Impacto da qualidade da água subterrânea nas águas superficiais e ecossistemas associados

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1 Tema da aula: Impacto da qualidade da água subterrânea nas águas superficiais e ecossistemas associados M. Teresa Condesso de Melo (teresa.melo@ist.utl.pt)

2 Factores ambientais dinâmicos que regulam grande parte da estrutura e funcionamento dos ecossistemas de água doce: 1. Fluxo de água (detemina aslinhase velocidades d de fluxo) 2. Sedimentos e a matéria orgânica (produzem e armazenam os nutrientes que abastecem a vida animal e vegetal) 3. Temperatura e penetração de luz (regula as velocidades dos processos metabólicos, e portanto da produtividade metabólica dos organismos aquáticos) 4. Condições químicas e de nutrientes (determinam a produtividade animal e vegetal, regulam o ph e outras condições químicas que condicionam a vida animal/ vegetal) 5. Associações animais e plantas (influencia directamente a velocidade dos principais processos nos ecossistemas)

3 Importância da água subterrânea na influência dos factores ambientais dinâmicos que regulam grande parte da estrutura e funcionamento dos ecossistemas de água doce: 1. Fluxo de água A água subterrânea garante fluxo linhas de água durante períodos secos (verão) 2. Sedimentos e a matéria orgânica As zonas de descarga de água subterrânea podem levar à deposição de sedimentos e à precipitação de novos sedimentos (Fe(OH) 3 ecaco 3 ) 3. Temperatura e penetração de luz Dd Dado queaágua subterrâneatemumatemperaturaaproximadamente constante, contribui para arrefecer as águas superficiais no verão, e arrefece las no inverno. Do ponto de vista da penetração da luz, as águas subterrâneas podem afectar a turbidez de uma água superficial.

4 Importância da água subterrânea na influência dos factores ambientais dinâmicos que regulam grande parte da estrutura e funcionamento dos ecossistemas de água doce: 4. Condições químicas e de nutrientes A água subterrânea como principal fonte nutrientes (C, N,S,P). 5. Associações animais e plantas Movimentação de micro organismos para colonizar as massas de água superficiais.

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7 1. Composição química da água subterrânea A água subterrânea contém grande variedade de constituintes químicos inorgânicos dissolvidos, devido a: Interacções (biogeo)químicas entre a água, o solo e a atmosfera Interacções (biogeo)químicas entre a água e os materiaisgeológicos Influências humanas, sobretudo negativas (contaminação) A maioria dos constituintes encontra se na forma iónica na água; os iões são classificados de acordo com a concentração em que são geralmente encontrados: Iões maiores (> 1 mg/l): catiões: Na +, Ca 2+, Mg 2+ aniões: Cl, SO 2 4, HCO 3 Iões menores (0,01 10,0 mg/l): K +, Fe 2+, Sr 2+, B 3+, NO 3, F, CO Iões vestigiários (< 0,1 mg/l): Fe 3+, Al 3+, Cu 2+, Zn 2+, NH 4+, NO 2, etc.

8 1. Composição química da água subterrânea (cont.) Outros constituintes com importância na água subterrânea são os constituintes orgânicos e os gases dissolvidos (N 2, O 2, CO 2, CH 4, etc.). Asconcentrações dos vários constituintes na água são controladas fundamentalmente por: Disponibilidade nos solos e nas rochas, por onde a água circula; Factores geoquímicos: solubilidade dos minerais, capacidade de adsorção e troca iónica, cinética dos processos; A sequência pela qual a água entrou em contacto com os diversos minerais das rochas por onde a água circula; Influências humanas, que fazem com que certos constituintes menores e vestigiários, passem para concentrações com ordens de grandeza superiores às consideradas normais.

9 2. Parâmetros que caracterizam a água Conteúdo total de sólidos dissolvidos (TSD) Inglês: TDS total dissolved solids: determinado pesando o resíduo sólido que se obtém após secagem de uma amostra de água de volume conhecido e convenientemente filtrada. Unidades: mg/l; >2000 mg/l: água imprópria para consumo. Condutividade eléctrica (CE) Inglês: EC electrical conductivity: capacidade da água de se deixar atravessar pela corrente; indica o conteúdo em sais dissolvidos. A água pode ser vista como uma solução electrolítica: quase todos os constituintes maiores e menores estão presentes sob forma iónica. Unidades: µsiemens/cm, µs/cm (ms/m).

10 2. Parâmetros que caracterizam a água (cont.) Alcalinidade Inglês: Alkalinity: capacidade da água em neutralizar ácidos. Deve se principalmente aos carbonatos e bicarbonatos e, secundariamente, aos iões hidróxidos, silicatos, boratos, fosfatos e amónia. Alk Σ[HCO 3, CO 2 3 ], ph < 8: Alk [HCO 3 ] Unidades: mg/l ou meq/l CaCO 3 Dureza Inglês: hardness: soma das concentrações dos catiões metálicos multivalentes, Σ[Ca[ 2+, Mg 2+, Fe 2+ ] Dureza temporária: compensada pela concentração de HCO 3, removida por fervura Dureza permanente: em excesso relativamente ao HCO 3, compensada pela concentração de Cl, SO 2, NO 4 3 Unidades: mg/l ou meq/l CaCO 3, graus de dureza

11 2. Parâmetros que caracterizam a água (cont.) Potencial redox (Eh) Inglês: redox potential: mede a intensidade e sentido das reacções de oxidaçãoredução de uma água, i.e. a tendência de perder ou adquirir electrões, quando a suacomposição se altera. Unidades: volts (V)

12 3. Unidades de concentração As concentrações dos constituintes na água podem ser dadas em várias unidades. Um exemplo é mg/l ou µg/l, mas outras unidades são utilizadas frequentemente, por darem uma melhor ideia das concentrações relativas dos iões na água. mmol/l: provêm de moles por m 3, unidades do SI x 6,022 x (número de Avogadro) = quantidade de moléculas (iões) por m 3 de solução. A PM iões/litro mol/l g/l A PM Onde: A = Número de Avogadro PM = Peso Molecular (g/mol)

13 3. Unidades de concentração (cont.) meq/l: mili equivalentes por litro, unidades obtidas multiplicando a concentração de um ião em mmol/l pela sua carga eléctrica Útil para representar a distribuição das cargas na solução. Frequentemente utilizadas em representações gráficas de composições químicasdaságuassubterrâneas. subterrâneas.

14 catiões + aniões E.N. (%) = 100 catiões aniões 4. Precisão das análises químicas A conversão das unidades parameq/l serve também paracontrolar a precisão de uma análise, uma vez que a soma dos catiões e aniões em meq/l, ou seja, a soma de todas as cargas positivas e negativas deve ser 0 (água não tem carga). Para analisar a precisão de uma análise, pode se calcular a electroneutralidade (E.N.): Geralmente é suficiente incluir os catiões e aniões maiores no cálculo da E.N.. Valores de E.N. (também denominada erro da análise ) até 2 % (e 2 %) são inevitáveis no laboratório. Frequentemente aceitam se erros até ( )5 %. Para valores superiores a 5 % (ou inferiores a 5 %) há que se rever a análise.

15 4. Precisão das análises químicas (cont.) Outra técnica de controlo da qualidade da análise consiste na comparação do somatório dos aniões ou catiões com a condutividade eléctrica (CE) medida, com base na seguinte relação simplificada: Σcatiões = Σaniões = CE/100 com asconcentrações expressasem em meq/l e CE em µs/cm. Esta relação é válida até valores de CE de cerca de 2000 µs/cm. Grandes desvios à esta relação revelam erros na análise ou na medição da condutividade eléctrica.

16 5. Representação gráfica da composição química A representação gráfica de uma composição química aumenta significativamente a sua visualização e permite estudá la com mais facilidade e rapidez. Existem várias técnicas de representação gráfica de uma ou mais análises químicas. Gráfico em coluna Representam se os iões em duas colunas adjacentes (unidas), a partir de uma base comum. A coluna da esquerda representa os catiões, a coluna da direita os aniões. A altura das colunas é proporcional à soma total dos catiões e aniões em meq/l, representados nas respectivas colunas. Cada ião ocupa uma parte na coluna, conforme a sua concentração em meq/l. O gráfico resultante também é denominado diagrama de Collins. K + Na + Mg 2+ Ca 2+ NO 3 - Cl - SO 4 2- SO 4 HCO 3 -

17 5. Representação gráfica da composição química (cont.) Diagrama circular Neste caso, os iões maiores são representados num círculo com raio proporcional à soma total dos iões (em meq/l) representados no diagrama. Divide se o círculo em duas metades. Na metade superior representam se os catiões e na metade inferior os aniões. A área de cada um dos iões dentro do círculo é proporcional à sua concentração relativa (em % de meq/l). Ca Mg Na + K + NO 3 - HCO - 3 Cl - SO

18 5. Representação gráfica da composição química (cont.) Diagrama Stiff Diagrama muito utilizado. K (10 x) Na+K Cl Consiste num polígono que contorna tê três ouquatro rectas paralelas, ll igualmente espaçadas, cortadas por uma normal, dando assim três ou quatro semirectas à esquerda (catiões) e três ou quatro semirectas à direita (aniões). O comprimento das semirectas é proporcional à concentração em meq/l dos respectivos iões que representam. Existem variantes do diagrama consoante a disposição e ordenação dos iões. Na variante aqui utilizada, a semirecta superior esquerda representa a soma das concentrações de Na + ek +, e o pequeno traço vertical por cima da recta indica até onde chegaaconcentração do K +. As concentrações de NO 3 efe 2+ também são incluídas neste diagrama. A escala do diagrama está indicado, tal como um factor de aumento do diagrama. Mg Ca Fe HCO3 NO3 1 cm = 1,0 meq/l SO4

19 5. Representação gráfica da composição química (cont.) Diagrama Piper O diagrama Piper é um dos diagramas mais aplicados, com vantagem de se poder representar mais que uma amostra. O diagrama consiste em dois diagramas triangulares que representam as concentrações relativas (% da soma total em meq/l) dos catiões e aniões, e num diagramacentral losangular que combina os dois diagramastriangulares. Primeiro, projectam se as concentrações relativas dos catiões (Ca 2+,Mg 2+ e(na + +K + )), no diagrama da esquerda, depoisasconcentrações relativas dos aniões (HCO 3 SO 2, 4 e Cl ) no diagrama da direita. A seguir, os pontos são transferidos para o diagrama central, traçando linhas paralelas aos limites exteriores, até estas se intersectarem. A sua intersecção resulta no ponto final no diagrama central

20 5. Representação gráfica da composição química (cont.) Diagrama Piper Do diagrama Piper existe apenas um único modelo. Fácies hidroquímica: Água cloretada sódicomagnesiana Fácies hidroquímica: Água bicarbonatada cálcica Ca (60%); Na (20%); Mg (20%) Ca (20%); Na (40%); Mg (40%) Cl (40%); HCO 3 (60%); SO 4 (0%) Cl (60%); HCO 3 (20%); SO 4 (20%)

21 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa Infiltração da água da chuva Emzonascosteirasaáguadaprecipitaçãotemasuaorigemmaioritariamentenaágua do mar e a sua composição química resulta da deposição da humidade e dos aerossóis marinhos. Por não existir fraccionamento dos constituintes maiores na água, a composição relativa da precipitação é idêntica à da água marinha (mas fortemente diluída). Durante o seu transporte sobre a terra, as massas de ar e as nuvens apanham poeiras e gases de origem natural e industrial, modificando assim a composição da água da chuva. Depois da precipitação ocorrer, a água da chuva está sujeita a evaporação e transpiração (pelas plantas); a evapotranspiração induz um factor de aumento da mineralização, não alterando porém a concentração relativa dos iões na água. Asrazõesentreosváriosiõesmantêm se constantes. São precisamente algumas destas razões que são bons indicadores dos processos hidrogeoquímicos.

22 Distribuição das isolinhas de 6.0 cloretos água da chuva de Portugal Continental: <2.0 o oceano é a fonte de cerca de 30% da água de precipitação continental junto à linha de costa a água da chuva é água do mar diluída as concentrações dos diversos elementos na água chuva variam durante o seu transporte em terra devido a razões diversas (evaporação, contaminação, combustão, mistura com o pó, gases, etc)

23 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Infiltração da água da chuva OiãoCl é considerado um ião conservativo: a concentração não é alterada por outros processos hidroquímicos. Por esta razão pode ser utilizado para calcular o factor de aumento induzido pela evapotranspiração e consequentemente para estimar a precipitação efectiva, ou seja, a % da água da chuva que chega ao aquífero: P - [Cl ] água da chuva 1 efectiva = 100 % = - [Cl ] Factor de aumento água subterrânea 100 % Multiplicando as concentrações dos outros iões maiores na água da chuva pelo factor de aumento, obtém se a composição conservativa da amostra de água subterrânea. Comparando a comasuacomposiçãoreal,obtém se uma ideia de quais os iões afectados por processos (bio)químicos.

24 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Dissolução de calcite Entre os processos que afectam a água que se infiltrou destaca se a dissolução de minerais presentes no solo e na rocha. A presença de minerais solúveis depende do tipode solo/rocha que a águaatravessa. atravessa Um mineral encontrado em abundância nos solos e nas rochas calcárias, é calcite. A sua dissolução contribui significativamente para a composição de muitas águas subterrâneas. Na ausência de CO 2, a reacção de dissolução de calcite pode ser escrita da seguinte maneira: CaCO 3 (s) Ca 2+ (aq) + CO 2 3 (aq) s = sólido K = [Ca 2+ ][CO 2-3 ] = 10 8,3 aq = em solução (aquosa) [Ca 2+ ] e [CO 2 3 ] são as actividades dos iões, que aqui se consideram iguais às concentrações em mol/l. K = constante de equilíbrio, indica a solubilidade do mineral, que diminui com o aumento da temperatura.

25 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Dissolução de calcite Uma vez que a reacção acima estabelecida representa transferências de massas molares, é possível deduzir que a dissolução de 1 mmol CaCO 3 resulta em 1 mmol Ca 2+ e 1 mmol CO 2 3 na água. ApresençadeCO 2 dissolvido na água aumenta significativamente a solubilidade de calcite. O CO 2 no solo provém da respiração da vegetação e da degradação da matéria orgânica. Por essa razão, a pressão de CO 2 (P CO2 ) no solo é superior à pressão na atmosfera. Dissolvido na água, CO 2 forma ácido carbónico (CO 2 +H 2 O H 2 CO 3 ), que por sua vez fornece protões (H + ) que se podem associar a CO 2 3 (proveniente da dissolução de calcite) para formar HCO 3.Emfórmula: CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 (aq) g = gasoso [Ca ][HCO ] l = líquido 3 5,8 K = = 10 s = sólido P CO 2 Note se que: Ca 2+ /HCO 3 = 0,5 numa água em que houve (unicamente) dissolução de calcite.

26 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Intrusão marinha Em zonas costeiras, a sobre exploração dos aquíferos, para fins de consumo ou de rega agrícola, pode causar grandes rebaixamentos no potencial hidráulico, aumentando o risco de a água do mar entrar nos aquíferos e se misturar com a água doce (de baixa mineralização) residente. Este processo designa se por intrusão marinha. O fenómeno de intrusão marinha aumenta consideravelmente a mineralização da água subterrânea, o que se pode observar sobretudo nas concentrações de Na + ecl, os principais iões na água do mar. A mistura das águas não é conservativa, ou seja, induz várias ái reacções geoquímicas, que podem ser descobertas através dos ganhos ou das perdas em concentração dos iões na água após mistura. Calcula se a fracção de água marinha numa amostra com base na concentração de Cl, o ião conservativo, da seguinte maneira:

27 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Intrusão marinha Calcula se a fracção de água marinha numa amostra com base na concentração de Cl, o ião conservativo, da seguinte maneira: f mar = m Cl,amostra m Cl,mar m m Cl,água Cl,água doce doce m Cl,amostra, mcl,água doce em Cl,mar concentrações de Cl na amostra, em água doce e na água do mar, respectivamente.

28 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Intrusão marinha A concentração de um ião i na mistura conservativa de água doce e água do mar (ou seja, sem haver reacções geoquímicas), seria: m i,mist = f mar m i,mar + (1 f mar ) mi,água doce m i,mist i, m i,mar, m iá i,água doce : concentrações do ião i na mistura, na água do mar e na água doce, respectivamente (mmol/l). A mudança da concentração de um ião i resultante de reacções geoquímicas (não só de mistura), é calculada da seguinte forma: m i,reac = m i,amostra m i,mist m i,reac é a mudança da concentração do ião i m i,amostra a concentração do ião i na amostra.

29 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Troca catiónica Os solos e os aquíferos contêm vários ái materiais ii que conseguem retirar catiões da água por adsorção, incluindo argilas, matéria orgânica e hidróxidos. Estes materiais são chamados os permutadores do aquífero e encontram se em equilíbrio com a água subterrânea. Quando a composição da água subterrânea é alterada (por exemplo por intrusão marinha), o equilíbrio de catiões entre o material do aquífero e a água é perturbado. Os permutadores conseguem restabelecer bl o equilíbrio i através de troca catiónica, i libertando certos catiões à água e retirando outros. Quando na composição de água doce predominam os iões Ca 2+ ehco 3,devidoà dissolução de calcite, os permutadores no aquífero têm em maioria Ca 2+ adsorvido às superfícies. Quando se dá intrusão de água marinha num aquífero de água doce, os permutadores começam a restabelecer o equilíbrio quebrado. A reacção de troca catiónica: Na + +½Ca X 2 Na X+½Ca 2+, X = permutador do solo (argila ou m.o.).

30 6. Evolução hidrogeoquímica da água exemplo de uma zona junto à costa (cont) Troca catiónica Como consequência, a água no aquífero passa a ter menos Na + e mais Ca 2+. A razão Na + /Cl começa a descer para valores inferiores a 0,86, o valor típico na água marinha, mas também nas águas subterrâneas em zonas costeiras que provêm directamente das águas de chuva. O aumento da concentração de Ca 2+ na água aumenta também a razão Ca 2+ /HCO 3. Se antes da troca catiónica e enriquecimento em Ca 2+, a água já se encontrava saturada relativamente a calcite (CaCO 3 ), esse enriquecimento provoca a precipitação do mineral: Ca 2+ (aq) + 2HCO 3 (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) O Ca 2+ e o Na + geralmente são os principais catiões que participam no processo de troca catiónica, uma vez que são os catiões dominantes na água doce e água marinha, respectivamente. No entanto, outros catiões, como o Mg 2+, K +, NH + 4+ também podem participar.

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