VI. Hidrologia Subterrânea Susana Prada. Aquífero 4/9/2015. Reservatórios de Água Subterrânea. Classificação de aquíferos

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1 VI. Hidrologia Subterrânea Susana Prada Reservatórios de Água Subterrânea O entendimento das condições de circulação da água subterrânea ultrapassa os limites da hidráulica. A hidrodinâmica das águas subterrâneas resulta da junção da Hidráulica com a Geologia As águas subterrâneas ocorrem em formações geológicas permeáveis conhecidas por aquíferos. Ocupam os espaços vazios das rochas, nomeadamente, os poros intergranulares, os canalículos que os interligam e as fracturas. Aquífero Formação geológica que armazena e possibilita a circulação da água; de onde é possível extrair a mesma em quantidades suficientes de forma a possibilitar o seu aproveitamento pelo Homem; Para a sua exploração ser viável os aquíferos não só armazenam água como possibilitam a sua circulação. São erradamente designados por expressões como lençóis de água, lençóis freáticos e toalhas aquíferas. A quantidade suficiente varia de região para região: em climas semiáridos considera-se economicamente viável uma captação que forneça caudais considerados irrisórios noutra (0,5l/s)! Classificação de aquíferos Quanto à estrutura geológica: porosos, fissurados e cársicos Quanto à localização: costeiros e interiores; basais e suspensos Quanto à pressão a que está submetido: livres ou freáticos; confinados ou cativos.

2 Aquíferos em diferentes meios Em certos casos, os sistemas aquíferos são simultaneamente de vários tipos: Porosos: a água circula através de poros conectados. As formações geológicas podem ser sedimentares, detríticas, (argilas, areias, cascalheiras) ou vulcânicas (piroclastos) Fracturados: a água circula através de fracturas ou pequenas fissuras. As rochas podem ser magmáticas, metamórficas ou sedimentares. Cársicos: a água circula em condutas que resultaram do alargamento de diaclases por dissolução dos diversos tipos de calcários. Também pode ser nos tubos de lava, nos ambientes vulcânicos. As regiões vulcânicas, altamente heterogénesa, são formadas por alternância de escoadas fissuradas, piroclastos e sedimentos, podendo, também, conter tubos de lava. Continentes: aquíferos costeiros e interiores Nas ilhas existe um aquífero de base Interiores Costeiros

3 Na Madeira, além do aquífero de base que contacta com o mar existem, em altitude, vários aquíferos suspensos Aquíferos: livres e confinados Aquífero livre (B) Formação geológica permeável, parcialmente saturada de água e limitada na base por uma camada impermeável. O seu limite superior é o nível freático (NL). O nível da água no aquífero está à pressão atmosférica. O nível freático coincide com o nível piezométrico (furo 3) Aquífero suspenso É um aquífero livre que ocorre acima do nível de saturação regional devido à existência, na base, de uma camada impermeável. Existe uma zona não saturada entre a camada confinante e o nível de saturação geral.

4 Aquífero confinado (A) Formação permeável completamente saturada de água e limitada no topo e na base por camadas impermeáveis. A pressão da água no aquífero é superior à pressão atmosférica, o nível piezométrico (NC) ascende acima do tecto do aquífero (1), imobilizando-se quando se estabelece um equilíbrio entre as pressões da água e atmosférica. Quando a água sobe acima da superfície topográfica, o furo é artesiano repuxante (2). Parâmetros hidrodinâmicos fundamentais dos aquíferos Tipo Designação Função capacitiva (n) Porosidade e porosidade eficaz (n e ) (S) Coeficiente de armazenamento Função transmissiva Piezometria e gradiente Caudal e velocidade (K) Condutividade hidráulica (T) Transmissividade (h) Nível piezométrico (i) Gradiente hidráulico (Q) Caudal (v e ) Velocidade efectiva de circulação e velocidade de Darcy (v) Porosidade Propriedade que os solos e as rochas têm de possuir poros ou cavidades. É um parâmetro adimensional, exprime-se, normalmente, em %: n = (V v / V t ) x 100 V v = volume de vazios que é ocupado por fluidos ( m 3 ) V t = volume total ocupado pelo solo ou rocha ( m 3 ) Porosidade Porosidade Primária: características intrínsecas à formação da rocha, à sua génese. Porosidade Secundária: originada por processos posteriores à sua formação. Fracturação no caso dos basaltos e granitos, cavidades por dissolução, nos calcários. Os factores secundários podem actuar nos dois sentidos, aumentando ou diminuindo o volume de vazios.

5 1. A porosidade depende da homogeneidade dos grãos: Se os grãos são de dimensão variada, a porosidade tende a ser menor do que num caso de grãos uniformes, uma vez que os grãos menores ocupam os espaços vazios entre os maiores. 2. A porosidade depende do arranjo dos grãos: Para a mesma dimensão e forma, a porosidade varia com a geometria do arranjo dos grãos: Areias ou cascalheiras bem calibrados % Areia e cascalhos misturados 20 35% 3. A porosidade depende da dimensão dos grãos: Em geral, quanto menor a granulometria (tamanho dos grãos), apesar do volume de cada poro ser menor, o somatório de todos os poros confere à rocha uma maior a porosidade. Valores médios de porosidade Intervalo de valores de porosidade Davis (1969) n (%) Depósitos não consolidados Cascalho Areia Silte Argila Rochas Basalto fracturado 5 50 Calcário carsificado 5 50 Arenito 5 30 Calcário, dolomito 0 20 Xisto argiloso 0 10 Rocha cristalina fracturada 0 10 Rocha cristalina densa 0 5

6 Porosidade Na zona saturada a água subterrânea preenche todos os vazios, portanto, a Porosidadeé uma medida directa da água contida por unidade de volume: n = (V v / V t ) Porosidade eficaz (n e ) No entanto não está disponível para o escoamento toda a água contida no volume de vazios: o meio poroso, devido às forças de tensão superficial, retém água contra a força gravítica. A porosidade eficaz, n e corresponde ao espaço ocupado pela água gravítica ou livre, a que está disponível para o fluxo. Cedência específica é a água que drena por gravidade, é sinónimo de porosidade eficaz. É o quociente entre o volume de vazios disponível para o escoamento, V e (volume de água drenada), e o volume total da rocha: n e = (V e / V t ) x 100 Retenção específica (n r ) Dado que não está disponível para o escoamento a totalidade da água contida no volume de vazios, o meio poroso retém água contra a atracção gravítica; A retenção específica, n r, corresponde ao volume de água que fica retida no solo contra a força da gravidade, corresponde à capacidade de campo. É o quociente entre o volume de água retida, V r, e o volume total da rocha: n r = (V r / V t ) x 100 Então: n = n r + n e n, porosidade n r, retenção específica n e, cedência específica Aretenção específica aumenta com a diminuição da granulometria das partículas -uma argila pode ter uma porosidade de 45% com uma retenção específica de 40%

7 Lei de Darcy: Q = K A (Δh/ l) Condutividade hidráulica ou Coeficiente de permeabilidade, K O coeficiente de permeabilidade K, da lei de Darcy, tem dimensões de uma velocidade e não é apenas uma característica intrínseca do meio geológico, pois depende, também, das características do fluído que atravessa a rocha (água, petróleo, gás). Condutividade hidráulica é a maior ou menor facilidade com que um aquífero se deixa atravessar pela água, em m/d, cm/s Darcy concluiu que para um meio poroso, ocaudal escoado éproporcional à áreada secção de escoamento e ao gradiente hidráulico (razão entre a diferença do nível de água entre dois pontos h, e a distância l, entre eles). No campo mede-se K através de ensaios de bombeamento No laboratório, com permeâmetros, mede-se a Permeabilidade ou permeabilidade intrínseca K i das rochas (característica exclusiva do meio poroso). Para obter a condutividade hidráulica multiplica-se pelas características do fluido (fórmula de Hazen) Pode escrever-se a Lei de Darcy, incluindo como coeficiente de proporcionalidade, entre avelocidade do fluxo (v) e o gradiente hidráulico (i), a condutividade hidráulica (K). A velocidade de circulação da água aumenta com um acréscimo de gradiente: Q = K A ( h/ l) Q = K A i Q/A = K i v = K i Q, caudal K, Condutividade Hidráulica [LT -1 ] A, área da secção transversal h, diferença de cota piezométrica l, distância i = h/ l, gradiente hidráulico v, velocidade de Darcy v = K i Dado que o volume efectivo de material disponível para a circulação é menor que o volume total que decorre da experiência de Darcy (toda a secção A e todo o comprimento L), a velocidade de Darcy não corresponde à verdadeira velocidade de circulação no terreno (V<V e ) v e = v/n e v e = (K i )/n e v e, é a velocidade efectiva ou velocidade real de circulação da água nos aquíferos n e, é a porosidade eficaz

8 Validade da lei de Darcy A lei de Darcy é válida apenas para escoamentos laminares (R e 4). R e = (V xd xρ) /μ R e é adimensional R e < 10 escoamento laminar 10 <R e < 60 escoamento misto R e > 60 escoamento turbulento d, é o tamanho médio das partículas V, é a velocidade de Darcy μ, é a viscosidade dinâmica ρ, éamassa específica A experiência tem mostrado que a lei de Darcy é válida apenas em condições em que as forças de viscosidade predominam. Estas condições verificam-se quando o nº de Reynoldsé menor do que 4. Isto significa que a lei de Darcy se aplica apenas em águas subterrâneas que se movam muito lentamente. Nas condições da maioriadas águas subterrâneas a velocidade é suficientemente baixapara que se possa aplicar a lei de Darcy. Excepções podem ser as rochas com grandes aberturas, tais como cavidades por dissolução e no interior de tubos de lava. Porosidade vs Condutividade hidráulica A conexão hidráulica entre os vazios é fundamental para que a uma porosidade elevada possa corresponder uma elevada permeabilidade É muito comum relacionar a condutividade hidráulica com a porosidade, o que nem sempre é correcto: Uma rocha porosa pode ter uma elevada condutividade hidráulica se os seus poros forem grandes e bem conectados (areias grosseiras e cascalheiras) ou ter uma condutividade hidráulica quase nula se os seus poros forem muito pequenos, retendo fortemente a água(argilas). Tipo de rocha Porosidade (%) Condutividade Hidráulica (m/d) Cascalheira 30 > 1000 Areia a 5 Argila 45 < 0.001

9 mais elevada Diminui com a diminuição da granulometria dos sedimentos mais baixa Condutividade hidráulicade rochas sedimentares, detríticas, desagregadas, em cm/s Diminui com a litificação dos sedimentos Aumenta com a fracturação das rochas Transmissividade Corresponde à capacidade de um aquífero para transmitir ou ceder água em toda a sua espessura saturada, expressase em m 2 /dia: T=Kxb K, condutividade hidráulica(m/d) b, espessura saturada do aquífero(m) A transmissividade é o parâmetro que mais condiciona o fluxo da água subterrânea sendo por isso o parâmetro hidrodinâmico mais usado na avaliação de recursos hídricos subterrâneos. Determina-se in situ através de ensaios de caudal em obras de captação. Captações de água subterrânea Entende-se por CAPTAÇÃO DE ÁGUA SUBTERRÂNEA qualquer dispositivo que permita extrair a água contida num sistema aquífero, quer seja por gravidade quer seja por bombagem, ou qualquer outro sistema de elevação: Furos Poços Galerias Nascentes

10 Tipos de captação Furos ou poços:tratam-se de captações cilíndricas, verticais, cujo diâmetro é muito menor do que a profundidade. São o tipo de captação mais frquente. A água penetra através das paredes laterais gerando fluxo radial. Há consumo de energia na sua extracção Captações no Porto Santo: nora e furo com galeria Galerias: tratam-se de perfurações sub-horizontais de grande diâmetro (1,5x2m) com uma profundidade muito maior do que o diâmetro (comprimentos desde 500m a 3000m ou até interceptarem o nível de saturação). São captações muito dispendiosas. A água penetra ao longo da obra criando um fluxo aproximadamente paralelo e horizontal. A água captada circula por gravidade.

11 Nascentes: não requerem obras de captação, uma vez que a água drena naturalmente, devido à intercepção do nível freático com a superfície topográfica. Na Madeira, existe um sistema de canais, as levadas, que recolhem e transportam a água das nascentes. Ensaios de bombeamento Objectivos: 1. Determinar os parâmetros hidráulicos do aquífero 2. Definir o regime de exploração 3. Testar o estado de construção da captação Valores de condutividade hidráulica de aquíferos Valores de transmissividade de aquíferos K (m/dia) Classificação T (m 2 /dia) Classificação K 10-2 muito baixa 10-2 K 1 baixa 1 K 10 média 10 K 100 alta K > 100 muito alta T 10 muito baixa 10 T 100 baixa 100 T 500 média 500 T 1000 alta T > 1000 muito alta