INFLUENCE OF HYPOHEIC ZONE TO RIVER-AQUIFER INTERACTION AT BEBERIBE RIVER - PE

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1 INFLUÊNCIA DA ZONA HIPORREICA NA INTERAÇÃO RIO-AQUÍFERO NUM TRECHO DO RIO BEBERIBE - PE Tatiane Barbosa Veras de Albuquerque¹; Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral²; Anderson Luiz Ribeiro de Paiva³ e José Adson Andrade de Carvalho Filho 4. Resumo - A relação entre o curso de água superficial e subterrâneo é uma questão importante, onde não se pode esquecer que entre esses fluxos existe uma interação de grande potencial na gestão sustentável dos recursos hídricos. Dentro da perspectiva dessa interação, destaca-se a zona hiporréica, que é uma região de intercâmbio entre o rio e o aquífero, responsável por constantes trocas hídricas. Compreender as características do ambiente hiporreico e a dinâmica do fluxo de água nessa interface é de grande importância na identificação da existência e da direção de uma conexão hidráulica entre a água superficial e subterrânea. Através de ensaios granulométricos e testes de infiltração no leito de um trecho do rio Beberibe, Olinda - PE, foi avaliada a capacidade de transporte de volumes hídricos entre o rio e o aquífero. Para os testes de infiltração, utilizou-se o infiltrômetro de cilindro. Observou-se que no rio Beberibe existe uma contribuição para a recarga do lençol freático, mesmo que com taxas pequenas, de intensidades variáveis ao longo da área experimental e sob efeitos de eventos de chuva. A variabilidade deve-se à variação da composição do solo no leito do rio e à diferença de carga hidráulica entre o aquífero e o rio. Palavras-chave: interação rio-aquífero, zona hiporreica, infiltração. INFLUENCE OF HYPOHEIC ZONE TO RIVER-AQUIFER INTERACTION AT BEBERIBE RIVER - PE Abstract - The superficial water and groundwater interaction is an important issue, where one cannot forget that among those sources there is an interaction of great potential for the sustainable water resources management. In this perspective, the hypoheic zone is very important because is a region of exchange between river and aquifer. Understanding characteristic of the hypoheic environment and dynamics of water flow in this interface is necessary to identificate the existence and direction of a hydraulic connection between the superficial water and groundwater. Granulometric tests and infiltration tests in the riverbed of the Beberibe river, Olinda-PE, were evaluated for carrying capacity of water volumes between the river and aquifer. For infiltration tests we used the cylinder infiltrometer. It was observed that on the Beberibe river there is a contribution to recharge of groundwater, even with small rates of varying intensities along the experimental area and by intense rainfall effects. The variability is due to variation in the soil composition in the riverbed and the hydraulic head difference between the aquifer and the river. Palavras-chave: river aquifer interaction, hyporheic zone, infiltration. 1 Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil UFPE, UFPE, Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n, Cidade Universitária, Recife PE, Brasil, Fone: 0 xx (81) , tatiane_veras@yahoo.com.br 2 Prof. Titular da Universidade Federal de Pernambuco UFPE, Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n, Cidade Universitária, Recife PE, Brasil, Fone: 0 xx (81) , jcabral@ufpe.br; jaimejcabral@yahoo.com; 3 Prof. Adjunto da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE,..., Fone: 0 xx (81) , anderson.paiva@ufpe.br; 4 Aluno de Graduação do curso de Ciências Ambientais, UFPE,..., Fone: 0 xx (81) , adson.carvalhojr@gmail.com. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1 - INTRODUÇÃO O uso sustentável dos recursos hídricos inclui o mínimo de conhecimento das relações entre águas superficiais e águas subterrâneas, pois essa interação revela cada vez mais seu potencial em relação à gestão dos mananciais. As interações de pequena escala na interface entre o rio e o aquífero, também conhecida como zona hiporreica, tem gerado bastante interesse. Este ambiente tem sido um tema de pesquisa bastante ativo em vários lugares do mundo (Genereux et al., 2008; Boano et al., 2010; Lawrence, 2013), onde é considerado uma região de grande dinâmica física, química e biológica. É um meio muito heterogêneo e ativo, necessitando de avaliações contínuas. Nesse contexto, é de extrema relevância conhecer as características da zona hiporreica como uma das zonas de interação das águas subterrâneas com as águas superficiais, promovendo a base para uma efetiva análise da interação rio-aquífero. 2 - INTERAÇÃO RIO-AQUÍFERO O estudo da interação que um manancial exerce sobre o outro é de fato uma grande contribuição para um efetivo gerenciamento dos recursos hídricos. Nessa perspectiva, o interesse em estudos relacionados à interação entre água superficial e a água subterrânea tem aumentado significativamente nos últimos anos. Entretanto, independente da existência ou não de ligações diretas entre águas de superfície e subterrâneas, o planejamento e a gestão de recursos hídricos deve sempre incluir os dois recursos, incorporando cada um deles no sistema global, de acordo com as suas características específicas. De uma maneira ou de outra, qualquer controle exercido sobre um recurso acabará afetando o outro (Feitosa e Manoel filho, 1997). A configuração do fluxo entre os corpos hídricos superficiais e subterrâneos podem ocorrer de duas maneiras distintas: a condição efluente que é caracterizada pelo escoamento das águas subterrâneas na direção do corpo d água superficial e a condição influente que ocorre quando as águas superficiais contribuem para o fluxo de subsuperfície. Por isso, a movimentação dos corpos hídricos superficiais e subterrâneos de formas segregadas devem ser planejadas e ponderadas, pois podem causar danos nas inter-relações entre esses sistemas (Silva, 2007). Independentemente da importância das águas superficiais e das águas subterrâneas, não se pode esquecer que existe uma grande interação entre elas. Assim, a má qualidade que, por vezes, se encontra nas águas superficiais pode ser transmitida às águas subterrâneas e vice-versa. 3 - ZONA HIPORREICA Muitas variáveis têm sido utilizadas para a definição da zona hiporreica, pois o estudo desse ambiente é interdisciplinar, envolvendo hidrólogos, ecologistas, e biogeoquímicos. Em suma, a zona de intercâmbio entre o curso de água superficial e subterrâneo é a chamada zona hiporreica (Figura 1), definida como um volume subsuperficial de sedimentos e um adjacente espaço poroso a um curso d água, onde ocorrem constantes trocas. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1 - Esquema Zona Hiporreica Nesta região de transição, os processos ecológicos, seus produtos e as condições locais são influenciados por características hidrodinâmicas, tamanho da partícula do substrato, permeabilidade do sedimento, condutividade hidráulica, biota residente, tempo de residência da água intersticial e características físico-químicas da água de superfície do rio e dos aquíferos adjacentes (Boulton e Foster, 1998). Porém, não é possível afirmar que as características das águas fluviais são influenciadas apenas pelas atividades que ocorrem na zona hiporreica. A zona hiporreica é um dinâmico ecótono entre o ambiente aquático do rio e o ambiente terrestre abaixo do leito do rio, podendo atuar como filtro físico, químico e biológico (Vervier et al., 1992) capaz de imobilizar ou transformar nutrientes e poluentes (Bourg e Bertin, 1993), prevenindo ou reduzindo sua passagem entre água subterrânea e superfície (Hancock, 2002). Segundo Lawrence et al. (2013), a zona hiporreica forma um ecossistema único e dinâmico, onde ao mesmo tempo que é influenciado, pode influenciar significativamente o fluxo e a qualidade da água subterrânea. A diminuição da condutividade hidráulica no meio poroso influencia na permeabilidade e coesão dos sedimentos, consequentemente levando capacidades de infiltração limitadas na zona superior dos interstícios (Goldschneider et al., 2007; Gunkel e Hoffmann, 2009). A zona hiporreica compreende um ambiente dinâmico por reunir uma série de características particulares dependentes de aspectos referentes à hidrologia, geologia e ecologia da região. De fato, é uma zona de transição entre água superficial e subterrânea que atua diretamente na atenuação natural de contaminantes. Como resultado desta função, tem sido chamada metaforicamente de fígado do rio (Fischer et al., 2005). 5 - MATERIAL E MÉTODOS A pesquisa foi desenvolvida num trecho do rio Beberibe no município de Olinda - PE, onde está se desenvolvendo um estudo da zona hiporreica, com o intuito de entender a sua influência na interação rio-aquífero. O rio Beberibe, nesse trecho, possui largura em torno de 5 metros. Atravessa uma área urbanizada, sofrendo consequentemente com poluição doméstica. A lâmina d'água varia de 0,30 a 0,40 cm em períodos secos e úmidos respectivamente. Definiu-se dois pontos para estudos preliminares, um nas margens do rio numa área bastante XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 urbanizada e o outro ponto se encontra fora da área urbanizada. As coordenadas dos pontos de estudo foram coletadas com um GPS Garmin e as informações podem ser observadas na tabela 1. Tabela 1 - Coordenadas dos pontos de estudo. PONTO COORDENADAS LATITUDE LONGITUDE , , , ,964 Nos pontos selecionados, realizaram-se testes de infiltração no leito e coletas de amostras para ensaio granulométrico Granulometria Em Novembro de 2014, foram coletadas as amostras para os ensaios granulométricos. Em cada ponto foram retiradas amostras do leito com profundidade de 0-5 cm e de 5-10 cm, onde as amostras são conhecidas por: PT1(0-5), PT1(5-10), PT2(0-5) e PT2(5-10). As amostras foram coletadas com um amostrador tipo corer e após a coleta foram refrigeradas para melhor preservação e levadas para o Laboratório de Oceanografia Geológica (LABOGEO) da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) para realização da análise. A distribuição granulométrica dessas amostras foram determinadas através de peneiramento e pipetagem descritas em Suguio (1973) Testes de infiltração Os testes foram realizados quinzenalmente, no período de Fevereiro a Novembro de Durante o período de testes também foram feitas leituras do nível da lâmina d água do rio. Para realizar os ensaios de infiltração foram adotados infiltrômetros de cilindro produzidos com acrílico, onde sua área é de 50,265 cm², e reservatórios de água (bolsas plásticas hospitalares) com capacidade para aproximadamente 2 L (Figura 2). Figura 2 - Metodologia utilizada nos ensaios de infiltração Para iniciar os testes, primeiramente ocorre a fixação de aproximadamente 4 cm do cilindro XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 na zona hiporreica, onde o equipamento é pressionado lentamente até que se forme uma coluna de sedimentos no interior do equipamento promovendo a fixação do mesmo no leito submerso. Depois, entre o equipamento e os sedimentos do leito, aplica-se uma mistura de bentonita e água na proporção de 1:1. A bentonita se expande quando entra em contato com líquido e funciona impedindo a entrada ou o vazamento de água. Logo após, os reservatórios de água, devidamente cheios (aproximadamente 2 L), são acoplados ao cilindro. A partir dessa metodologia, buscou-se calcular a taxa de infiltração da água no leito através da seguinte fórmula: Onde: It = taxa de infiltração V = volume t = tempo A = área do cilindro (1) Esta expressão indica que a infiltração pode ser quantificada como o volume de água que penetra no solo, por unidade de área, por unidade de tempo. Em campo, o volume dos reservatórios foi medido em gramas e, posteriormente, transformado em mm³ para base de cálculo, através da sua densidade, onde foi adotada a temperatura ambiente de 25ºC, sendo a massa específica da água de 997 kg/m³. Então, levando em consideração a variação do volume de água no reservatório durante o período de testes é possível aplicar a fórmula acima para quantificação da taxa de infiltração. O comportamento da passagem da água do rio Beberibe pelos sedimentos hiporreicos foi analisado com base nos pontos 1 e 2, onde o tempo de infiltração da água foi estabelecido em 20 minutos para cada ensaio. Salientando que em cada ponto foram realizadas duas repetições. 6 - RESULTADOS E DISCUSSÃO Cada etapa de realização do projeto gerou resultados e considerações que serão apresentadas a seguir: Granulometria Os dados granulométricos dos pontos onde foram realizados os ensaios de infiltração no rio Beberibe, Olinda PE, foram de muita importância para a compreensão do comportamento do fluxo rio-aquífero. Uma certa homogeneização granulométrica foi encontrada nos resultados texturais dos dois pontos analisados. Onde, em geral, os sedimentos estudados não apresentam variação acentuada nas frações de areia, silte e argila, enquadrando-se na classe textural arenosa. A variabilidade granulométrica das amostras coletadas do rio Beberibe ao longo do módulo experimental podem ser observadas na tabela 2. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 É possível observar que o ponto 2 apresenta uma quantidade de silte e argila levemente maior que o ponto 1, podendo refletir na permeabilidade do local. Quando existe variação nos diâmetros dos sedimentos, o processo de colmatação pode ocorrer afetando a passagem hídrica entre o rio e o aquífero. Tabela 2 - Análise granulométrica dos pontos 1 e 2 do leito do rio Beberibe. PARÂMETROS PONTO 1 PONTO 2 Profundidade (cm) % Grânulos 9,14 16,27 7,48 6,95 % Areia 90,79 83,59 84,36 92,99 % Silte 0,07 0,14 1,64 0,06 % Argila 0 0 6, Testes de infiltração Os resultados dos testes de infiltração são de fundamental importância para a compreensão da capacidade de transporte de volumes hídricos entre o rio e o aquífero. Além da distribuição granulométrica, a ocorrência de precipitação durante o período de realização dos testes também pode ser considerado um fator de grande influência na quantidade de água infiltrada no leito do rio. Para facilitar o entendimento e a análise do comportamento das médias das taxas de infiltração da água com o período chuvoso, a Figura 3 ilustra graficamente os valores referentes às médias das taxas de infiltração e à precipitação diária. Figura 3 - Precipitação diária e médias das taxas de infiltração nos pontos de estudo. Através do gráfico acima, observa-se certa variação na quantidade de água infiltrada no rio Beberibe. Ao comparar as taxas de infiltração dos dois pontos em estudo, fica claro que o ponto 1 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 apresenta valores levemente mais altos do que o ponto 2. Ou seja, o ponto 1 abastece mais o aquífero do que o ponto 2. A distribuição granulométrica dos sedimentos do local de realização dos testes pode ser uma explicação para a diferença do volume infiltrado. É provável que no ponto 2 ocorra uma maior dificuldade na passagem de água do rio Beberibe do que no ponto 1, pois de acordo com os resultados granulométricos já apresentados, existe uma maior quantidade de material lamoso (silte + argila) no ponto 2. Esse fato favorece o processo de colmatação, ou seja, afeta a capacidade drenante do meio poroso por onde o fluxo se dá. Além da distribuição granulométrica, a ocorrência de precipitação durante o período de realização dos testes também pode ser considerado um fator de grande influência na quantidade de água infiltrada no leito do rio. Durante os ensaios de infiltração, foi possível observar que nos períodos chuvosos, ou dias após a ocorrência de chuva, a maioria das taxas de infiltração se apresentavam menores que nos períodos de pouca ou nenhuma chuva. Na figura 3 é possível observar que no intervalo entre o dia 11 de Junho e o dia 01 de Julho, nota-se uma diminuição da contribuição superficial para o aquífero, provavelmente em consequência do período de precipitação intensa que ocorreu antes dos dias dos testes. Após esse período, a quantidade de chuva diminuiu e aos poucos a taxa de infiltração aumentou, porém as chuvas voltaram e o volume infiltrado voltou a descer. De maneira geral, através das chuvas a diferença de carga hidráulica entre o rio e o aquífero foi modificada, promovendo alterações na configuração do fluxo de água. O que é preponderante, mesmo considerando que com o evento de chuva gera-se o transporte de material que parte deposita-se no leito, alterando a composição da zona hiporreica, causando o efeito da colmatação. 7 - CONSIDERAÇÕES FINAIS Nos últimos anos, muito tem se falado sobre os estudos relacionados à interação rioaquífero, e neste contexto a zona hiporreica merece grande destaque por ser o local de grande influência nessa interação. Diante dos resultados das taxas de infiltração, é possível compreender que o trecho do rio Beberibe na área experimental contribui para a recarga do aquífero freático, ainda que seja numa quantidade pequena. Através do infiltrômetro de cilindro é possível identificar zonas de maior recarga de aquíferos, possibilitando o uso sustentável dos recursos hídricos através da preservação dessas áreas. A influência da diferença de carga hidráulica entre o aquífero e a água superficial ficou evidenciada com os eventos de chuva, sendo mais relevante na observação de eventos pontuais do que a colmatação que é um processo de longo prazo. O estudo exposto nesse trabalho fornece informações relevantes para uma melhor compreensão do comportamento da água no processo de interação rio - aquífero, lembrando que essas interações são complexas e precisam de um enfoque interdisciplinar. 8 AGRADECIMENTOS À FACEPE (Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco) e à CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelas bolsas de pesquisa concedidas aos alunos de Pós-Graduação e apoio financeiro para o desenvolvimento das pesquisas. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 À Compesa (Companhia Pernambucana de Saneamento) pelo apoio a pesquisa e ao CNPQ (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS BOANO, F., REVELLI, R., AND RIDOFI, L. (2010). Effect of streamflow stochasticity on bedform-driven hyporheic exchange. Advances Water Resources, v 33, 1367p. BOULTON, A. J. & FOSTER, J. (1998). Effects of buried leaf litter and vertical hydrologic exchange on hyporheic water chemistry and fauna in a gravel-bed river in northern New South Wales. Freshwater Biology, v 40; p. BOURG, A. C. M.; BERTIN, C. (1993). Biogeochemical processes during the infiltration of river water into an alluvial aquifer. Environmental Science Technology. 27, p. FEITOSA, F. A. F.; MANOEL FILHO, J. (1997). Hidrogeologia Conceitos e Aplicações.CPRM. FISCHER, H., KLOEP, F., WILZCEK, S., AND PUSCH, M. T. A. (2005). River s liver Microbial processes within the hyporheic zone of a large lowland river. Biogeochemistry 76, 349p. GENEREUX, D. P.; LEAHY, S; MITASOVA H.; KENNEDY, C. D.; CORBETT, D. R. (2008). Spatial and temporal variability of streambed hydraulic condutivity in West Bear Creek, North Carolina, USA. Journal of Hydrology, v 358, p. GOLDSCHNEIDER, A.; HARALAMPIDES, K; MACQUARRIE, K. (2007). River sediment and flow characteristics near a bank filtration water supply: implications for riverbed clogging. Journal Hydrology, v.344, n.1-2, 55-69p. GUNKEL, G.; HOFFMANN, A. (2009). Bank filtration of rivers and lakes to improve the raw water quality for drinking water supply. In: Gertsen N, Sønderby L (eds) Water purification. Nova Science Publishers Inc., New York, p. HANCOCK, P. J. (2002). Human Impacts on the Stream Groundwater Exchange Zone. Environmental Management v 29, n 6, p. LAWRENCE, J. E., SKOLD, M. E., HUSSAIN, F. A., SILVERMAN, D. R.,RESH, V. H., SEDLAK, D. L., LUTHY, R. G., AND MCCRAY, J. E. (2013). Hyporheic Zone in Urban Streams: A review and opportunities for enhancing water quality and improving aquatic habitat by active management. Environmental Engineering Science, v 30, n 8. SILVA, F. C. (2007). Análise integrada de uso de água superficial e subterrânea em macro-escala numa bacia hidrográfica: o caso do alto rio Paranaíba. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Dissertação de Mestrado. Porto Alegre RS p. SUGUIO, K. (1973). Introdução à Sedimentologia. São Paulo, Ed. Edgard Blücher/EDUSP. 317p. VERVIER, P.; GIBERT, J.; MARMONIER, P.; DOLE-OLIVIER, M.- J. (1992). A perspective on the permeability of the surface freshwater groundwater ecotone. Journal of the North American Benthological Society, v 11, p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8