimentos para as regiões vizinhas (Gutersohn 1945 in Bacellar 2000). Inclusive há indícios de que as voçorocas, feições abundantes na região, tenham origem neste período. De fato, o CMB é recortado por voçorocas em quantidades e dimensões consideráveis, concentradas em três bacias de drenagem: bacia do rio Maracujá, bacia do rio Carioca e bacia Riacho da Cachoeira (Costa & Sobreira 2000). Especificamente na bacia do rio Maracujá, Bacellar (2000) verificou que as voçorocas estão relacionadas com as atividades antrópicas, mas que aspectos geológicos e geomorfológicos também exercem importante controle. 10

36 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Atualmente, na região do QF, destaca-se a intensa atividade minerária e uma crescente expansão urbana, decorrente especialmente da proximidade da região metropolitana de Belo Horizonte. Dentre as atividades minerárias, a produção do minério de ferro é a mais notável, dada a sua importância econômica, infra-estrutura associada e amplitude do volume explotado, representando atualmente cerca de 96% de toda produção mineral da área (Coppedê Jr. & Boechat 2002) HIDROGEOLOGIA DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO Na maioria das rochas do QF, a ocorrência da água subterrânea está, em geral, relacionada a sistemas de fraturas, dada a baixa permeabilidade da rocha intacta. Mas os processos de intemperismo e lixiviação, associados ainda às estruturas, tais como brechação, foliação e micro-fraturamentos, por vezes culminaram com o desenvolvimento de porosidade em alguns litotipos, que podem funcionar então, localmente, como aqüíferos granulares ou granular-fraturados (Cruz 1995, Golder Associates 2001). São consideradas como principais unidades aqüíferas: rochas ferríferas da Formação Cauê; quartzitos ferruginosos da Formação Cercadinho; metadolomitos da Formação Gandarela; quartzitos da Formação Moeda; Sistema aqüífero cristalino e Sistema aqüífero Superficial. Considerando apenas os aqüíferos das Formações Cauê, Moeda e Cercadinho, a reserva explotável é estimada em aproximadamente cinco bilhões de metros cúbicos, o que evidencia uma significativa reserva de água subterrânea (Silva et al. 1994, Bertachini 1994, Amorim et al. 1999, Sobreiro Neto et al. 2001). Outras unidades comportam-se como aquicludes, aquitardes ou zonas aqüíferas de menor porte. Por exemplo, entre as rochas do Grupo Nova Lima, as formações ferríferas correspondem a aqüíferos, porém de pequena extensão, e os xistos constituem aquitardes e aquicludes quando alterados, e aqüíferos quando frescos e fraturados (Rubio et al. 1997). Os xistos do Grupo Piracicaba também funcionam como aquitardes. Algumas unidades, como os filitos da Formação Batatal já atuam como barreiras impermeáveis, assim como alguns diques comuns no QF (Rubio et al. 1997, Rubio et al. 1998, Golder Associates 2001, Sobreiro Neto et al. 2001). 11

37 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos.... Em termos de disponibilidades hídricas superficiais e subterrâneas, Golder Associates (2001), em diagnóstico realizado no Alto rio das Velhas, classificaram as unidades estratigráficas do Quadrilátero Ferrífero como: alto, médio, baixo e muito baixo potencial (Figura 2.2). Segundo estes autores, as zonas aqüíferas dos Grupos Piracicaba (quartzitos Cercadinho) e Itabira (Fm Gandarela e, em especial, Fm. Cauê) apresentam o maior potencial de armazenamento e disponibilização de água subterrânea. As rochas do Complexo Metamórfico Bação e do Grupo Nova Lima foram consideradas, respectivamente, de baixo e baixo a muito baixo potencial hídrico. Silva et al. (1994) também consideram que os principais aqüíferos do QF correspondem aos Grupos Piracicaba, Itabira, incluindo também o G. Caraça com a Fm Moeda. A partir das considerações dos autores acima citados, pode-se, simplificadamente, estabelecer a seguinte tendência de classificação em termos de potencial hidrogeológico das rochas do QF:» Xistos e filitos (em especial quando pouco fraturados) muito baixo» Granito-gnaisses (Complexos Metamórficos) baixo» Quartzitos baixo a médio» Formações Ferríferas (Fm Cauê) e Metadolomitos (Fm Gandarela) ---- médio a alto Unidades Hidroestratigráficas (Potencial hídrico) Unidade I (médio) Zona Aquífera do G. Itacolomi V Unidade II (médio e alto) Zonas Aquíferas dos G Piracicaba e Itabira II III IV VI Unidade III (muito baixo e médio) Zonas Aquíferas do G Caraça (Fm Moeda) e aquitardo (Fm Batatal) Unidade IV (muito baixo e baixo) Zonas Aquitarda do G Nova Lima com zonas aquíferas intercaladas Unidade V (médio) Zonas Aquífera do G. Maquiné I km Unidade VI (baixo) Zonas Aquífera do Complexo Bação Figura Mapa das unidades hidroestratigráficas do Alto rio das Velhas (Modificado de Golder Associates 2001) 12

38 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Cabe ressaltar que, além das unidades aqüíferas a seguir detalhadas, outros estudos sugerem diferentes compartimentações das unidades hidroestratigráficas do QF. Mas, em geral, estas distinções correspondem a singularidades do local estudado ou simplesmente diferença nas nomenclaturas (e.g. Silva et al. 1994, Sobreira Neto et al. 2001, Amorim et al. 1999) Rochas ferríferas da Formação Cauê (Grupo Itabira) As hematitas e itabiritos da Formação Cauê representam o principal reservatório de água subterrânea do QF, apresentando, em geral, valores elevados de capacidade de armazenamento e condutividade hidráulica. Dado ainda sua ampla área de ocorrência e sua espessura saturada média (da ordem de 400m), esta unidade possui elevado potencial para água subterrânea (Silva et al. 1994, Coppedê Jr. & Boechat 2002, Sobreira Neto et al. 2001, Bertachini et al. 2004, Golder Associates 2001). Por coincidir, muitas vezes, com os depósitos econômicos de minério de ferro, detalhadamente caracterizado pelas mineradoras, atualmente é a unidade aqüífera mais bem conhecida do QF. Os valores de transmissividade e coeficiente de armazenamento são muito variáveis entre as minas, refletindo a própria anisotropia e heterogeneidade do minério, que se apresenta desde compacto (com porosidade de fraturas) a pulverulentos (meio granular), com predomínio do tipo intermediário. Estas variações são conseqüências da própria gênese do minério. Onde a lixiviação foi mais intensa, tem-se a porosidade intersticial melhor desenvolvida e, conseqüentemente, maiores valores de armazenamento (armazenamento específico em torno de 0,002 a 0,15). Onde predominam as hematitas e itabiritos compactos e fraturados tem-se baixa capacidade de armazenamento, mas elevada permeabilidade, chegando a valores de 10 m/dia (Bertachini 1994, Cruz 1995, Golder Associates 2001, Bertachini et al. 2004). Os itabiritos podem ainda comportar-se como barreiras impermeáveis quando são de fácies argilosa, compactos e não fraturados (Amorim et al. 1999). Silva et al. (1994) citam valores de transmissividade de 50m 2 /dia na Mina do Cauê (CVRD) a 1500m 2 /dia na mina da Mutuca (MBR), sendo que o alto valor neste último caso, segundo os autores, indica aqüífero do tipo fraturado. Para o coeficiente de armazenamento foram encontrados valores variando entre 0,15 a 1,7x10-6, refletindo, respectivamente, presença de aqüíferos livres e confinados nas diversas minas analisadas. (Bertachini 1994, Silva et al. 1994, Cruz 1995, Amorim et al. 1999, Golder Associates 2001) Quartzitos ferruginosos da Formação Cercadinho (Grupo Piracicaba) Apresentam boas condições de circulação e armazenamento de água subterrânea, sendo considerados de elevado potencial de explotação. Trata-se de um aqüífero do tipo granular e fissural, confinado por camadas de filito e metapelitos das unidades sobrejacentes. Ensaios em um poço nesta unidade (localizado no Parque das Mangabeiras em Belo Horizonte) revelaram valores de permeabilidade de 1m/dia e transmissividade em torno de 90m 2 /dia (Silva et al. 1994). 13

39 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos Dolomitos da Formação Gandarela (Grupo Itabira) Constitui um aqüífero do tipo cárstico fissural, apresentando-se heterogêneo e anisotrópico. Provavelmente possui baixo potencial de águas subterrâneas, dado o baixo grau de carstificação e a colmatação de condutos e fraturas por argilas. A vazão específica é baixa, girando em torno de 0,02m 3 /h/m, segundo medidas em poço em Belo Horizonte (Silva et al. 1994, Bertachini 1994, Rubio et al. 1997) Quartzitos da Formação Moeda (Grupo Caraça) Apresentam baixa permeabilidade assim como pequena capacidade de armazenamento. Sua permeabilidade primária é praticamente nula, mas comumente apresenta circulação de água devido às fraturas, sendo caracterizado como aqüífero do tipo fraturado. Tem pequeno potencial, mas os poços tubulares nele perfurados são produtores, provável reflexo da concentração de fraturas (Silva et al. 1994, Rubio et al. 1997). Os valores de transmissividade encontrados variam de 86 a 864m 2 /dia e o coeficiente de armazenamento de 0,10 a 0,002 (Silva et al. 1994) Sistema aqüífero cristalino Corresponde aos complexos metamórficos, que apesar das diferenças estruturais, constituem sistemas aqüíferos similares. Os poços possuem, em geral, produtividade baixa a muito baixa, sendo que a alta produtividade está normalmente relacionada ao sistema de fraturas ou à boa interconexão com fontes de recarga superficial. O Complexo Metamórfico Bação, foco desta pesquisa, é constituído pelo aqüífero fissural na rocha sã e alterada e pelo aqüífero poroso da porção saturada do regolito. Em analogia com regiões de geologia semelhante, tem-se que a porção subjacente, condicionada pelas fraturas, apresenta normalmente maiores valores de condutividade e coeficientes de armazenamento menores que a porção sotoposta, que constitui o aqüífero granular local (Deere & Patton 1971, IBRAM 2003) (vide item 3.7.2). O aqüífero fissural pode ser considerado como heterogêneo, anisotrópico, com espessura variável, mas geralmente com baixa produtividade. A profundidade das captações dos poços tubulares varia entre 80 e 100m, sendo a vazão específica da ordem de 0,300 m 3 /h/m (Golder Associates 2001). Para a região de Cachoeira do Campo, Cruz (1995) encontrou grande variação na vazão específica, de 0,0252 a 0,648 m 3 /h/m, variação freqüente em aqüíferos fraturados. Os poços tubulares profundos nos aqüíferos fraturados nesta unidade (CMB) apresentam vazões inferiores a 4 m 3 /h, o que, segundo Golder Associates (2001), o caracteriza como baixo potencial hídrico. Silva et al. (1994) citam valores de transmissividade de 25m 2 /dia. Para esta mesma região, Fernandes (1990) encontrou dois padrões de fraturas: N30-40E e N40-50W. Dados de vazão de poços perfurados ao longo do segundo padrão, indicariam que estas fraturas seriam melhores condutoras de água subterrânea. 14

40 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p Sistema aqüífero superficial Formado pelo regolito, constituem os aqüíferos superficiais do QF, de caráter granular livre e permeabilidade e armazenamento variáveis (ver item 3.7.2). Este sistema tem grande importância ao promover a conexão entre a superfície e os aqüíferos profundos subjacentes, facilitando sua recarga (Bacellar 2000, Sobreiro Neto et al. 2001, Golder Associates 2001, IBRAM 2003). São fortemente influenciados pelas condições climáticas e, conseqüentemente, possuem pronunciada variação sazonal de vazões, diferentemente dos aqüíferos supracitados (Rubio et al. 1997, Amorim et al. 1999). Nas unidades supracrustais (SgRV e SgM), em geral formada por rochas menos intemperizáveis, este sistema aqüífero é normalmente menos desenvolvido. Nos terrenos granito-gnáissicos do QF, o clima úmido no passado geológico recente possibilitou a formação de espesso regolito, que constitui o aqüífero granular superficial local. Este, muitas vezes, funciona como aquitarde dos aqüíferos fraturados subjacentes (Sobreiro Neto et al. 2001, IBRAM 2003), uma vez que tem alta capacidade de armazenamento mas menor capacidade de transmitir a água que a rocha alterada (Deere & Patton 1971, IBRAM 2003) (vide item 3.7.2). Pesquisas desenvolvidas em terrenos similares (cristalinos) na África constataram que a espessura do regolito é o principal fator na produção de poços tubulares profundos (Chilton & Foster 1995), evidenciando quão importante pode ser este sistema na produção de água de uma bacia. Similarmente, em região de embasamento na zona da mata mineira, Gonçalves (2001) justificou altos valores no armazenamento, não condizentes com sistema fissurado, pela presença de regolito espesso IMPACTOS SOBRE OS RECURSOS HÍDRICOS NO QF A utilização da água subterrânea no QF (região do Alto rio das Velhas) data do período colonial, com as captações d água para abastecimento de vilas e para os processos de lavagem do ouro. Nos últimos anos, a demanda se intensificou frente à crescente urbanização, ao desenvolvimento industrial e à concentração de atividade minerárias. Porém, a intensa utilização e ocupação do solo têm levado ao comprometimento crescente da disponibilidade da água. O desmatamento, a compactação do solo (em trilhas, estradas etc) e conseqüente impermeabilização tem levado ao aumento do escoamento superficial em detrimento da infiltração. Têm-se desencadeado processos erosivos, tanto na forma laminar como voçorocas de grandes dimensões, as quais liberam significativas quantidades de sedimentos que assoreiam drenagem, além da própria perda de parte do aqüífero superficial. Cita-se ainda drenagem de várzea e outras atividades as quais reconhecidamente causam impactos aos 15

41 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos.... recursos hídricos. Por tais razões, a preocupação em relação à quantidade e qualidade dos recursos hídricos tornou-se eminente. Outra questão a ser considerada é que parte das unidades de alto potencial hidrogeológico coincide com os depósitos minerais de interesse econômico, em particular as jazidas de ferro, que são as mais expressivas na região do QF (e.g. Rubio et al. 1997, Coppedê Jr. & Boechat 2002). Neste contexto, surge então o questionamento em relação aos impactos que as atividades minerárias poderiam causar sobre o sistema hídrico. A partir da década de 80, as cavas das principais minas de ferro do QF atingiram o lençol freático (Silva et al. 1994) e, para permitir a continuidade das atividades de lavra, procedeu-se o rebaixamento do nível d água a partir do bombeamento de poços tubulares profundos. Com o desaguamento das minas, forma-se um cone de rebaixamento e as fontes de água por ele atingidas terão suas vazões diminuídas (Bertachini 1994, Moraes 2002). Algumas destas fontes, com a finalização do bombeamento, terão suas vazões recuperadas, embora possa levar anos e não alcançar seu volume inicial (Bertachini et al. 2004, Sobreiro Neto et al. 2001). 16

42 CAPÍTULO 3 FLUXOS HÍDRICOS E VARIÁVEIS DO REGIME HIDROLÓGICO O regime hidrológico de um rio é reflexo da interação de processos naturais complexos atuantes em superfície e subsuperfície (Custodio & Llamas 1976, Smakhtin 2001), estando ainda sujeito a variações em conseqüência das atividades antrópicas (Lima 1986, Luk et al. 1997, Costa & Bacellar 2003, Costa & Bacellar 2005). Cada bacia de drenagem pode ser dominada por um processo particular, conforme o clima prevalecente e suas características físicas, em especial a geologia (Moldan & Cerný 1994). Previamente às discussões a respeito dos fluxos hídricos e das variáveis que interferem no regime hidrológico, serão feitas algumas considerações a respeito da escala e sua possível influência na resposta hidrológica CONCEITO DE MICROBACIA A classificação de uma bacia a partir de seu tamanho é questionável. Não existe um enquadramento baseado em dimensões pré-estabelecidas, embora alguns autores definam como microbacias aquelas cuja área não ultrapassam 5km 2 (Moldan & Cerný 1994). Muitas vezes, o conceito de bacia grande e pequena é fundamentado nos fatores dominantes na produção do deflúvio, existindo na literatura várias tentativas de definição. Em geral, considera-se microbacias aquelas que respondem mais sensivelmente à intensidade da chuva e ao uso e ocupação do solo; e as bacias maiores aquelas em que estes dois fatores perdem importância frente às características da rede de drenagem, como, por exemplo, a capacidade de armazenamento ao longo dos canais (e.g. Lima & Zakia 2000). Neste trabalho considera-se microbacias aquelas constituídas preferencialmente por drenagens de 1 a e 2 a ordem (classificação de Strahler), com áreas de até aproximadamente 1km 2 e relativamente homogêneas. Atualmente, microbacias experimentais têm sido amplamente utilizadas em estudos hidrológicos/hidrogeológicos em vários países. Estas, quando instrumentadas, constituem verdadeiros laboratórios naturais (e.g. Moldan & Cerný 1994). Na tabela 3.1 apresenta-se uma breve comparação das diferenças apresentadas entre as duas escalas de bacias em estudos hidrológicos/hidrogeológicos.

43 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Tabela 3.1 Comparação entre bacias de drenagem em diferentes escalas considerando aspectos do comportamento do fluxo Microbacia Bacias maiores Vazão no exutório Controle das condições na área da bacia Homogeneidade das características Tempo de concentração Fluxos A vazão no exutório é representativa da vazão a montante Tem-se amplo controle sobre as condições encontradas à montante, como barragens, retiradas d água e outras que podem interferir na vazão Consegue-se com maior facilidade definir microbacias homogêneas. Baixo Em geral, não apresenta fluxos regionais mais profundos. A vazão no exutório pode não ser representativa das condições à montante (Langbein 1938, Snyder 1939) por receber água de várias partes e os fatores que causam variações nunca afetam por igual toda a bacia (Custodio & Llamas 1976) Quanto maior a bacia, mais difícil é controlar a presença de estruturas que podem interferir no volume do fluxo Com a amplitude areal, aumentam-se as possibilidades de variações nas características físicas. Alto Há maiores possibilidades de se detectar fluxos hídricos profundos Hidrogeoquímica Concentração iônica tende a ser baixa, uma vez que os fluxos tentem a ser mais rasos Apresenta maiores concentrações iônicas, considerando que fluxos profundos apresentam maior tempo de residência O chamado efeito escala ocorre quando a dimensão pode influenciar na resposta hidrológica. Alguns parâmetros obtidos em escala de detalhe podem não refletir todas as características do fenômeno hidrogeológico envolvido em escala regional. Por exemplo, grandes falhas geológicas podem gerar efeitos distintos quando se trabalha em escala menor. O tempo de concentração de eventos chuvosos também é altamente dependente da escala e da forma da bacia. Assim, quando se almeja estimar o potencial hidrológico em bacias não monitoradas e/ou comparar bacias de drenagem, deve-se buscar trabalhar com índices adimensionais (Zecharias & Brutsaert 1988, Lacey & Grayson 1998) RELAÇÕES ENTRE ÁGUA SUBTERRÂNEA E SUPERFICIAL Em experimento realizado por Todd, um maciço poroso teve um dos seus lados posto em contato com um recipiente onde o nível d água era variável. Quando se aumentava o nível d água, parte se infiltrava no maciço provocando a recarga deste. Ao diminuir o fornecimento de água, parte da água armazenada era liberada novamente para o recipiente (Castany 1971). 18

44 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Esta simulação representa os processos de recarga e descarga do manto aluvial durante um evento de chuva e expressa a interatividade entre os meios aquosos superficiais e subterrâneos. Em especial nos casos de aqüífero não confinado, como ocorre na região estudada, estes dois meios estão em interação dinâmica tanto em questões quantitativas quanto qualitativas. De fato, como definido por Winter et al. (1998), a água superficial e subterrânea são simplesmente duas manifestações de um só recurso integrado. Dada esta conexão entre o meio aquoso superficial e subterrâneo, é possível inferir índices e definir as características de um aqüífero através de parâmetros hidrológicos (Trainer & Watkins Jr. 1974, USAE 1999, Dewandel et al. 2003) ANÁLISE DE HIDROGRAMAS Hidrograma (hidrógrafa ou fluviograma) é o gráfico da variação da vazão em função do tempo (Q = f (t)), podendo a escala do tempo variar consideravelmente, representando, por exemplo, algumas horas ou vários anos. Quando construído com médias mensais em um ano hidrológico é denominado hidrograma anual. Os hidrogramas podem ser divididos em três segmentos básicos (Figura 3.1). De fato, com um evento chuvoso, a vazão tende a aumentar progressivamente em decorrência da geração do escoamento superficial, definindo a curva de concentração (ou curva de acumulação) do hidrograma, a partir do ponto A. A vazão máxima caracteriza o pico de cheia do hidrograma (ponto C), a partir da qual o fluxo diminui com o término do período chuvoso, definindo então a curva de decaimento (ou curva de depleção). Quando o escoamento superficial se encerra e todo o escoamento é teoricamente proveniente dos aqüíferos (ponto B), a curva, que continua decrescendo porém mais sutilmente, recebe o nome de curva de esgotamento ou curva de recessão (curva de depleção do escoamento de base). Neste estágio, o fluxo é chamado de fluxo de base (Custodio & Llamas 1976). O ponto B (início da recessão) é mais alto que o ponto de recessão antes da crescida (ponto A) porque parte da precipitação se infiltrou causando a recarga do aqüífero. Porém, as recessões antes e depois apresentam, teoricamente, inclinações iguais em gráficos semi-logarítimicos. A forma da curva de concentração depende das condições da precipitação e de características da bacia. Já a curva de decaimento, que representa o fluxo de água após o término da precipitação, terá sua forma em função principalmente das características físicas da bacia (Castany 1971, Mello et al. 1994). 19

45 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Q C Curva de concentração Curva de decaimento B Curva de recessão A tempo Figura Hidrograma tipo com os três segmentos básicos (Modificada de Custodio & Llamas 1976). A vazão é uma função das características da precipitação e suas interações com os atributos físicos e bióticos do meio. Assim, cada bacia apresentará um hidrograma de formato singular conforme suas peculiaridades, mesmo para idênticos eventos de chuva. Como descrito por Custodio & Llamas (1976), hidrograma é uma expressão das características físicas e climáticas que governam as relações entre precipitação e o escoamento em uma bacia. É importante observar que tal afirmativa vale apenas para fluxos não regularizados, pois nestes casos o hidrograma não será reflexo das condições naturais da bacia (Castany 1971). A análise de hidrogramas possibilita interpretar várias singularidades da bacia. Entre os índices que podem ser definidos e que tem potencial interesse para hidrogeologia e que serão discutidos posteriormente tem-se: coeficiente de recessão, volume do fluxo de base e BFI (índice do fluxo de base) COMPONENTES PRINCIPAIS DO FLUXO O fluxo em um canal é constituído de três componentes principais com características distintas e passíveis de individualização em operação de separação de hidrogramas: fluxo superficial, fluxo subsuperficial e fluxo de base (Castany 1971, Fetter 1988, Moldan & Cerný 1994). Ressalta-se que, em bacias formando um sistema isolado, sem aporte e saídas de água para bacias vizinhas, a vazão medida no exutório da bacia é resultado do balanço de todos os fluxos ocorrentes em seu interior. 20

46 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p Fluxo Superficial O fluxo superficial (escoamento superficial direto ou runoff) representa a água que cai diretamente nos canais e a que escoa superficialmente. Este componente do fluxo é importante em especial durante e logo após os picos de chuva quando causa o aumento rápido da vazão, caracterizando os picos de cheia nos hidrogramas. Os mecanismos e caminhos pelos quais o fluxo é gerado a partir da chuva têm sido alvo de vários estudos. Para que ocorra o fluxo superficial, o volume precipitado deve exceder o volume de água retido nas depressões superficiais e interceptado pela vegetação e outros obstáculos e ainda superar a capacidade de infiltração do solo. Após suprir estas demandas iniciais, a água pode fluir como uma fina lâmina sobre a superfície do terreno, sendo este tipo de fluxo conhecido como Fluxo Superficial Hortoniano (FSH) (Figura 3.2). Porém, mecanismos de geração deste tipo de fluxo não são tão freqüentes na natureza, ocorrendo preferencialmente em superfícies pouco permeáveis (como afloramento rochosos), em vertentes com solos pouco espessos e pouco vegetados ou ainda em regiões áridas, especialmente após chuvas de grande intensidade. Em bacias muito degradadas, onde o solo se encontra compactado e encrostado, o FSH também pode ser expressivo (Castany 1971, Chorley 1980, Dunne 1980, Fetter 1988, Lima & Zakia 2000). Atualmente, sabe-se que grande parte do fluxo superficial em bacias não degradadas provém do Fluxo Superficial de Saturação FSSa (saturation overland flow), que ocorre preferencialmente nos segmentos topograficamente mais baixos da paisagem. Nestes locais, como o lençol freático normalmente é mais raso, o solo se satura rapidamente com a elevação do lençol até a superfície, impedindo a infiltração. O fluxo superficial por saturação é a soma das águas que então se exfiltram (fluxo de retorno) mais a precipitação que cai nesta área saturada (Figura 3.2). As áreas potenciais para formação deste fluxo compreendem, no início da chuva, as margens de rios, várzeas, exutórios, áreas de solo raso e fundo de vales. Com o prosseguimento da chuva, estas áreas de contribuição se expandem, atingindo inclusive áreas de cabeceiras, e posteriormente se retraem com o fim da chuva. As expansões e contrações se dão conforme a duração e intensidade da chuva e as condições antecedentes de umidade no solo, sofrendo assim variação sazonal. Este fenômeno é conhecido como área de contribuição variável de fluxo superficial, dinâmica no espaço e no tempo (Hewlett & Hibbert 1967 in Moldan e Cerný 1994, Chorley 1980, Dunne 1980, Lima & Zakia 2000). Portanto, o fluxo superficial em bacia de clima úmido é uma composição do fluxo hortoniano e fluxo superficial de saturação, podendo haver contribuições ainda dos fluxos subsuperficiais mais rápidos. 21

47 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Tradicionalmente, considera-se que a água nova seja a fonte dominante do runoff. Modelos mais recentes, utilizando-se da tecnologia dos traçadores, mostraram que a água velha é a que domina a vazão imediatamente após o início das chuvas. Assim, o mecanismo de pistão, onde a água nova da chuva empurra a água velha em direção ao canal, tem se mostrado correto (Moldan e Cerný 1994). O escoamento superficial é função principalmente do tipo de precipitação (intensidade, duração) e de características da bacia tais como: área, forma, relevo, permeabilidade e capacidade de infiltração do solo, além da umidade antecedente do solo e de fatores antrópicos Fluxo Subsuperficial O fluxo subsuperficial ou hipodérmico (interflow ou throughflow) corresponde ao fluxo que ocorre apenas nas camadas mais superficiais do solo, se restringindo à zona não saturada. Uma condição para a geração deste tipo de fluxo é a existência de uma zona não saturada homogeneamente permeável, onde a água percola verticalmente até encontrar uma camada subjacente menos permeável, passando então a escoar lateralmente em direção ao canal (Figura 3.2). Este fluxo pode exfiltrar na baixa encosta antes de chegar no rio (fluxo de retorno) que, somado à precipitação sobre a área exfiltrante, constituirá o fluxo superficial de saturação. O fluxo hipodérmico pode representar até 80% da vazão total de uma bacia de vertentes suaves com solos cultivados ou florestados contendo espessa camada de húmus (Castany 1971, Dunne 1980, Fetter 1988) Fluxo de Base O fluxo de base ou escoamento de base (baseflow) corresponde à descarga de água subterrânea para o rio, ou seja, é a componente subterrânea do escoamento total. Hall em 1968 definiu fluxo de base como a porção do fluxo que vem da água subterrânea ou outras fontes atrasadas (Lacey & Grayson 1998) e, portanto, engloba tanto a água proveniente dos aqüíferos profundos, como também os fluxos subsuperficiais mais lentos (Figura 3.2). Em épocas de chuva, o fluxo de base desempenha papel secundário em relação ao escoamento superficial. Porém, vai se tornando predominante à medida que se procede a diminuição da vazão até se tornar a única fonte que alimenta o rio em períodos de estiagem. Em áreas úmidas, mesmo durante períodos de chuva, o fluxo de base constitui um importante e, às vezes, dominante componente da vazão (Castany 1971, Zecharias & Brutsaert 1988). 22

48 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. A água subterrânea liberada como fluxo de base é meteórica em quase totalidade dos casos, ou seja, corresponde à água de chuva infiltrada. A medida que ocorre infiltração, o lençol freático ascende e como conseqüência, nas proximidades do rio, mais água subterrânea é liberada. O volume do fluxo de base é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico em direção ao rio (Fetter 1988) e ocorre quando a superfície potenciométrica (ou nível do lençol freático) encontra-se acima do nível do canal (USAE 1999), situação que caracteriza o rio como efluente. Ao contrário, quando a carga hidráulica do aqüífero é menor, têm-se rios influentes. 1 PRINCIPAIS ROTAS DE FLUXO DA ÁGUA EM ENCOSTAS Lençol Freático = Fluxo Superficial Hortoniano 2 = Fluxo Superficial por Saturação 4 3 = Fluxo Subsuperficial 4 = Fluxo de Base Figura Rotas de fluxo em encostas (Modificado de Dunne (1980) e Chorley (1980)) ANÁLISE DO FLUXO DE BASE A análise do fluxo de base pode ser extremamente útil na avaliação das reservas dos aqüíferos, capacidade de armazenamento, estudo do regime de rios e gerenciamento de bacias hidrográficas uma vez que representa a contribuição do aqüífero para o fluxo superficial, ou seja, a interação entre estes dois meios Recessão do fluxo de base A recessão do fluxo de base refere-se à depleção da água subterrânea na ausência de recarga. Corresponde à parte do hidrograma em que a vazão vem do escoamento básico. Indica a que taxas as reservas de água subterrânea estão sendo liberadas para o rio e, assim, fornece informações a respeito das condições do aqüífero (Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Fetter 1988, USAE 1999, Smakhtin 2001). 23

49 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Tomando-se por princípio que há uma relação linear entre a taxa de fluxo e a carga hidráulica, a recessão obedecerá a uma equação exponencial, como a equação inicialmente proposta por Boussinesq em 1877 (1). Trata-se de uma solução analítica aproximada onde foram assumidas várias simplificações, entre elas: aqüífero poroso, não confinado, homogêneo e isotrópico com limite inferior côncavo com uma profundidade b (Figura 3.3). Esta equação foi tratada por Maillet em 1905 por meio de um modelo análogo mais simples e assim se tornou conhecida como Fórmula de Maillet. Porém, sabe-se que a recessão muitas vezes decresce seguindo uma equação quadrática, devido a não linearidade da taxa de fluxo subterrâneo com a carga hidráulica, sobretudo nos estágios iniciais de recessão (Dewandel et al. 2003). Contudo, a equação exponencial de Maillet (1) tem sido mais utilizada por ajustar relativamente bem às recessões e por sua maior simplicidade quanto ao tratamento matemático, mesmo fornecendo melhores resultados para os períodos finais de recessão (Custodio & Llama 1976, Nathan & McMahon 1990, Mwakalila et al. 2002, Dewandel et al. 2003). Q t αt = Qoe (1) Onde: Q t (m 3 /s) = vazão no tempo t Q o (m 3 /s) = vazão no início da recessão α = coeficiente de recessão (ou coeficiente de esgotamento) t = tempo (dias) desde o início da recessão e = base do logaritmo neperiano = 2,71828 L h (x,t) K S b Q (t) Legenda Q (t) = vazão no tempo t K = condutividade hidráulica S = coeficiente de armazenamento L = largura do aquífero b = profundidade do aquífero h (x,t) = carga hidráulica Camada impermeável Figura 3.3 = Modelo conceitual proposto por Boussinesq em 1877 para descrever taxas de fluxo de aqüíferos (Modificado de Dewandel et al. 2003) Por meio de modelos que simulam aqüíferos naturais, Dewandel et al. (2003) demonstraram que a fórmula de Maillet (1) pode subestimar o volume do aqüífero; mas em alguns casos, inclusive mais realistas, o comportamento dos aqüíferos obedece bem a esta equação. 24

50 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. O coeficiente de recessão (α) é expressado em dias -1 e corresponde à inclinação da curva de recessão em gráfico semilogarítmico (figura 3.4). É um índice característico para cada bacia de drenagem, sendo função principalmente da geologia, tipo de solo e geomorfologia (Castany 1971, USAE 1999). A sua determinação é feita numericamente e, com maior precisão, usando-se a fórmula abaixo, obtida a partir da equação (1) em forma logarítmica: log = log Q0 αt log e (2) Q t logq 0 logqt α = (3) 0,4343t Legenda C A Início da curva de concentração Q ( m 3 /s) - escala logarítmica C Pico de cheia Qo Qt A E Recessão do aquífero Coeficiente de recessão B log e Tempo (dias) E B Ponto de inflexão Fim do escoamento superficial (escoamento é mantido teoricamente apenas pelo fluxo de base) Figura 3.4 Determinação do coeficiente de recessão pelo método de Barnes (Modificado de Custodio & Llamas 1976) Em muitos trabalhos (e.g. Anderson & Burt 1980), dá-se o nome de coeficiente de recessão (ou fator de depleção) a variável adimensional simbolizada pela letra k, que corresponde a e -α. Desta forma, a equação (1) assume a seguinte forma comumente encontrada na literatura: t Qt = Q0 K (4) Separação do fluxo de base em hidrogramas A quantificação da contribuição desta componente de fluxo para a vazão total pode ser feita a partir de diversas técnicas de separação de hidrogramas, discutidas a seguir. 25

51 log Q Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Entre as várias técnicas existentes, quase todas consideram apenas dois componentes do fluxo: fluxo superficial e fluxo de base. Essa simplificação decorre do fato de ser praticamente impossível determinar com precisão todas as rotas de fluxo numa bacia, já que os fluxos subsuperficiais mais rápidos e mais lentos ocorrem muitas vezes simultaneamente e podem ser agrupados na separação de hidrogramas ao fluxo superficial e de base, respectivamente. Portanto, são técnicas arbitrárias (e.g. Smakhtin 2001), porém adequadas pela rapidez e boa reprodutibilidade dos resultados. Outra dificuldade é estabelecer em hidrogramas o ponto a partir do qual não se tem mais fluxo superficial (ponto B da figura 3.5). As técnicas de separação de hidrogramas podem ser agrupadas em dois tipos: aquelas que consideram que o fluxo de base responde a um evento de chuva simultaneamente com o escoamento superficial (Figura 3.5 caso 1) e aquelas que consideram o efeito atrasado do armazenamento nas margens do canal (bank storage) (Figura 3.5 caso 2). No segundo caso, enquanto o escoamento superficial provoca o aumento da vazão, o fornecimento de água do aqüífero para o rio decai ou pode até mesmo ter o sentido revertido e receber água da drenagem (tornar-se temporariamente influente). Assim, somente após o pico de vazão, o fluxo de base volta a crescer (Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Smakhtin 2001). Este tipo representaria mais fielmente bacias hidrográficas grandes, com amplas planícies de inundação, motivo pelo qual não serão empregadas neste estudo. C N Fluxo superficial Caso 1 B A Fluxo de base Caso 2 tempo Figura 3.5 Técnicas de separação de hidrogramas (Modificada de Custodio & Llamas 1976). Algumas técnicas de separação de hidrogramas são muito simples e podem ser feitas manualmente. Pode-se separar o fluxo de base traçando-se uma reta entre os pontos A (início da subida do hidrograma) e B (origem da curva de esgotamento) (Figura 3.5 caso 1). Há ainda o método em que o tempo em dias (N) desde o pico do hidrograma até o fim da contribuição superficial (ponto B) é estimado pela fórmula N = 0,827*área 0,2 (sendo a área em km 2 ) (Figura 3.5) (Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Fetter 1988). 26

52 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. O método dos gráficos semilogaritmos ou método de Barnes é freqüentemente utilizado, sendo considerado o que fornece resultados mais próximos da realidade (Custodio & Llamas 1976, Nathan & McMahon 1990). Baseia-se na linearidade da recessão quando esta é analisada com as vazões em escala logarítmica. De fato, a equação (2) é a equação de uma reta (y = ax + b). Quando se plota o hidrograma em papel semilogaritmo, com tempo (em dias) em escala aritmética na abscissa e o logaritmo da vazão em (m 3 /s) na ordenada, a recessão do fluxo de base será representada por uma reta cuja inclinação é α log e (Figura 3.4). Posteriormente, prolonga-se esta reta em direção ao eixo das ordenadas até a vertical que passa pelo ponto de inflexão E definindo o ponto F, que é então unido ao ponto A (ponto de subida do hidrograma). A porção subjacente a esta linha definida corresponde ao volume do fluxo de base (Figura 3.6). Neste método, o ponto B é obtido com maior precisão. Repetindo-se este procedimento após a subtração do fluxo de base é teoricamente possível separar também o fluxo subsuperficial do superficial (Custodio e Llamas 1976). C Fluxo Superficial F E B Q ( /s) - escala logarítmica m 3 A Fluxo de Base log e Tempo (dias) Figura 3.6 Método gráfico de Barnes de separação das componentes do fluxo (Modificado de Custodio & Llamas 1976) Estas técnicas manuais são subjetivas, já que os mesmos dados tratados por diferentes analistas podem produzir diferentes valores de fluxo de base. Neste caso, pode-se recorrer a técnicas automatizadas de separação, com uso de filtros digitais, que são recomendáveis no tratamento de séries históricas, já que permitem tratar grande quantidade de dados com relativa facilidade e maior objetividade (Wahl & Wahl 1995). Porém, como nas técnicas manuais, nem sempre apresentam resultados fisicamente confiáveis (Nathan & McMahon 1990). 27

53 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Dentre as técnicas automatizadas, tem-se a smoothed minima, amplamente utilizada, inclusive no programa Hysep do USGS. Neste, é identificado o menor valor de vazão a cada 5 dias consecutivos. Cada valor mínimo é comparado com seus vizinhos mais próximos. Se 90% de uma dada vazão mínima é menor que a vazão corresponde aos mínimos anterior e posterior, este é um turning point. Turning points são pontos de inflexão que definem a separação entre o fluxo superficial e fluxo de base. Eles são posteriormente ligados através de retas, definindo assim a porção correspondente à contribuição do aqüífero para o rio (Nathan & McMahon 1990, Wahl & Wahl 1995). Por meio destas técnicas de separação é possível determinar dois índices: o índice do fluxo de base (BFI) e o fluxo de base específico (FBE). O índice do fluxo de base (baseflow index BFI) indica a proporção do fluxo total derivada do fluxo de base (Institute of Hidrology 1980 in Lacey & Grayson 1998), ou seja: BFI = volume do fluxo de base volume do fluxo total Trata-se de um índice adimensional, considerado um bom indicador dos efeitos da geologia. Tem um valor próximo de 1 para bacias com alta contribuição de água subterrânea chegando a 0 para rios efêmeros (Smakhtin 2001). O fluxo de base específico (FBE) nada mais é que o volume do fluxo de base num ano hidrológico por área da bacia Determinação do coeficiente de recessão (α) A determinação do coeficiente de recessão pode ser feita graficamente, seguindo os princípios do método de Barnes a partir da inclinação da curva de recessão ou, mais precisamente, através da equação 3 (Figura 3.4) (Custodio & Llamas 1976). Em geral, essa técnica é aplicada à séries históricas de vazão, o que possibilita definir a recessão média para a bacia em hidrogramas anuais. 28

54 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Em regiões de clima úmido, as chuvas freqüentemente interrompem a recessão e o resultado são vários segmentos curtos de recessão. Estes podem ser tratados por meio de curvas de recessão mestra (CRM) definida pelo envelopamento de várias pequenas curvas de recessão individuais, representando assim uma curva típica. Adicionalmente, tem-se que cada recessão, embora seja uma função do aqüífero, apresentará variações conforme a condição momentânea do meio. Por exemplo, quando o nível do lençol freático está elevado, a curva de recessão representada no hidrograma tende a ser mais alta, não representando uma verdadeira recessão. Quando estas influências do meio se esgotam, todas os segmentos de recessão tenderão para uma única curva: a curva de recessão mestra, que teoricamente reflete as propriedades do aqüífero. Além de permitir a filtragem das interferências do meio, a CRM permite a determinação do coeficiente de recessão para períodos pequenos de monitoramento, embora, quanto mais dados existam, mais consistentes serão os resultados (Mello et al. 1994, Tallaksen 1995). A curva de recessão mestra pode ser determinada por vários métodos, sendo os mais difundidos (e utilizados neste trabalho) o da correlação (Langbein 1938, Knisel Jr. 1963, Nathan & McMahon 1990, Tallaksen 1995, Smakhtin 2001, Mello et al. 1994) e o matching strip (Snyder 1939, Nathan & McMahon 1990, Mello et al. 1994, Tallaksen 1995) Método Correlação (Correlation method) Langbein (1938) propôs o método da correlação na tentativa de obter a curva de recessão sem influência de escoamento superficial. A partir de seqüências de vazão decrescente (períodos de recessão aparente), a descarga de um dia (Q n ) é plotada contra a descarga de um intervalo arbitrário de t dias antes (Q n-t ), conhecido como intervalo de atraso, em escala normal. Estas recessões individuais geralmente constituem curvas que progressivamente tornam-se mais íngremes à medida que a vazão diminui, com tendência a uma recessão comum: a curva de recessão mestra, que é então desenhada a partir do envelopamento das curvas de inúmeras pequenas recessões (Nathan & McMahon 1990, Tallaksen 1995, Smakhtin 2001). Vários outros trabalhos, em especial em âmbito internacional, foram desenvolvidos a partir deste método, com modificações e aprimoramentos (Nathan & McMahon 1990, Smakhtin 2001). Quando a vazão de um dia (Q n ) é plotada na ordenada e a de t dias antes (Q n-t ) na abscissa, a própria inclinação da curva de recessão mestra (Q n /Q n-t ) elevada ao inverso do tempo de atraso (t) fornece a constante K (Figura 3.7). De fato, substituindo na equação (4) Q t e Q o por Q n e Q n-t respectivamente, tem-se: Q K = Q t 0 1 t Q = Q n n t 1 t (5) 29

55 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Sendo K = e α, determina-se o coeficiente de recessão pela expressão: log K α = (6) 0,4343 Para homogeneizar os resultados, Nathan & McMahon (1990) sugerem que K seja medida a 2/3 da vazão diária. O intervalo de atraso t normalmente adotado varia de 1 a 5 dias (Smakhtin 2001), sendo recomendável o maior valor possível (Nathan & McMahon 1990). Contudo, valores elevados de t, dificultam a seleção de várias seqüências de vazão em estágio de recessão, razão pela qual emprega-se freqüentemente t = 2. Curva de recessão mestra (CRM) Qn Pequenas recessões que tendem à CRM Qn-t Figura 3.7 Típica curva de recessão mestra (CRM) obtida pelo método Correlação (Modificado de Nathan & McMahon 1990) Método Matching Strip Admitindo que nenhuma curva de recessão individual cobre por completo as variações da descarga subterrânea, Snyder (1939) propôs a combinação de várias de curvas de recessão de diferentes eventos definindo uma curva típica: a curva de recessão mestra (CRM). O coeficiente de recessão calculado a partir desta curva principal seria mais próximo da realidade. O método Matching Strip (ou método das Tiras de Papel, segundo Mello et al. 1994) consiste em destacar, em um gráfico de logq x t, todas as curvas de recessão existentes. Estas são então ajustadas uma a uma, movimentando-se horizontalmente cada pequena recessão de forma que todas se ajustem em uma única curva de tendência, que será a CRM (Figura 3.8) (Tallaksen 1995). O coeficiente de recessão dado pela inclinação da CRM é então determinado pela equação de Barnes. 30

56 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Curvas de recessão individuais que tendem à CRM Log Q ( /s) m 3 Curva de recessão mestra (CRM) Tempo t (dias) Figura 3.8 Típica curva de recessão mestra (CRM) obtida pelo método Matching Strip (Modificado de Nathan & McMahon 1990) DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS Os parâmetros hidrodinâmicos dos aqüíferos podem ser obtidos diretamente a partir de ensaios em poços ou, de forma indireta, utilizando-se dados hidrológicos e/ou hidroquímicos. Os métodos indiretos baseiam-se na interconexão entre aqüíferos e drenagens superficiais e, a partir de informações sobre o comportamento do fluxo de base, inferem-se índices que caracterizam as condições do meio hídrico subterrâneo (tais como coeficiente de recessão e BFI), podendo-se inclusive estimar parâmetros hidrodinâmicos, como transmissividade e armazenamento (Custodio & Llamas 1976, Feitosa & Manoel Filho 1997, USAE 1999, Dewandel et al. 2003). Os métodos indiretos de caracterização hidrogeológica podem ser aplicados às bacias hidrográficas estruturadas sobre aqüífero não confinado e que mantém conexão hidráulica com o rio. Neste caso, o decaimento da taxa de fluxo do aqüífero pode ser modelado como uma função das características do aqüífero baseado nas equações teóricas do fluxo subterrâneo. Várias simplificações são assumidas e as equações, em geral, são restritas a aqüíferos homogêneos uniformes e isotrópicos, (Rorabaugh 1960 in Trainer & Watkins Jr. 1974). Aplicações em bacias heterogêneas e em escala regional são mais questionáveis (Castany 1971, Trainer & Watkins Jr. 1974, Custodio & Llamas 1976, Feitosa & Manoel Filho 1997, USAE 1999, Dewandel et al. 2003). 31

57 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... A integração da curva de recessão (1) corresponde ao volume total armazenado no aqüífero no instante t o, na ausência de recarga ou perdas. Este volume representa a reserva renovável ou reserva reguladora do aqüífero a montante do ponto de medida de vazão (Knisel Jr. 1963, Hall 1968 in Moldan & Cerný 1994, Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Cruz 1995, Smakhtin 2001). (t = [s] e Q [m 3 /s]). Assim, tem-se: V = Qt dt to V α = Q e t 0 dt to Q V = 0 α Como α normalmente é expresso em dias -1 e Q em m 3 /s, é necessária a seguinte correção: Q *86400 V = 0 (7) α A determinação da reserva reguladora é fundamental nas políticas de gerenciamento dos recursos hídricos, uma vez que indica o volume que pode ser explotado do aqüífero sem afetar o balanço hídrico do sistema, ou seja, sem comprometer sua sustentabilidade. De acordo com Rebouças et al. (1994), a disponibilidade explotável pode ser estimada em 25 a 50% do volume das reservas renováveis. Além do volume de armazenamento, a difusividade (T/S) e, por conseguinte, os índices transmissividade (T) e coeficiente de armazenamento (S) também podem ser teoricamente estimados a partir do coeficiente de recessão (α) seguindo os fundamentos de Rorabaugh. Assumindo um comportamento linear para a recessão, como expresso pela equação exponencial de Maillet (1), α será função de (Trainer & Watkins Jr. 1974, Custodio & Llamas 1976, USAE 1999, Dewandel et al. 2003): 2 π kb α = (8) 2 4S L y onde : k = condutividade hidráulica Sy = porosidade efetiva (aqüíferos livres) ou coeficiente de armazenamento (aqüíferos confinados ou semi-confinados) b = espessura saturada L = distância da drenagem ao divisor topográfico 32

58 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Ou seja, segundo Rorabaugh (1960, 1964 in Trainer & Watkins Jr. 1974), a inclinação da curva de recessão, após da estabilização do nível d água subseqüente a uma recarga, é proporcional a difusividade (T/S). Assim, a partir do conhecimento do coeficiente de recessão e das dimensões do aqüífero (espessura e largura), pode-se calcular a transmissividade se o coeficiente de armazenamento for conhecido. Como T é uma propriedade que varia muito mais do que S, é prática rotineira assumir um valor para este parâmetro (valor tabelado) e calcular a transmissividade. Segundo Trainer & Watkins Jr. (1974), o valor da transmissividade assim estimado se aproxima mais dos valores obtidos por meio de testes de bombeamento para aqüíferos mais homogêneos com perfis de intemperismo pouco espessos. Salientam ainda que, normalmente, os testes de bombeamento são feitos apenas em poços produtivos, ou seja, onde se têm rochas mais permeáveis, o que leva a valores superestimados da transmissividade média do aqüífero. Por tais razões, os dados hidrogeológicos obtidos a partir da análise da recessão são muito promissores, uma vez que representam a descarga do aqüífero para o rio em toda a bacia de drenagem. Além disso, trata-se de uma técnica potencialmente útil, em especial em áreas onde os dados de poços são escassos. Embora se trate de um valor médio e, portanto, inadequado para estimar produção de um poço em particular, fornece a baixos custos uma estimativa regional das condições do aqüífero FATORES QUE INTERFEREM NO REGIME HIDROLÓGICO / HIDROGEOLÓGICO Os principais fatores que interferem no regime hidrológico/hidrogeológico e que definem a proporção do fluxo total que provém do fluxo de base estão relacionados ao clima e às características físicas da bacia, como geologia, geomorfologia, regolito e até condições de uso e ocupação. A identificação da representatividade de cada fator no balanço hidrológico final é dificultada pela sobreposição e reciprocidade dos processos atuantes (Castany 1971, Mello et al. 1994, Moldan & Cerny 1994, Chilton & Foster 1995, Tallaksen 1995, Lacey & Grayson 1998, Mwakalila et al. 2002) Clima A vazão está intimamente relacionada com o balanço precipitação-evapotranspiração, apresentando uma relação de proporcionalidade. A precipitação participa ainda da definição do potencial hídrico ao contribuir na evolução do perfil do solo, que tende a ser mais espesso em regiões mais úmidas (Chorley 1980, Lacey & Grayson 1998). 33

59 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Lacey & Grayson (1998) citam rochas sedimentares similares, localizadas em regiões distintas, com grandes diferenças na capacidade específica, que seriam explicadas em termos da profundidade do saprolito: em áreas com altas taxas de precipitação propiciou-se um manto de intemperismo mais profundo, responsável pela alta produtividade. Outros índices climáticos, tais como temperatura e ventos, também participam do balanço hidrológico, influenciando principalmente a evapotranspiração. Em bacias onde se tem o predomínio de gnaisse no nordeste de Minas Gerais, Peixoto et al. (1982) encontraram coeficientes de recessão médio de 0,003 a 0,009 d -1. Estes autores citam trabalhos em região com rochas semelhantes, porém em clima semi-árido, cujo valor médio do coeficiente de recessão é de 0,064 d Geologia A geologia tem uma função relevante na definição do regime hidrológico e hidrogeológico (e.g Custodio & Llamas 1976, Fetter 1988, Moldan & Cerný 1994). Diretamente, a influência da geologia reflete-se no fato da água ser armazenada nas rochas podendo ser posteriormente liberada aos rios como fluxo de base. Conforme as propriedades da rocha, esta poderá armazenar e transmitir com maior ou menor eficiência, definindo-se assim a potencialidade do aqüífero. Além da litologia, aspectos estruturais também podem ser decisivos na definição das condições de fluxo. Por exemplo, as fraturas exercem papel relevante em função de sua abertura, freqüência e grau de conexão (e.g Fetter 1988, Mello et al. 1994, Chilton & Foster 1995). Outra influência está na formação do solo: diferentes tipos de rochas, sob a ação do clima, vegetação e outros, tendem a originar diferentes tipos e espessuras de solo, cujas características são decisivas no processo de recarga e até mesmo no armazenamento e, conseqüentemente, na produção de água na bacia (Chorley 1980, Lacey & Grayson 1998). Chilton & Foster (1995) verificaram, em aqüífero cristalino localizado na África, que a espessura saturada do regolito é o principal fator controlador na produção de poços. Pode-se dizer que, com o aumento da espessura do regolito há uma tendência de aumento no fluxo de base. 34

60 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Adicionalmente, as compartimentações do perfil de intemperismo apresentam comportamento hidráulico diferenciado. Considerando a compartimentação proposta por Deere & Patton (1971) em rocha sã, rocha alterada, saprolito (ou horizonte C) e horizontes A e B, tem-se um maior coeficiente de armazenamento (S) e uma menor condutividade hidráulica (K) no regolito (que engloba horizontes A,B e C em elúvios e colúvios) em comparação com a rocha alterada (Deere & Patton 1971, Kellett & Bauman 1994, Chilton & Foster 1995). O regolito se comportaria, portanto, como um aquitardo. Contudo, há exceções, como no manto de alteração de quartzitos, que por ser arenoso apresenta maior capacidade de transmitir água (Peixoto et al. 1982). A rocha sã tende a apresentar menores valores de k e S (Chilton & Foster 1995). O fluxo superficial apresenta relação inversa com a permeabilidade, ou seja, para terrenos com litologia pouco permeável a água tenderá a escoar superficialmente gerando altos valores para a relação vazão (Q) / precipitação (P), que é o coeficiente de fluxo. Castany (1971) cita valores de Q/P de 0,91 e 0,77 para bacias constituídas exclusivamente por basaltos e bacias em rochas graníticas e basálticas, respectivamente. Tem-se ainda que, quanto menos permeável uma região, maior sua densidade de drenagem, e assim a geologia acaba por definir, de forma indireta, o padrão de drenagem (Castany 1971). Em termos de fluxo de base, a importância da geologia é ainda maior, como atestam vários trabalhos (Trainer & Watkins Jr. 1974, Lacey & Grayson 1998, Smakhtin 2001). Winter et al. (1998) reportam bacias em terrenos arenosos e com cascalho (altamente permeáveis) onde 90% da vazão média anual foi derivada de água subterrânea, e valores de apenas 14% para bacias com rochas siltosas e argilosas. Granito e basalto são as rochas que tendem a produzir altos valores de fluxo de base (Mwakalila et al. 2002), assim como riodacitos e algumas rochas sedimentares (Lacey & Grayson 1998). Em síntese, bacias em rochas altamente fraturadas e solo permeável profundo, terão maior fluxo de base. Segundo Lacey & Grayson (1998), o conjunto geologia-vegetação nativa constitui um fator importante na determinação do fluxo de base, agindo como um parâmetro que representaria a história climática e o comportamento hidrológico de rochas e solos. Para estes autores, alguns parâmetros topográficos adimensionais (tais como o slope index e porcentagem da bacia constituída por planície de inundação), o estágio de crescimento da vegetação e o tamanho da bacia (para bacias de até 100 km 2 ) não apresentam correlação direta com o fluxo de base. Em relação às condições climáticas, estas teriam maior efeito sobre o BFI em longo prazo, com a chuva favorecendo a formação de camadas de solo espessas. 35

61 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Mwakalila et al. (2002) mostraram que entre os índices físicos por eles analisados, os que apresentam melhor correlação com o BFI são: geologia, clima (correlação positiva) e densidade de drenagem (inversamente proporcional). Gonçalves (2001) definiu coeficientes de recessão médios de 0,003 e 0,005 para aqüíferos fissurais na região leste da zona da mata mineira e no extremo noroeste do Rio de Janeiro. O primeiro valor, que indica alta capacidade de armazenamento, é justificado pelo autor pela presença mais expressiva de aqüíferos granulares compostos pelos depósitos aluvionais e manto de intemperismo Geomorfologia As características geomorfológicas de uma bacia também interferem nas condições de fluxo. A inclinação do terreno influencia o processo de infiltração e conseqüentemente na produção do fluxo de base e do deflúvio total. Em termos locais, as taxas de infiltração são baixas em encostas íngremes, com solos pouco desenvolvidos. Em áreas baixas, como nas várzeas, terraços fluviais e concavidades, onde pode ocorrer o fenômeno do fluxo superficial por saturação (item 4.4), as condições de infiltração também podem ser limitadas. Para Lacey & Grayson (1998), nas áreas de relevo mais alto predomina a recarga, em contraposição às áreas mais baixas, onde ocorre preferencialmente a descarga do lençol. A relevância do relevo para o regime de fluxo é tradicionalmente avaliada por meio de diversos índices morfométricos, entre os quais se destacam:» H = relevo da bacia (ou amplitude altimétrica) corresponde à diferença entre a maior e a menor cota topográfica da bacia (e.g. Lacey & Grayson 1998).» Slope index = H/ área refere-se ao grau de inclinação da bacia, sendo um índice adimensional (e.g. Lacey & Grayson 1998).» Densidade de drenagem razão entre comprimento total da rede de canais e área da bacia.» Largura média da bacia obtida, neste trabalho, por meio da média de três larguras ao longo da bacia. 36

62 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p.» Kc = índice de compacidade ou índice de Gravelius - refere-se à forma da bacia que, assim como seu sistema de drenagem, sofre grande influencia da geologia. É definido pela relação entre o perímetro da bacia hidrográfica e o perímetro de um círculo de igual área. Considerando P e A, respectivamente, o perímetro e a área da bacia, pode-se calcular este índice diretamente pela fórmula (Garcez 1974, Custodio & Llamas 1976) 0,28P Kc (9) A Bacias com menores valores de Kc (próximo a 1) são mais circulares e assim mais susceptíveis a enchentes, uma vez que tendem a concentrar mais rapidamente o escoamento superficial (considerando apenas o efeito do fator forma). Alguns trabalhos procuraram estabelecer qual seria a influência destes índices na geração de fluxo de base. Zecharias & Brutsaert (1988) apontam como os controles geomorfológicos mais importantes da descarga da água subterrânea os índices: densidade de drenagem, inclinação média da bacia e comprimento da drenagem perene. Do mesmo modo, Mwakalila et al. (2002) concluíram que a densidade de drenagem mantém uma relação inversamente proporcional com o BFI. Este resultado é previsível uma vez que, quanto maior a densidade de drenagem, mais impermeável é a bacia e mais rapidamente a água escoará por ter mais oportunidade (caminhos) para chegar ao canal principal e deixar a bacia. Conseqüentemente, a bacia apresentará altos valores de fluxo superficial em detrimento ao fluxo de base. Já Lacey & Grayson (1998) estudaram a influência de três parâmetros topográficos adimensionais no fluxo de base: comprimento total da rede de canais / área da bacia, que é o equivalente adimensional de densidade de drenagem; slope index; e a fração da bacia constituída por planície de inundação. Dentro dos domínios homogêneos por eles estudados, não foram encontradas tendências entre estes índices e o fluxo de base Cobertura Vegetal A vegetação interfere diretamente na quantidade do escoamento superficial, no processo de infiltração e nas taxas de evapotranspiração. O papel benéfico das florestas para os recursos hídricos se baseia principalmente no fato da cobertura vegetal proteger o solo, contribuindo para a infiltração. Por outro lado, o aumento da vegetação e, conseqüentemente, da transpiração resulta na diminuição da produção de água, fato que tem sido demonstrado em vários estudos, entre eles o de Bosch & Hewlett (1982), que chegaram a esta conclusão a partir de uma revisão de 94 bacias experimentais. Este efeito é importante particularmente nas áreas de contribuição variável (vide item 3.4.1), onde a vegetação com raízes profundas consegue explorar água diretamente da frente saturada que se encontra próxima à superfície e assim atinge sua capacidade máxima de transpiração (Valente & Gomes 2005). 37

63 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... A vegetação pode até mesmo promover o rebaixamento do lençol freático raso devido à evapotranspiração (Schilling et al. 2004), cujas variações podem ainda provocar diminuição da vazão em microbacias ao longo do dia (Valente & Gomes 2005). A evapotranspiração pode afetar as curvas de recessão, que em geral decaem mais rapidamente no verão (estação de crescimento das plantas) que no inverno (estação de dormência das plantas) (Langbein 1938, Federer 1973, Tallaksen 1995, Wittenberg & Sivapalan 1999). A redução da cobertura vegetal provoca um aumento no deflúvio da bacia dependendo principalmente da espécie vegetal, do clima e da área de desmatamento (Lima 1986) Uso e ocupação do solo As condições de circulação d água estão fortemente relacionadas com o uso e ocupação do solo. Cabe ressaltar que bacias totalmente preservadas, livres de qualquer modificação, são raras uma vez que a interferência antrópica é cada vez mais intensa no mundo todo. A compactação do solo por estradas, caminhos e sobrepastoreio destroe os agregados do solo, reduzindo substancialmente as taxas de infiltração. O desmatamento e as queimadas reduzem o teor de matéria orgânica dos horizontes superficiais do solo e instabilizam seus agregados, formando crostas e também reduzindo a infiltração (Custodio & Llamas 1976, Resende et al. 1995). O mau uso e ocupação do solo, por vezes, é citado como causador da diminuição da vazão em rios, mesmo em regiões de altos índices pluviométricos (e.g Ren et al. 2002). Em relação aos processos erosivos, as voçorocas apresentam altos coeficientes de fluxo (vazão/precipitação), em especial quando totalmente expostas, sem cobertura vegetal (Luk et al. 1997). Estas feições são responsáveis ainda pela liberação de significativo volume de sedimento que causam assoreamento de drenagens a jusante e, ao atingirem o lençol freático, causam um cone de depressão, rebaixando o lençol freático no seu entorno. Portanto, são potencialmente modificadoras do regime hidrológico local. 3.8 EVOLUÇÃO QUÍMICA DAS ÁGUAS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS A composição química inicial da água na fase terrestre do ciclo hidrológico é definida pela água da chuva, que é influenciada por fatores atmosféricos, como aerossóis, poeira, poluição e gases. Trata-se de água com baixas concentrações, em geral 20 vezes menor que a concentração da água nos rios. 38

64 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Ao se infiltrar, tem sua composição modificada em função dos minerais com os quais entrará em contato e dos diversos processos atuantes como adsorção, precipitação, troca-iônica, oxi-redução e até processos biológicos (Custodio & Llamas 1976, Hem 1985, Fetter 1988, Moldan e Cerný 1994, Hounslow 1995, Leite 2001). É possível, inclusive, deduzir os minerais-fontes a partir da análise da água, como esquematizado por Hounslow (1995). A água de drenagens superficiais, por constituir-se em parte por fluxo subterrâneo (fluxo de base), também terá uma assinatura química relacionada com o ambiente local, incluindo o cenário geológico. A água que escoa superficialmente não interage com o substrato, mas aquela que se infiltra no solo, em geral, permanece tempo suficiente para que ocorram reações, conferindo-lhe uma configuração que poderá ser realçada por concentração devido à evaporação, pela mistura com águas profundas ou pela presença de rochas que liberam elementos facilmente (Hem 1985). O parâmetro em questão é o tempo de residência, que será tanto maior quanto maior o percurso e menor a permeabilidade do meio. Assim, em geral, águas de infiltração recente são pouco mineralizadas e as águas mais profundas (águas de circulação regional), contêm mais sais e tendem a ir se saturando (Custodio & Llamas 1976). Pode-se, portanto, esperar que quanto maior a salinidade, mais profundo é o fluxo em questão. E, como o fluxo de base é a componente principal do deflúvio na época de seca (quando a vazão é baixa), a concentração de sais em uma drenagem tenderá a ser inversamente proporcional à vazão. Contudo, é comum o acúmulo de elementos no perfil de solo durante a estação seca, que são lavados com as primeiras chuvas pelo efeito pistão, provocando altas concentrações nas primeiras enchentes. Com a continuidade da estação chuvosa, há uma tendência de diluição progressiva. Via de regra, se a composição e concentração química da água de um rio varia significativamente com a vazão, a principal contribuição é superficial. Mas se a composição mantém um determinado padrão para valores extremos de deflúvio, o aporte principal é o escoamento subterrâneo profundo (Custodio & Llamas 1976). A distinção entre a contribuição química dos fluxos de base e superficial não é simples, considerando principalmente que estes variam com o tempo (Hem 1985). Os principais íons presentes na maioria das águas naturais são Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, SO 2-4, HCO - 3, e Cl -. São denominados íons fundamentais (ou íons maiores), perfazendo quase sempre a totalidade dos constituintes da água (Custodio & Llamas 1976, Hem 1985, Fetter 1988). 39

65 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... A composição química da água natural está, de fato, fortemente relacionada com meio litológico no qual circula. Ressalta-se ainda que pequenas particularidades, como veios, podem ser desproporcionalmente importantes nos processos geoquímicos. Mas nesta inter-relação intervêm diversos outros fatores (Custodio & Llamas 1976, Hem 1985, Moldan & Cerný 1994). Além da composição da rocha em si, têm-se o tamanho e arranjo dos cristais, a porosidade e o grau de fraturamento que definem a área de contato, ou seja, a área exposta ao ataque químico. As condições físico-químicas do meio, como pressão, temperatura, ph e Eh, e até condições biológicas controlam certas reações e, assim, interferem diretamente na assinatura química de determinada água. A própria composição da chuva em si é variável tanto espacialmente quanto temporalmente (Hem 1985). Outro fator importante é o clima, uma vez que os processos intempéricos que liberam íons são fortemente influenciados pela temperatura e precipitação. Freqüentemente são citadas variações na salinidade da água em anos com diferentes taxas de pluviosidade (Custodio & Llamas 1976, Hem 1985, Bertachini 1988). A água da chuva propicia a renovação dos elementos ao solubilizar e carrear os produtos, e a evaporação contribui para o aumento da concentração iônica. Assim, deve-se considerar as diferenças no produto e na taxa de intemperismo de litologias similares expostas às condições climáticas distintas. Há ainda fatores que influenciam indiretamente a qualidade da água, como o relevo, uma vez que em áreas mais planas a circulação é mais lenta, permitindo maior tempo de contato entre água e rocha (Custodio & Llamas 1976). A cobertura vegetal também interfere pela constante troca de nutrientes entre plantas, solo e água (Moldan & Cerný 1994, Lima & Zakia 2000), embora esta interferência seja mais pronunciada nos fluxos de chuva (Leite 2001). Considerando a intensa utilização dos recursos naturais pelo homem, pode-se também definir como um modificador da química da água as formas de uso e ocupação do solo, causando inclusive a poluição (e.g. Moldan & Cerný 1994). 40

66 CAPÍTULO 4 METODOLOGIA As etapas desenvolvidas ao longo do trabalho estão sintetizadas no fluxograma metodológico (figura 4.1) e descritas a seguir: ETAPA 1: AQUISIÇÃO DOS DADOS BÁSICOS A parte inicial do trabalho consistiu no levantamento e compilação de bibliografia relacionada com o tema, em especial as referentes à: técnicas de medição de vazão em pequenas drenagens; métodos de determinação de coeficientes de recessão em hidrogramas e de determinação indireta da transmissividade e do coeficiente de armazenamento; quantificação do fluxo de base; hidrogeoquímica; potencial hidrológico/hidrogeológico de bacias; hidrogeologia do Complexo Metamórfico Bação. Embora esta tarefa tenha tido maior ênfase na fase inicial, durante todo o trabalho recorreu-se às informações técnicas à medida que surgia necessidade. O acervo cartográfico/fotográfico utilizado constou de: mapas topográficos nas escalas de 1/ e 1/ (SGE /IGA 1981) fotografias aéreas na escala de 1/ (CEMIG 1986) e fotografias aéreas coloridas nas escalas 1/ (NEPUT ) ortofotos na escala de 1/ (CEMIG 1986) mapa geológico nas escala de 1/ (USGS/DNPM 1969) mapa geológico nas escalas de 1/ (Projeto Rio das Velhas, DNPM/CPRM 1996) mapas geológicos na escala 1/10.000, produzidos durante o Trabalho de Graduação (TG) de alunos da Engenharia Geológica da UFOP. Estes foram posteriormente integrados e utilizados na pré-seleção de microbacias de drenagem.

67 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Levantamento e compilação bibliográfica Pré-seleção de microbacias na região do CMB, com características definidas Verificação da viabilidade de instrumentação Seleção de 10 microbacias diferenciáveis em termos de geologia, geomorfologia e uso e ocupação do solo. Instrumentação das microbacias: construção e instalação de vertedores e pluviômetros METODOLOGIA AQUISIÇÃO DE DADOS BÁSICOS DEFINIÇÃO DAS BACIAS PARA ESTUDO Caracterização física de detalhe de cada microbacia, com elaboração dos respectivos mapas. OBTENÇÃO DOS DADOS Aquisição de mapas, fotos aéreas e ortofotos. Integração do mapa geológico do CMB a partir dos mapas do TG. Levantamento de bacias na região do Quadrilátero Ferrífero com dados hidrológicos históricos Análise da geologia das bacias levantadas Seleção de 6 bacias Levantamento de séries fluviométricas no banco de dados da ANA, COPASA, CEMIG, IGAM Dados hidrológicos Monitoramento de vazão e pluviosidade das microbacias. MONITORAMENTO DOS DADOS NAS MICROBACIAS Calibração pelo método volumétrico Dados hidroquímicos Determinação in situ: ph, Eh, TDS, T e CE. Determinação dos elementos químicos em laboratório Elaboração de hietograma e hidrogramas TRATAMENTO DOS DADOS Dados hidroquímicos Determinação de parâmetros hidrogeológicos: vazão específica, coeficiente de recessão, fluxo de base, BFI Determinação indireta de índices hidrogeológicos Cruzamento de dados Aplicação de metodologias matching strip correlação e smoothed mínima INTEGRAÇÃO/ INTERPRETAÇÃO DOS DADOS E CONCLUSÕES Verificação de tendências e determinação de razões iônicas. Verificação de relação entre hidroquímica, geologia e condições do fluxo Verificação da influência dos fatores analisados no comportamento hidrológico/hidrogeológico Figura 4.1 Fluxograma metodológico do desenvolvimento da pesquisa. 42

68 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p ETAPA 2: SELEÇÃO DAS BACIAS E MICROBACIAS Para definir as microbacias a serem instrumentadas, primeiramente procedeu-se uma préseleção. Fez-se o cruzamento de mapas geológico, geomorfológico e de focos erosivos e, ainda, fotointerpretações e análises de ortofotos, individualizando-se microbacias com potencial frente ao objetivo proposto. Ou seja, foram pré-selecionadas várias microbacias com características físicas aproximadamente homogêneas e diferenciáveis entre si pela geologia, geomorfologia ou estado de preservação (em especial pela presença de voçorocas). A principal dificuldade inicialmente prevista seria a demarcação de bacias com uma só litologia ou característica geomorfológica, mas frente à escala de trabalho adotada, foi possível um grande controle sobre esta questão. Em etapa subseqüente foram feitas campanhas de campo para reconhecimento das microbacias e verificação da viabilidade de instrumentação das drenagens. Grande parte das microbacias não apresentou condições adequadas para o monitoramento. Esta questão será discutida em detalhe no capítulo 5, onde serão apresentados os critérios considerados na escolha definitiva da área de estudo. Nas microbacias selecionadas fez-se uma caracterização detalhada em termos de seus atributos físicos e condições ambientais. Especificamente nesta caracterização final, usaram-se as seguintes fontes de pesquisa, além de trabalhos de campo. O levantamento das unidades geológicas de cada microbacia baseou-se no mapa originado da integração dos mapas geológicos na escala 1/ A caracterização geomorfológica baseou-se no trabalho de Bacellar (2000), realizado na Bacia do Rio Maracujá, que engloba todas as microbacias estudadas. Adicionalmente, fez-se uma análise individual de cada microbacias, coletando-se nos mapas topográficos, dados e índices morfométricos. No levantamento de microbacias na região que continham voçorocas foi utilizado o Mapa de focos erosivos no Complexo Metamórfico Bação (Costa & Sobreira 2001). As condições de uso e ocupação do solo foram definidas com base em fotografias aéreas coloridas (escala 1/ NEPUT 2003). Foram levantadas também bacias de drenagem com séries históricas de dados hidrológicos, localizadas no Quadrilátero Ferrífero, preferencialmente próximas ao Complexo Metamórfico Bação. Seguindo estes quesitos, foram selecionadas 19 bacias de drenagem. Na próxima etapa foi feita a caracterização geológica preliminar destas com base no mapa geológico do Projeto Rio das Velhas (CPRM/DNPM 1996) e no mapa Dorr (1969) e selecionadas aquelas com características litológicas 43

69 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... menos variável possível. Nesta seleção, evitou-se também, na medida do possível, as bacias que possuíam lagos ou represas detectáveis na escala trabalhada. Assim definiram-se seis bacias de drenagem. 4.3 ETAPA 3 - OBTENÇÃO DE DADOS DAS BACIAS Instrumentação das microbacias As microbacias foram instrumentadas para obtenção dos dados de vazão e pluviosidade a partir de vertedores e pluviômetros, respectivamente. Informações técnicas adicionais encontram-se no anexo Dados de chuva Foi instalado, por aproximadamente 1 mês, um pluviógrafo na microbacia B5, porém, infelizmente, não se conseguiu obter resultados confiáveis devido a problemas operacionais. Contudo, frente aos objetivos propostos e levando-se em conta ainda o custo de um pluviômetro e um pluviógrafo, concluiu-se que medidas a partir de pluviômetros seriam satisfatórias, uma vez que se utilizariam dados diários de vazão e precipitação. Foi instalado um pluviômetro em cada microbacia, contabilizando-se um total de 8 aparelhos. Como as microbacias B3 e B3.1, assim como as B8 e B8.1, são contíguas, nestas utilizou-se apenas um aparelho. Os pluviômetros foram construídos utilizando-se material reciclável de baixo custo: uma haste de madeira, uma garrafa pet e arames. Na parte superior da haste, fixada verticalmente no solo, acoplou-se uma pequena base de madeira onde se apoiou a garrafa pet, amarrada com arame de forma que pudesse ser retirada para efetuar a medida do volume acumulado por meio de uma proveta. As hastes usadas neste trabalho têm 2m de altura, sendo que 0,5m foi cravado no solo e, assim, o recipiente de captação acoplado ficou a cerca de 1,5m do chão (Figura 4.2). A garrafa pet foi cortada em sua parte superior, constituindo assim um recipiente cilíndrico com abertura de diâmetro igual a 98,6 mm, correspondendo a uma área de captação de 76,32 cm 2. A fim de diminuir a evaporação da água captada e dificultar a queda de folhas, acoplou-se a própria parte superior da garrafa cortada (parte afunilada) invertida sobre a parte cilíndrica, sem alterar o diâmetro da área de captação. 44

70 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Vale ressaltar que na instalação dos pluviômetros foi certificado que nenhuma das características físicas do meio (como obstáculos, árvores etc) interferia na trajetória das gotas de chuva e, conseqüentemente, no seu registro. Para tal, o aparelho foi instalado a uma distância pelo menos duas vezes a altura dos obstáculos presentes e a uma altura de cerca de 1,5m do solo para evitar os respingos, conforme recomendações técnicas (Garcez 1974). Figura 4.2 Pluviômetros instalados nas microbacias B3 e B4 (Fotografado em maio/2003). Os pluviômetros foram todos construídos seguindo os mesmos princípios, ou seja, de forma padronizada. Assim, erros eventualmente existentes seriam comuns a todos, problema não significativo, já que o principal interesse é comparar valores e não analisar sistematicamente a chuva Dados de vazão As dez microbacias instrumentadas possuem áreas relativamente pequenas (faixa de 1km 2 ), com deflúvios da ordem de menos de 1L/s até valores máximos de aproximadamente 70L/s. Como seria conveniente obter dados diários de vazão, considerando-se as limitações e vantagens de cada método (Neves 1982, Netto & Alvarez 1988, Porto 2001) (Anexo 1), conclui-se que o uso de vertedores seria o mais adequado, uma vez que fornecem dados confiáveis para o intervalo de vazões esperadas, além de apresentar baixo custo (Figura 4.3). Tem-se ainda que a leitura em campo é muito simples, consistindo em tomar a altura da lâmina d água (h) em uma régua, o que poderia ser feito com facilidade por monitores. 45

71 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Para garantir a credibilidade dos dados, fizeram-se medidas pelo método volumétrico (vide anexo 1 e Figura 4.4-A) ao longo do ano hidrológico, que possibilitaram a calibração dos dados (item 6.1.2). Na maioria das microbacias, o vertedor foi instalado à montante do exutório na tentativa de locar um ponto na drenagem que melhor atendesse as condições para sua instalação, em especial os quesitos 2 e 5, listados no anexo 1 (página 134). Os vertedores usados neste trabalho são portáteis, construídos com chapas de aço galvanizado de 4 a 6 mm de espessura, seguindo o modelo sugerido pelo USGS United States Geological Survey - (Figura 4.3) (Rantz 1982). A sua instalação é simples, sendo a chapa cravada diretamente nas margens do canal, tendo para isso bordas laterais e inferiores prolongadas. Estas bordas foram afinadas para facilitar a penetração no solo e na soleira foi feito um chanfro de 45º para facilitar a queda livre da lâmina d água. O volume do fluxo, por ser relativamente pequeno, foi insuficiente para causar deformações nas chapas. Conforme as condições específicas de cada microbacia, em particular a amplitude da vazão prevista, definiu-se o tipo e o dimensionamento de cada vertedor (Tabela 4.1), cujos croquis encontram-se no anexo 2. Todos são de parede delgada, com contração lateral e lâmina livre (Anexo 1). Considerando que a lâmina d água sofre um processo de contração vertical ao passar pelo vertedor, a medida da carga hidráulica (h) deve ser tomada à montante da estrutura (Neves 1982, Delmée 1983, Netto & Alvarez 1988, Porto 2001) (Anexo 1). Porém, diferentemente do normalmente recomendado, nos vertedores instalados nas microbacias, as medidas da carga hidráulica foram tomadas a partir de uma régua fixada na parte montante da própria chapa do vertedor, assim como nos vertedores portáteis sugeridos pelo USGS (Rantz 1982) (Figura B). Nestas situações, pode-se recorrer à fórmulas de ajuste como as propostas por Daker (1987), que fornecem valores de carga corrigidos (H) a partir de valores tomados na placa do vertedor (h) (anexo 1). De qualquer maneira, todos os valores de vazões foram calibrados, o que os torna confiáveis. Inicialmente, a vazão da drenagem da microbacia B8 foi superestimada e o vertedor projetado foi do tipo retangular. Neste, a carga hidráulica foi inferior ao limite mínimo estabelecido em normas técnicas e o vertedor foi então adaptado para o tipo triangular. Na microbacia erodida B8.1, a grande quantidade de sedimento proveniente da voçoroca, em especial nos eventos de chuva intensos, arrancou a placa de metal algumas vezes. Esta foi recolocada o mais breve possível, porém sempre resultando em períodos desprovidos de medida. 46

72 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p Figura 4.3 Vertedores portáteis instalados nas microbacias: 1 = vertedor retangular na microbacia B1; 2 = vertedor trapezoidal Cipoletii na microbacia B3; e 3 = vertedor triangular na microbacia B2 (Fotografados em abril e maio/2003). 47

73 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Tabela 4.1: Tipos de vertedores empregados nas microbacias Microbacia B1 - Cór. Soledade (canal principal) Tipo de vertedor trapezoidal-cipoletti B1.1 - Cór. Soledade (desvio) retangular B2 - Barrero triangular (ângulo de abertura: 90º) * B3 - Cór. Maracujá com voçoroca trapezoidal Cipoletti B3.1 - Cór. Maracujá sem voçoroca trapezoidal Cipoletti B4 - Cór. do Canal trapezoidal Cipoletti B5 - CDB triangular (ângulo de abertura: 90º) ** B6 - Cór. Peixoto trapezoidal Cipoletti B8 - Sg Minas - sem voçoroca triangular (ângulo de abertura: 60º) B8.1 - Sg Minas - com voçoroca triangular (ângulo de abertura: 90º) ** * dimensões do modelo pequeno sugerido pela USGS (Rantz 1982) ** dimensões do modelo grande sugerido pela USGS (Rantz 1982) Régua linimétrica fixada na parte montante do vertedor A B Figura A = Método volumétrico para determinação da vazão microbacia B3. B = Régua para leitura da carga hidráulica fixada no próprio vertedor microbacia B3 (Fotografados em setembro/2003) Levantamento dos dados das bacias com séries hidrológicas históricas As vazões das bacias com séries hidrológicas históricas foram levantadas no banco de dados da Agencia Nacional de Águas (ANA 2004) e, exclusivamente na bacia , obtidos na publicação Deflúvios Superficiais no Estado de Minas Gerais (Cadastro Hidrosistemas) da COPASA (1993), que continha a série fluviométrica mais extensa. 48

74 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Os dados das bacias do Alto rio das Velhas e rio Maracujá foram adquiridos diretamente nas empresas responsáveis pelo monitoramento, CEMIG-IGAM, que fazem as medições diárias desde março de ETAPA 4: MONITORAMENTO DOS DADOS NAS MICROBACIAS Dados hidrológicos A princípio, o monitoramento das microbacias foi proposto para ser efetuado simultaneamente por um ano hidrológico. Porém, devido às dificuldades encontradas na seleção definitiva das áreas (item 5.1.1), a instrumentação dos vertedores foi sendo implementada e o monitoramento iniciado à medida que se conseguia selecionar cada microbacia. Essa seqüência de instrumentação foi utilizada na nomeação das microbacias, de B1 até B8.1. As primeiras microbacias tiveram o monitoramento iniciado em abril de 2003 e as últimas em julho do mesmo ano, mas todas monitoradas por um ano hidrológico. Os dados foram tomados por monitores (pessoas residentes próximo ao local) devidamente treinados para medir o volume precipitado (v [ml]) e a carga hidráulica no vertedor (h [cm]). Foram feitas visitas ao campo, inicialmente com maior freqüência, para conferir os dados e verificar a assiduidade dos monitores. No período de estiagem, as leituras da vazão nos vertedores foram tomadas duas vezes ao dia: de manhã (por volta de 7:00h) e à tarde (aproximadamente 17:00h), com exceção das microbacias B5, B8 e B8.1, que foram monitoradas apenas uma vez ao dia devido à restrição de disponibilidade por parte dos monitores. Na estação chuvosa (dez/2003 a mar/2004) foram tomadas de 3 a 4 (eventualmente 2) medidas diárias em todas microbacias, com exceção para microbacia B5, onde foi possível tomar 2 medidas diárias apenas nos meses de dezembro/2003 e janeiro/2004. A pluviosidade foi medida diariamente sempre às 7:00h. Os dados de pluviosidade e vazão foram anotados em planilhas específicas (anexo 3). No fim de cada mês estas eram recolhidas e os valores transcritos para planilha Excel, eliminando-se erros grosseiros de leitura para então serem trabalhados. 49

75 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos Dados hidrogeoquímicos O estudo hidrogeoquímico foi realizado como suporte na investigação do comportamento hidrogeológico das microbacias de drenagem. Foram feitas oito campanhas de coleta, algumas durante o período seco, quando o fluxo era mantido fundamentalmente por fonte subterrânea, e outras no período das chuvas. Utilizando-se do multiparâmetro portátil (Ultrameter - Myron L Company, modelo 6P), foram tomadas medidas in situ de ph, Eh, condutividade elétrica (CE), sólidos totais dissolvidos (STD ou TDS) e temperatura (Figura 4.5). Coletou-se 1L da água para análise em laboratório seguindo técnicas padrões de amostragem, essencialmente fazendo-se ambiente no frasco e coletando-se água no meio do canal no sentido contrário ao fluxo, atentando sempre para não deixar bolhas de ar no recipiente (APHA/AWWA/ WPCF 1992). Figura 4.5 Multiparâmetro utilizado em campo para determinação dos parâmetros: T, CE, STD, Eh e ph microbacia B6 (Fotografia novembro/2003). No laboratório as amostras foram filtradas a vácuo utilizando membrana de 0,45µm. Para análise de metais, as mesmas foram acidificadas com ácido nítrico concentrado em ph menor que 2 e preservada a 4ºC (APHA/AWWA/ WPCF 1992). As análises foram todas realizadas no Laboratório de Geoquímica Ambiental (LGqA) do DEGEO/UFOP. A técnica utilizada para determinação dos metais foi a de Espectrometria de Emissão Atômica com Fonte Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES), marca SPECTRO/Modelo Cirus CCD. Os procedimentos para a determinação dos principais ânions (sulfato, cloreto e alcalinidade) descritos em POPs (Procedimento Operacional Padrão) seguem os princípios do Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA/AWWA/WPCF 1992). Na determinação da alcalinidade, utilizou-se o Método Titulométrico, que permite detectar as espécies (OH -, HCO - 2-3, CO 3 50

76 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. ou CO 2 ) responsáveis pela mesma. O teor de cloreto foi determinado a partir do método de MÖHR (titulação) e o sulfato pelo método Turbidimétrico (Figura 4.6). A B C Figura 4.6 Determinação de A = alcalinidade; B = cloreto ; C = sulfato (Laboratório de Geoquímica Ambiental LGqA DEGEO/UFOP; novembro/2003). Os resultados das análises foram verificados em relação a possíveis erros por meio do balanço iônico (equação 10) e de relações típicas para águas naturais, considerando apenas os elementos fundamentais. O balanço iônico é baseado no fato de que toda solução deve ser eletricamente neutra, ou seja, a soma dos cátions ( C) deve ser igual a soma dos ânions ( A), em meq/l. Na prática, ocorrem pequenas diferenças devido a erros acumulados e presença de íons menores (Custodio & Llamas 1976). O limite de aceitabilidade do erro varia conforme a concentração iônica total e a condutividade. De fato, a solução apresenta baixa condutividade quando possui baixa concentração iônica, o que dificulta a detecção dos íons, e assim justifica erros maiores (Hem 1985, Hounslow 1995). Neste trabalho, utilizou-se a fórmula sugerida por Custodio & Llamas (1976), que estabelece limites de aceitabilidade em função da condutividade: ( C A) Erro (%) = *100 (10) 0,5( C + A) Tabela 4.2 Erro admissível no balanço iônico, segundo Custodio & Llamas (1976) Condutividade µs/cm >2000 Erro admissível (%) Altos valores de erro podem ser devidos a: erro analítico ou de cálculo; presença de íons não considerados no cálculo; águas pouco mineralizadas, ou mesmo, resultados não usuais (Hounslow 1995, Feitosa & Manoel Filho1997). 51

77 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos ETAPA 5: TRATAMENTO DOS DADOS A partir dos dados de precipitação e vazão já tratados, foram elaborados hietogramas e hidrogramas para todas as bacias e microbacias e definidos vários índices. Para as bacias com dados hidrológicos históricos, o coeficiente de recessão e o fluxo de base foram determinados em hidrogramas semi-logaritmicos anuais, utilizando-se da equação de Barnes (Custodio & Llamas 1976). Os dados de vazão das microbacias foram trabalhados para obtenção do coeficiente de recessão utilizando-se duas técnicas pouco adotadas em âmbito nacional, mas amplamente empregada internacionalmente. Trata-se do matching strip e correlation method que permitem que a curva de recessão seja obtida a partir de dados não tão extensos de vazão (Langbein 1938, Snyder 1939, Knisel Jr. 1963, Nathan & McMahon 1990, Tallaksen 1995, Smakhtin 2001). A separação do fluxo de base em hidrogramas das microbacias foi baseada na técnica smoothed minima (Nathan & McMahon 1990, Wahl & Wahl 1995). Estas técnicas foram aplicadas também nas duas bacias com dados hidrológicos históricos, Alto rio das Velhas e Maracujá. A partir do fluxo de base definido em todas as bacias analisadas, determinou-se o índice de fluxo de base (Baseflow index BFI) e o fluxo de base específico (FBE). Os valores de transmissividade foram obtidos indiretamente a partir do coeficiente de recessão, seguindo metodologia sugerida por Trainer & Watkins Jr. (1974) e Dewandel et al. (2003). Com os dados hidroquímicos, foram estabelecidas razões iônicas e construídos diagramas visando a verificação de tendências. O comportamento hidroquímico de cada microbacia foi então analisado considerando a geologia local e as condições de fluxo, em especial do fluxo de base. Buscou-se também verificar a existência de relação entre a assinatura química e aumento da vazão no período de chuvas ETAPA 6: INTEGRAÇÃO/INTERPRETAÇÃO DOS DADOS E CONCLUSÕES A partir do conhecimento das condições do fluxo das bacias e microbacias, promoveu-se a análise comparativa entre as mesmas visando o estabelecimento da influência dos fatores analisados. Entre as microbacias, pôde-se fazer o cruzamento das informações hidrológicas, hidrogeológicas e hidroquímicas com suas propriedades geológicas, geomorfológicas e de uso e ocupação do solo, em particular quanto à ocorrência de voçorocas. O efeito destas feições erosivas no comportamento hídrico foi verificado pela comparação dos resultados obtidos do monitoramento das duas microbacias 52

78 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. conjugadas e semelhantes que se diferenciam apenas pela presença do fenômeno erosivo. Na análise da influência da geologia no regime hídrico foram utilizadas as microbacias e também as bacias maiores com períodos de monitoramento mais extensos. 53

79 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... 54

80 CAPÍTULO 5 CARACTERIZAÇÃO DAS BACIAS DE DRENAGEM para estudo: Em acordo com os objetivos do trabalho foram definidos dois grupos de bacias de drenagem» Microbacias instrumentadas e monitoradas durante esta pesquisa.» Bacias de drenagem maiores com dados fluviométricos históricos. 5.1 MICROBACIAS INSTRUMENTADAS Seleção das microbacias para monitoramento As microbacias foram escolhidas em uma área que abrange o Complexo Metamórfico Bação e adjacências. Os fatores avaliados na seleção estão entre aqueles considerados essenciais no comportamento hídrico de uma bacia de drenagem: geologia, geomorfologia e o grau de degradação, incluindo neste, processos erosivos e cobertura vegetal (Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Fetter 1988, Moldan & Cerný 1994, Bacellar 2000, Lima & Zakia 2000). Conforme exposto no capítulo 4, várias microbacias foram pré-selecionadas conforme possuíssem particularidades condizentes com o objetivo do trabalho. Estas foram então analisadas para averiguar se as condições eram adequadas para o monitoramento. Além de quesitos operacionais, foi observado o grau de influência antrópica, evitando-se bacias muito perturbadas pelo homem, uma vez que se busca o reflexo de condições naturais nos processos hidrológicos. Como exceção, propositalmente foram escolhidas duas microbacias com voçoroca (B8.1 e B3). Neste sentido, as principais questões observadas foram: A não-regularização da drenagem ou qualquer outro tipo de alteração artificial que pudesse modificar o comportamento natural do fluxo. Para que os dados de vazão possam ser usados como índices das condições hidrogeológicas locais, é necessário que estes sejam conseqüências apenas de fatores naturais. Um canal que possui uma barragem, por exemplo, apresentará um hidrograma de forma típica em conseqüência da regularização (Pinto et al. 1976).

81 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Microbacias com retiradas consideráveis de água, seja por poços tubulares ou por captação diretamente no canal, também foram evitadas, considerando que na escala de trabalho estas abstrações poderiam causar apreciáveis variações no deflúvio. Uma prática relativamente comum na região é o desvio artificial dos canais. Os produtores rurais desviam parte da água dos córregos, que passam a fluir por gravidade em canais artificialmente construídos até desaguar em açudes ou rodas d água de moinho. Tal alteração também é indesejada frente à proposta do estudo. Em algumas microbacias pré-selecionadas foi constatada a prática de drenagem das áreas de várzea: são escavados canais para drenar a área pantanosa e adequá-la para plantio agrícola. Este tipo de interferência modifica a interação natural entre a água subterrânea, a água da várzea (armazenada nas margens, planície de inundação e pântanos) e a água do rio, podendo causar alterações no regime hídrico local (Winter et al. 1998). Um exemplo é a redução da possibilidade do fluxo superficial de saturação (item 3.4.1), que ocorre preferencialmente nas partes baixas, devido à subida do lençol freático na época das chuvas. Pode ainda haver conseqüências em relação à dinâmica hidroquímica local (Hewlett & Hibbert 1967 in Moldan & Cerný 1994). Algumas microbacias estavam localizadas próximas a povoados e sofriam os mais diversos tipos de interferências, desde captações até impermeabilizações de áreas consideráveis. São denominadas bacias urbanas e também não são indicadas para o estudo proposto. E ainda, uma vez que se pretendia usar vertedores portáteis para determinar a vazão, entre outras condições (vide anexo 1), era desejável que o canal: 1) tivesse paredes relativamente altas, permitindo a instalação da placa e a formação do remanso à montante; e 2) possuísse trecho retilíneo para instalação do vertedor. Os córregos de algumas microbacias pré-selecionadas encontravam-se intensamente assoreados e o canal nem sempre era bem definido, não apresentando assim condições de monitoramento. Houve ainda outras dificuldades, como a não autorização do proprietário do terreno para o monitoramento ou ausência de pessoas que morassem nas proximidades e se dispusessem a monitorar. Assim, várias microbacias pré-selecionadas não puderam ser monitoradas e, a princípio, somente 10 foram instrumentadas. Cada microbacia recebeu uma numeração conforme foi sendo definida (B1, B2, B3, B3.1, B4, B5, B6, B7, B8 e B8.1) e, para facilitar a identificação, cada uma foi designada com nomes da drenagem local principal ou do povoado mais próximo (tabela 5.1). 56

82 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. O monitoramento da microbacia B7 teve que ser interrompido logo após iniciado o monitoramento. Localizada nas margens do Córrego Holanda, constitui-se em sua maior parte por uma voçoroca de porte considerável e em avançado estágio de evolução. Inicialmente, nesta microbacia foi instalado um vertedor, e embora este instrumento não fosse o mais adequado para medições em canais com grandes aportes de sedimentos (Custodio & LLamas 1976, Rantz 1982), esperava-se que alguns ajustes viabilizassem o seu uso, como as alças fixas no vertedor para facilitar a limpeza periódica do material assoreado (ABNT 1995) (Figura 5.1). Porém, ainda assim, o volume de sedimento carreado após picos de chuva foi tal que chegou a arrancar várias vezes e amassar a placa de metal, tornando impraticáveis as medições com um mínimo de acurácia. Decidiu-se então parar o monitoramento nesta microbacia, considerando que o objetivo geral do trabalho não seria prejudicado, uma vez que se tem outra microbacia com características semelhantes (microbacia B3, em região de gnaisse, com voçoroca). A B Figura 5.1 A = Vertedor instalado na microbacia B7, constituída em grande parte por uma voçoroca. Notar a expressiva quantidade de sedimento em suspensão e assoreamento à montante do vertedor. B = Canal da microbacia B7, assoreado em conseqüência da voçoroca. (Fotografado em outubro/2003). As nove microbacias então definidas para o estudo foram detalhadamente caracterizadas, (resumo na tabela 5.1). A microbacia B1 possui uma peculiaridade. Seu córrego principal teve uma parcela do fluxo desviada, e assim, a partir de certo ponto a água flui por dois canais aproximadamente paralelos, dentro da mesma microbacia. Segundo moradores, este desvio foi feito há décadas. Como discutido no início deste item, tal interferência pode alterar características hidrológicas locais. Porém, como nesta microbacia o desvio é antigo e ocorre em um trecho relativamente pequeno quando comparado com o tamanho da bacia, acredita-se que já se tenha estabelecido condições permanentes quanto ao fluxo subterrâneo e assim decidiu-se monitorá-la, julgando não haver interferências significativas nos resultados. Exclusivamente neste caso foi necessária a instalação de dois vertedores. Assim, o deflúvio desta microbacia foi obtido a partir da soma da vazão medida nos dois vertedores. Por vezes o canal principal é referido como B1 e o desvio como B

83 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Em relação às microbacias conjugadas B3 e B3.1, é importante destacar que são contíguas e independentes entre si, correspondendo a duas drenagens distintas. Possuem características muito semelhantes, se diferenciando pela presença da feição erosiva. A microbacia B3 constitui-se em grande parte (cerca de 40%) por uma voçoroca com dígitos bem desenvolvidos, responsáveis por contínua produção de sedimentos, embora apresente alguns setores mais estáveis, inclusive com a regeneração parcial da vegetação. Por outro lado, a microbacia B3.1 está totalmente livre de erosão em canais, possuindo cerca de 60% em área de mata preservada. Desta forma, estas microbacias foram monitoradas na expectativa de se detectar eventual comportamento hidrológico anômalo que seria conseqüência direta da presença de feição erosiva, assim como quantificar o grau de influência desta variável. Algo semelhante ocorre na microbacia B8.1, que se constitui em grande parte por uma voçoroca, e na B8, que se encontra livre de processos de erosão acanalada (Figura 5.2) (Costa & Bacellar 2005). Tabela 5.1 Síntese das características das microbacias monitoradas. Microbacias Referência Área (Km 2 ) Geologia predominante Domínio Geomorfológico Erosão Classe de degradação Início do monitoramento B 1 Cór. Soledade 1,023 Gnaisse 2 sem voçoroca preservada abr/03 B 2 Barrero 0,098 Gnaisse 2 sem voçoroca preservada abr/03 B 3 Cór. Maracujá 0,399 Gnaisse e granito 1B com voçoroca muito degradada mai/03 B 3.1 Cór. Maracujá 0,146 Gnaisse e granito 1 B sem voçoroca preservada mai/03 B 4 Cór. do Canal 0,861 Gnaisse 1B e 2 sem voçoroca pouco degradada mai/03 B 5 CDB 0,271 Gnaisse e granito 3 sem voçoroca preservada mai/03 B 6 Cór. Peixoto 0,915 Gnaisse e outras 3 sem voçoroca preservada mai/03 B 8 Sg Minas 0,178 Xistos e filitos 4A sem voçoroca pouco degradada jul/03 B 8.1 Sg Minas 0,091 Xistos e filitos 4A com voçoroca muito degradada jul/03 58

84 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Figura 5.2 Microbacia B8: sem processo erosivo atual instalado; Microbacia B8.1: com destaque para a voçoroca presente (Fotografia de outubro/2003). As nove microbacias instrumentadas localizam-se na bacia do rio Maracujá (BRM), entre os meridianos 43º e 44º W e os paralelos 20º e 20º E (Figura 5.3), estando distribuídas em uma região compreendida entre Ouro Preto e Itabirito, especificamente nos distritos de Cachoeira do Campo, Amarantina e Glaura, integrantes do primeiro município. O acesso se dá por vias secundárias a partir da rodovia BR356 (OP à Br040), desde as proximidades do Centro Dom Bosco, em Cachoeira do Campo, até o trevo de acesso à mina de Capanema (CVRD). A região possui razoável número de estradas vicinais que levam às áreas das microbacias. A tabela 5.2 contém a localização precisa de cada microbacia, indicando o posicionamento em relação à rede de drenagem local (rio Maracujá), assim como a identificação por coordenadas UTM dos locais de instalação do vertedor. Por razões logísticas (conforme exposto no capítulo 4), na maioria das microbacias o vertedor foi instalado à montante do exutório. 59

85 do C anal Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Maracujá B 3.1 B 3 B 4 C órrego Brasil MG Rio São Francisco Bacia do Alto rio das Velhas B 2 B1 B 6 Bacia do rio Maracujá B 7 B 8.1 B 8 B 5 Microbacias Drenagens m Figura 5.3 Localização das microbacias monitoradas Tabela 5.2 Localização das microbacias e dos pontos de instalação dos respectivos vertedores. Micro bacia B1 B2 B3 B3.1 B4 B5 B6 B8 B8.1 Drenagem principal/localização Córrego Soledade: afluente esquerdo do Rio Maracujá, entre o córrego Holanda e rio da Prata. Porção central da BRM. Sua drenagem deságua no rio da Prata, próximo à confluência deste com o Rio Maracujá. Localiza-se imediatamente a noroeste da microbacia B1, no povoado de Barreiro. As drenagens destas duas microbacias se juntam para formar o último afluente esquerdo do Córrego Maracujá antes deste desaguar no rio Maracujá, na porção norte da bacia homônima É drenada pelo Córrego do Canal, tributário do Córrego dos Padres que deságua no rio Maracujá na porção nordeste da BRM. Afluente do rio Maracujá na parte sudeste da bacia. Está localizada nos terrenos do Centro Dom Bosco (CDB), no distrito de Cachoeira do Campo. Córrego do Peixoto, tributário direito do Rio Maracujá, na porção centro-leste da bacia homônima. As microbacias B8 e B8.1 localizam-se na porção sul da BRM. São bacias contíguas, com drenagens independentes, que deságuam diretamente no rio Maracujá. Ponto de instalação do vertedor (coordenadas UTM) Vertedores do desvio e do canal principal próximos a UTM N E UTM N E Vertedores imediatamente à montante da confluência destas duas drenagens: UTM N E UTM N E UTM N E UTM N E UTM N E 60

86 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. 5.2 BACIAS COM SÉRIES HISTÓRICAS Quatro bacias com dados hidrológicos históricos ( , , e ) possuem de 17 a 50 anos de monitoramento e áreas que variam de 31 a 302 km 2 (tabela 5.3). Todas pertencem ao Quadrilátero Ferrífero, estando duas na bacia do Alto rio das Velhas e duas na bacia do rio Doce. Adicionalmente, mais duas bacias com menos tempo de monitoramento foram selecionadas: a bacia Alto rio das Velhas ( Fazenda Vertentes) e bacia do rio Maracujá ( Fazenda Maracujá). Essas são monitoradas por uma parceria entre a CEMIG e o IGAM desde 2000, e foram as únicas visitadas e com dados fornecidos diretamente pelas instituições responsáveis. São bacias contíguas, situadas na cabeceira do Alto rio das Velhas (Figura 5.4). Cabe salientar que a bacia referida como bacia do rio Maracujá não compreende a bacia inteira, uma vez que a estação de monitoramento (linímetro) está localizada à montante de sua confluência com o rio das Velhas, como pode ser facilmente observado na figura 5.4. Na Fazenda Maracujá está instalado um pluviógrafo, cujos dados também foram analisados. O acesso a estas bacias se dá, partindo de Ouro Preto no sentido Itabirito, pela rodovia BR356, até o trevo de acesso à mina de Capanema, a partir do qual segue até as fazendas referidas. N Rio São Francisco Bacia do Alto rio das Velhas A = Estação fluviométrica Fazenda Vertentes B = Estação pluvio-fluviométrica Fazenda Maracujá MG Bacia do rio Maracujá B A Bacia do Alto rio das Velhas (Faz. Vertentes) 0 6 km Figura 5.4 Localização das duas bacias monitoradas pela parceria CEMIG/IGAM no rio das Velhas. 61

87 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Tabela 5.3 Localização, período de monitoramento e área das bacias com dados históricos. Fonte ANA / COPASA ANA Código COPASA Rio rio Funil rio Itabira rio Conceição ribeirão Caraça Bacia Hidrográfica rio das Velhas rio Doce Localização da estação 20º º º º º º º º Monitoramento Período 1956 a a a a 1955 total (anos) Área (km 2 ) , , , ,0 CEMIG / IGAM rio Maracujá Alto rio das Velhas rio das Velhas 20º º º º Desde 2000 Desde , , GEOLOGIA Microbacias monitoradas O levantamento das unidades geológicas das microbacias foi baseado em mapas na escala 1/10.000, o que permitiu uma caracterização de detalhe. Considerou-se, assim, conveniente descrever aqui as unidades presentes, que por vezes constituem subdivisões de unidades maiores, como os diversos gnaisses constituintes do CMB. As unidades estratigráficas do QF estão devidamente descritas no capítulo 2. Sete microbacias estudadas estão localizadas no CMB e duas imediatamente ao sul, nas rochas do Sg. Minas (cabeceira da BRM). As litologias encontradas em cada microbacia (tabela 5.4 e Figura 5.5) estão descritas a seguir Unidade Gnáissica É a mais abundante na área de interesse, ou seja, no CMB. A partir dos mapeamentos em escala 1/10.000, foi possível delimitar variações de gnaisse, com base em diferenças discretas (Ferreira 1999, Franco 1999, Martins 1999, Martins 2001), sendo encontrados nas microbacias os gnaisses: Amarantina, Praia e Funil. Em comum, todos apresentam evidências de eventos metamórficos e deformacionais, com presença de falhas e dobramentos e a ocorrência de veios de quartzo e pegmatitos. A direção da foliação gnáissica varia predominantemente entre NE-SW, NS e NW-SE. Em geral, possuem fraturas, às vezes em alta densidade. Mineralogicamente são também muito semelhantes, possuindo os mesmos minerais essenciais: quartzo, plagioclásio e microclina. 62

88 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. Freqüentemente apresentam biotita, moscovita, granada, zircão, titanita, apatita, opacos, sericita e epidoto. A composição varia de granítica a granodiorítica e a granulometria comumente de fina a média. O gnaisse Funil se diferencia do Amarantina pela maior heterogeneidade, pela presença de foliação NS menos marcante e composição mais félsica. Provavelmente as diferenças existentes não são representativas a ponto de justificar variações pronunciadas no comportamento hidrogeológico e hidroquímico entre um gnaisse e outro Unidade Máfica Intrusiva - Anfibolitos São rochas esverdeadas, com forte foliação e fino bandamento e, em geral, bastante alteradas, gerando um solo avermelhado. Os minerais essenciais são: anfibólio, plagioclásio e quartzo. Encontram-se ainda: epidoto, opacos, granada, zircão e leucoxênio. A única ocorrência desta unidade na área estudada foi um dique de direção NNW na microbacia B6 (Franco 1999) Grupo Nova Lima (SgRV) - Quartzo-mica xistos Na área que engloba a microbacia B6 (Córrego dos Peixotos) ocorre uma lente de xisto de direção NW-SE, sendo possível distinguir biotita-quartzo xistos e cuminngtonita-granada-quartzo xistos. Franco (1999) interpreta tais rochas como remanescentes do SgRV Unidade ultramáfica/metaultramáfica Corresponde a esteatitos (talco, anfibólio, clorita, carbonato e opacos) e serpentinitos (serpentina, anfibólio, clorita, talco e opacos). Igualmente as duas unidades descritas acima, na área estudada, estas rochas somente ocorrem como uma lente de direção NNW na microbacia B6 (Franco 1999) Unidade Granitóide Os granitos são interpretados como as rochas mais recentes, intrusivas nos gnaisses. Nos domínios das microbacias distinguem-se as variedades Granito Casa Branca, Granito a Duas Micas e Granito Glaura, embora sejam relativamente semelhantes. Todos apresentam granulometria fina a grossa. Possuem, em geral, a mesma mineralogia com presença de quartzo, feldspato, biotita e moscovita. No Granito Glaura distingue-se ainda o ortopiroxênio e no Granito Casa Branca há ocorrências de porções pegmatíticas ricas em feldspatos e turmalina. Por vezes estes granitos apresentam porções com discreta foliação (Ferreira 1999, Franco 1999). 63

89 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos Sg Minas - Grupo Piracicaba (indiviso) Esta unidade, nos limites das microbacias B8 e B8.1, é representada por xistos que transicionam a filitos. São normalmente compactos, mas por vezes apresentam-se friáveis. Correspondem a cloritóide-clorita xisto, sericita xisto, filito e quartzo xisto, com níveis ricos em cristais bem formados de magnetita. A paragênese principal é representada por sericita, clorita (com composição magnesiana a ferro-magnesiana), quartzo e cloritóide. A xistosidade apresenta direções em torno de NE-SW (Martins 2001). Tabela 5.4 Litologias das microbacias Microbacias Litologias (%) B 1 Gnaisse Amarantina Gnaisse Funil B 2 Gnaisse Amarantina 100 B 3 B 3.1 B 4 B 5 Gnaisse Praia Granito Glaura Gnaisse Praia Granito Glaura Gnaisse Praia Gnaisse Funil Gnaisse Funil - leucocrática Gnaisse Funil Granito a duas micas B 6 Gnaisse Praia Gnaisse Funil Anfibolito Quartzo mica-xisto Granito Casa Branca Metaultramáfica B 8 B 8.1 G. Piracicaba - indiviso Fm. Moeda Fm. Cauê G. Piracicaba - indiviso

90 Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p Córrego do Café Córrego do Canal Córrego Maracujá Sg Rio das Velhas Sg Minas Complexo Metamórfico Bação Legenda Gr. Piracicaba (indiviso) Fm Cauê - Gr. Itabira Fm Moeda - Gr. Caraça Sg Minas (indiviso) Grupo Nova Lima Granito Glaura Granito Vale do Tropeiro Granito Casa Branca Granito a duas micas Quartzo Mica xisto Anfibolito Ultramáfica/Metaultramáfica Gnaisse Amarantina Gnaisse Funil Gnaisse Funil - Porção Leucrocrática Gnaisse Praia Complexo Metamórfico Bação (indiviso) Drenagem Microbacia de drenagem m Figura Mapa geológico correspondente a cada microbacia. (Modificado de Ferreira 1999, Franco 1999, Martins 1999, Martins 2001) Bacias com séries hidrológicas históricas Estas bacias tiveram suas unidades geológicas levantadas no mapa Projeto Rio das Velhas na escala 1: (DNPM/CPRM 1996) e no mapa geológico Dorr (1969) e, portanto, de caráter regional, englobando as consagradas unidades estratigráficas do Quadrilátero Ferrífero (descritas no capítulo 2) As unidades presentes em cada bacia e sua respectiva porcentagem aproximada encontramse na tabela

91 Costa F.M Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos... Tabela 5.5 Litologia das bacias com dados hidrológicos históricos Código Estação ANA COPASA Rio rio Funil rio Itabira Geologia 50% G. Piracicaba 25% CMB 15% Fm Cauê e Fm Moeda 10% G. Nova Lima 45% G. Piracicaba 45% CMB 5% Fm Cauê e Fm Moeda 5% G. Nova Lima rio Conceição Ribeirão Caraça 35% Fm Moeda 25% G. Nova Lima 20% G. Maquiné 20% Fm Cauê 95% quartzito - G Caraça 5% Diques máficos CEMIG / IGAM rio Maracujá 90% CMB 9% G. Piracicaba 1% G. Nova Lima CEMIG / IGAM Alto rio das Velhas 50% G. Nova Lima 15% CMB 15% G.Piracicaba 15% G. Maquiné 5% Fm Cauê e Fm Moeda 5.4 GEOMORFOLOGIA DAS MICROBACIAS Conforme descrito no capítulo 2, Bacellar (2000) distinguiu quatro domínios geomorfológicos na Bacia do rio Maracujá: domínio 1 com relevo suave; domínio 3 com maiores desnivelamentos; domínio 2 com características intermediárias entre os domínios 1 e 3; e domínio 4 com relevo típico das supracrustais. A figura 5.6 apresenta a localização de cada microbacia no contexto destes domínios. As microbacias B1 e B2 pertencem ao domínio geomorfológico 2; As microbacias B3 e B3.1 estão no domínio 1. A microbacia B4 se encaixa em dois domínios: 1 e 2; O domínio geomorfológico 3 abrange as microbacias B5 e B6; e as microbacias B8 e B8.1 correspondem ao domínio 4. Ou seja, as microbacias localizadas em áreas de relevo mais abrupto são B5, B6, B8 e B8.1; com relevo mais suave, têm-se as B3 e B3.1; e em um estágio intermediário, destacam-se as B4, B1 e B2 (tabela 5.6). 66

92 m Contribuição às Ciências da Terra Série M, vol. 28, 147p. B 3 N B 3.1 B m 1B 2 1B B 6 B 2 2 B m B 1 1A 3 LEGENDA 4A B km B 8.1 Figura 5.6 Mapa de Domínios Geomorfológicos da Bacia do rio Maracujá com a localização das microbacias estudadas (Modificado de Bacellar 2000). Partindo-se para o reconhecimento geomorfológico de detalhe de cada microbacia, foram determinados alguns índices morfométricos trabalhando-se em uma escala maior. Foram utilizados mapas topográficos na escala 1/ e, complementarmente, fotografia aéreas na escala 1/ Entre os índices discutidos no capítulo 3, encontram-se na tabela 5.6 aqueles possíveis de serem determinados para as microbacias. A área, o perímetro e a largura média da bacia foram obtidos por meio de recursos do software Auto-CAD, a partir do arquivo digital dos mapas topográficos (1/25.000) das microbacias. A largura média da bacia corresponde à média de três larguras ao longo de cada microbacia. 67