Hidrogeologia Ambiental. Gary Wealthall

Transcrição

1 Hidrogeologia Ambiental Gary Wealthall

2 Dr. Gary Wealthall Associate Gary has more than 25 years experience investigating contaminated sites world-wide, and has lead advanced training courses in Europe, the Middle East, and North America. He holds advanced degrees in hydrogeology (M.Sc) and Environmental Engineering (Ph.D). Gary has coauthored guidance on investigation and conceptual site model development for DNAPLs and LNAPLs, and is an expert in fractured rock hydrogeology. Dr. Gary Wealthall

3 Tópicos da Apresentação 1. Introdução 2. Sistemas de Águas Subterrâneas 3. Uso de Águas Subterrâneas 4. Descrição dos aquíferos e aquitardes 5. Velocidade de fluxo das águas subterrâneas 6. Discussão 3

4 Introdução

5 Os Recursos Hídricos na Terra > 70% da superfície do nosso planeta é coberta por água 97,5% de toda a água na Terra é água salgada ~ 70% da água doce está congelada nas calotas polares ~ 1% da água doce do mundo é acessível para uso direto Água doce é encontrada em lagos, rios, reservatórios e nas fontes subterrâneas que são rasas o suficiente para serem exploradas a um custo acessível. Somente esta quantidade é periodicamente renovada pela chuva e neve, e é, portanto, disponível numa base sustentável

6 O Ciclo Hidrológico

7 O Reservatório subterrâneo A precipitação entra no subsolo através de infiltração As propriedades do solo e vegetação governam a taxa de infiltração Água infiltrada aumenta a umidade do solo e o volume da água subterrânea A água infiltrada aumenta a umidade do solo Parte é absorvida por capilaridade pelas raízes, parte é evaporada

8 O Reservatório Subterrâneo A água infiltrada percola a um nível mais profundo É adicionada a água que ocupa espaços vazios subsuperficiais Esta é água subterrânea

9 Sistemas de Águas Subterrâneas

10 Sistemas de Águas Subterrâneas

11 Porosidade A maioria das águas subterrâneas residem em poros = pequenos espaços dentro de rochas Porosidade refere-se ao volume total de espaços vazios no interior da rocha e que geralmente é apresentado em percentual (por exemplo, rocha tem uma porosidade de 25%) Porosidade varia muito entre diferentes tipos de rochas

12 Zonas Hidrogeológicas Zona Insaturada / Zona Vadosa A porção de subsuperfície onde alguns dos poros são parcialmente preenchidos com ar, ou preenchidos apenas com ar Zona Saturada / Zona Freática A porção de subsuperfície onde os poros são completamente preenchidos com água

13 O lençol freático O limite entre as zonas insaturadas e saturadas O lençol freático não é uma superfície plana que nunca muda Pode ter oscilações sazonais (períodos chuvoso e seco) e subir e descer Debaixo de montanhas e colinas, o lençol freático segue uma forma semelhante, mas moderada

14 O que faz com que as águas subterrâneas escoem? Carga Hidráulica Uma medida da energia potencial disponível para direcionar o escoamento de um dado volume de água subterrânea A água subterrânea flui a partir de locais de alta carga hidráulica para locais com baixa carga hidráulica Geralmente expressa em metros acima de um ponto de referência (normalmente usa-se o nível do mar)

15 Gradiente hidráulico (medido nos poços) Gradiente Horizontal Gradiente Vertical 15

16 Recarga e Descarga Fluxos de Água Subterrâneas Descendente em áreas de Recarga, e Ascendente em áreas de Descarga

17 Linhas de Fluxo de Águas Subterrâneas 17

18 Uso de Águas Subterrâneas

19 Poços Como podemos acessar as águas subterrâneas? Como a água é importante para a sociedade, o acesso à água subterrânea é importante. Temos acesso a água subterrânea através de poços e nascentes (onde as águas subterrâneas afloram na superfície da Terra) Poços de águas subterrâneas penetram a uma profundidade abaixo do nível freático, onde um aqüífero permite o acesso a água corrente

20 Rebaixamento de poço e Cones de depressão Quando um poço é perfurado para acessar um aquífero, sondadores gostam de fazê-lo rasos para economizar custos Se um poço bombea água mais rápido do que ela é substituída pelo fluxo normal das águas subterrâneas, o rebaixamento forma um cone de depressão Cones de depressão podem secar temporariamente os poços próximos Então, durante a perfuração de um poço, os sondadores devem considerar tanto a taxa de fluxo do aqüífero quanto as taxas de bombeamento de poços nas proximidades.

21 Problemas nas águas subterrâneas Alta, ou localizada, a extração de água subterrânea pode mudar a direção do fluxo da água subterrânea, movendo-se, assim, contaminantes para locais inseguros

22 Problemas nas águas subterrâneas Água salgada é mais densa do que a água doce então ela permanece abaixo do lençol freático de água doce O bombeamento e o rebaixamento podem causar influxo de água salgada para o que seriam naturalmente aquíferos de água doce

23 Problemas nas águas subterrâneas Pressão das águas subterrâenas mantém os grãos da rocha afastados Quando a água é removida a pressão da água subterrânea é reduzida, causando subsidência acima do aqüífero

24 Descrição dos Aquíferos e Aquitardes

25 Aquíferos e Aquitardes Aquífero: corpo de rocha ou sedimento saturado através do qual a água pode mover-se facilmente Aquitarde: rocha ou sedimento que retarda o fluxo de águas subterrâneas devido à baixa porosidade e/ou permeabilidade 25

26 Caracterização do Fluxo de Águas Subterrâneas

27 Lei de Darcy A lei de Darcy fornece uma descrição precisa do fluxo de água subterrânea em quase todos os ambientes hidrogeológicos 27

28 Henri Darcy Henri Darcy estabeleceu empiricamente que o fluxo de água através de uma formação permeável é proporcional à área de escoamento e ao gradiente hidráulico, e é inversamente proporcional ao comprimento do percurso do fluxo. 28

29 Em geral, a Lei de Darcy serve para 1. Fluxo saturado e insaturado fluxo 2. Estado estacionário e fluxo transiente 3. Fluxo em aquíferos e aquitardes 4. Fluxo em sistemas homogêneos e heterogêneos 5. Fluxo em meios isotrópicos ou anisotrópicos 6. Fluxo em rochas e meios granulares * Pode também ser válido para o fluxo em meio fraturado 29

30 Aparelho experimental Q A Q Δh Q 1/L Q A Δh/L Q=-KAI Lei de Darcy where I = Δh/L K = Condutividade Hidráulica 30

31 Faixa de Condutividade Hidráulica (K) K representa uma medida da capacidade de fluxo através de meios porosos 31

32 Velocidade de Darcy = Descarga Específica Q = V*A (continuity equation) A V (L/T) = Q taxa de descarga (L 3 /T) Área de seção transversal (L 2 )

33 Velocidade de Darcy Velocidade de Darcy é uma velocidade fictícia, uma vez que assume que o fluxo ocorre através de toda a secção transversal da amostra de solo O fluxo de fato ocorre apenas através de canais de poros interconectados Velocidade de Darcy Velocidade de infiltração 33

34 Velocidade de infiltração Velocidade de infiltração v (L/T) = Q (L3 /T) A n (L 2 ) mas Q = K i A (Lei de Darcy) então v = K i A = A n K i n n = porosidade (adimensional) 34

35 Velocidade média linear v = - K h n e l v = Velocidade média linear [L/T] K = Condutividade hidráulica [L/T] n e = Porosidade efetiva [L 3 /L 3 ] h/ l = Gradiente hidráulico [L/L] 35

36 Velocidade de fluxo das águas subterrâneas

37 Cálculo* 1) Determinar a taxa de fluxo no aquífero 2) Estimar o tempo de deslocamento do topo do aquífero para um ponto 4 km a jusante * assumindo nenhuma dispersão ou difusão

38 Características do local Um aquífero confinado tem uma fonte de recarga K para o aquífero é 50 m/dia, e n é 0.2 A carga piezométrica em dois poços 1000 m distantes é 55 m e 50 m respectivamente, a partir de um ponto de referência comum. A espessura média do aqüífero é de 30 m, e a largura média é de 5 km 38

39 Solução (Velocidade de Darcy) Área da seção transversal A =30x5000 = 15x10 4 m 2 Gradiente hidráulico I = (55-50)/1000 = 5x10-3 Taxa de fluxo Q=KAI = (50 m/dia)(15x10 4 m 2 )(5x10-3 ) = 37,500 m 3 /dia Velocidade de Darcy V = Q/A = (37,500m 3 /dia)/(15x10 4 m 2 ) = 0.25m/dia 39

40 Solução (Velocidade de Infiltração e Tt) Velocidade de Infiltração V s = V/n = (0,25) / (0,2) = 1.25 m/dia (cerca de 4,1 ft/dia) Tempo de deslocamento 4 km a jusante Tt = 4000m/1,25m/dia = 3200 dias ou 8,77 anos Este exemplo mostra que a água subterrânea pode se mover muito lentamente ~ 9 anos para percorrer 4 km 40

41 Estimated groundwater residence times 41

42 A heterogeneidade resulta em uma variedade de características de fluxo e transporte em sistemas naturais

43 Resumo O fluxo de águas subterrâneas é um processo complexo, que é descrito por leis empíricas baseadas em hipóteses simplificadas A zona insaturada é um ambiente de fluxo complexo que é descrito por processos não-lineares, e pode ser caracterizada por fluxos de escoamento preferenciais Os sistemas naturais são caracterizados por variabilidade (heterogeneidade) que se estende até 14 ordens de grandeza da condutividade hidráulica - velocidades de fluxo podem variar em função disso (por exemplo, km/dia a mm/ano)

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