CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS SOLOS E INTERAÇÃO COM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS

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1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS SOLOS E INTERAÇÃO COM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 2 Vagner R. Elis Produção e destinos de resíduos urbanos: problemas de contaminação ambiental 2.1 Introdução 2.2 Propriedades físicas dos solos 2.3 Conclusão Referências Licenciatura em Ciências USP/ Univesp

2 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo Introdução Nesta aula será apresentada a classificação dos solos de acordo com a granulometria, como os fluidos (ar e água) se movimentam nos solos e as principais propriedades físicas dos solos. 2.2 Propriedades físicas dos solos Dependendo dos constituintes, os solos podem ter comportamento diferenciado. Por exemplo, os solos granulares que são os compostos por areia e pedregulho, têm a ligação entre as partículas controladas pela força gravitacional. Os solos finos, constituídos por partículas argilosas e siltosas, são influenciados pelas forças de ligação existentes entre as partículas laminares. Na Figura 2.1 é apresentada a escala granulométrica utilizada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas, de acordo com a norma ABNT NBR 7181/1984 (ABNT, 1984). Figura 2.1: Escala granulométrica (ABNT NBR 7181/84). Os solos, em sua condição natural, são constituídos de três fases: Fase sólida, representada pelas partículas minerais (sólidos); Fase líquida, representada pela água que ocupa parte dos vazios dos solos os poros; Fase gasosa, representada pelo ar que também ocupa os poros. As relações entre essas três fases possibilitam a determinação de índices físicos importantes para a caracterização de solos. Na Figura 2.2 são apresentadas, esquematicamente, as grandezas envolvidas na determinação dos índices físicos. Produção e destinos de resíduos urbanos: problemas de contaminação ambiental

3 14 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo 6 Figura 2.2: Massas e volumes das fases constituintes do solo. Como referido acima, os índices físicos são obtidos de relações entre as massas e volumes das fases constituintes do solo. Os índices físicos dos solos são a porosidade, o índice de vazios, o grau de saturação e o teor de umidade, que podem ser obtidos pelas relações a seguir: Porosidade (%) n = V v /V 2.1 Índice de vazios e = V v /V s 2.2 Grau de saturação (%) Sr = V w /V s Características físicas dos solos e interação com águas subterrâneas

4 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo 6 15 Teor de umidade (%) w = M w /M s 2.4 Também são obtidas outras relações importantes, como a massa específica natural, massa específica dos sólidos e massa específica da água: Massa específica natural (g/cm 3 ) γ = M/V 2.5 Massa específica dos sólidos (g/cm 3 ) γ s = M s /V s 2.6 Massa específica da água (g/cm 3 ) γ w = M w /V w 2.7 Todos os índices físicos podem ser obtidos a partir de ensaios de laboratório específicos em amostras de solo. Maiores informações sobre como esses ensaios são realizados podem ser obtidas em Gandolfi et al. (1983). Os índices físicos são importantes para estabelecer relações entre o solo e seu possível uso dentro do contexto de áreas de disposição de resíduos, por exemplo, como material a ser compactado para apresentar baixa permeabilidade e ser utilizado dentro do sistema de impermeabilização de base, ou solo de cobertura do aterro. A interação água-solo tem importância fundamental no âmbito da problemática de contaminação ambiental. A água existente nos poros de solos e rochas é que permite que os contaminantes sejam carreados para locais fora da fonte de contaminação, ou seja, a água é o principal veículo de transporte dos contaminantes. A propriedade física que se relaciona com o movimento das águas subterrâneas é a permeabilidade. O movimento das águas subterrâneas em meios porosos pode ser estudado e analisado Produção e destinos de resíduos urbanos: problemas de contaminação ambiental

5 16 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo 6 pela Lei de Darcy (Freeze and Cherry, 1979). Para entender a Lei de Darcy, deve-se considerar o experimento realizado pelo francês Henry Darcy para analisar o fluxo de água através de areias. O aparato e os parâmetros utilizados nesse experimento são mostrados na Figura 2.3. Os resultados desse experimento podem ser generalizados como a lei que levou o nome de seu autor e é mundialmente utilizada para estudar o fluxo de água em meios porosos. O aparato experimental é composto de um cilindro de seção transversal A preenchido com areia, fechado em suas extremidades e equipado com tubo de influxo e defluxo (entrada e saída de líquidos) e um par de manômetros. A água é introduzida no cilindro, preenchendo os poros dentro dele, até o momento em que a taxa de influxo Q seja igual à de defluxo. Estabelecendo-se um datum arbitrário z, as elevações das entradas dos manômetros são z 1 e z 2 e as alturas dos níveis de fluido são h 1 e h 2. A distância entre as entradas dos manômetros é l. Figura 2.3: Aparato experimental para ilustrar a Lei de Darcy. A velocidade de transporte ou velocidade de Darcy (V D ) através do cilindro é definida como: V D = Q /A 2.8 Usando as dimensões de Q em cm 3 /s e de A em cm 2, V D tem as dimensões de uma velocidade cm/s (como já referido, velocidade de Darcy). 2 Características físicas dos solos e interação com águas subterrâneas

6 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo 6 17 No experimento, V D é diretamente proporcional a h 1 - h 2 quando l é constante, e inversamente proporcional a l quando h 1 - h 2 é constante. A Lei de Darcy pode ser escrita como: V D = K h /Al 2.9 Nessas equações, h é a carga hidráulica e h/ l é o gradiente hidráulico, representado por i. k é a constante de proporcionalidade, conhecida por permeabilidade, que é uma propriedade do solo no cilindro. Como h e l têm unidade de comprimento (cm), k tem as dimensões de uma velocidade (cm/s). Uma forma alternativa da Lei de Darcy muito utilizada é a substituição dos termos na equação, obtendo-se: Q = k i A 2.10 A permeabilidade é uma propriedade física que expressa a maior ou menor facilidade que a água tem de fluir por meio dos vazios (poros) do solo ou das rochas. Como visto no experimento de Darcy e trazendo para a natureza, a água presente nos vazios irá fluir sob a ação da gravidade quando submetida a um potencial hidráulico. Nos solos de granulometria grossa, as forças de superfície nas partículas são de pequena intensidade, o que permite maior facilidade de percolação da água. Já nos solos finos silitosos e argilosos existem forças de superfície de grande intensidade nos argilo-minerais, de forma que a atração entre as partículas resulta em altas pressões na água. Assim, a água é adsorvida, sendo menor a facilidade de percolação. Por isso, a permeabilidade apresenta altos valores para areias e conglomerados e baixos valores para siltes e argilas. Embora neste texto o solo seja objeto de maior destaque, as propriedades físicas porosidade e permeabilidade das rochas também podem ser importantes no caso de o fluxo de contaminantes atingir a rocha inalterada. Da mesma forma que para os solos, a porosidade das rochas pode ser definida como a fração do volume total de uma rocha que é constituída por vazios. De forma um pouco diferente dos solos, ela pode ser devida aos espaços intergranulares (poros) comuns nas rochas sedimentares ou aos espaços originados por fraturamento e xistosidade nas rochas cristalinas. Produção e destinos de resíduos urbanos: problemas de contaminação ambiental

7 18 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo 6 Os fatores que influenciam a porosidade das rochas são: a. Seleção: a seleção refere-se à maior uniformidade dos tamanhos dos grãos constituintes das rochas. Por exemplo, rochas sedimentares bem selecionadas (que têm os grãos de dimensões aproximadamente iguais) tendem a ter porosidade maior que rochas mal selecionadas, pois os grãos menores tendem a se acomodar entre os maiores, preenchendo vazios. b. Forma dos grãos: rochas com grãos mais arredondados tendem a apresentar maior porosidade. c. Compactação: quanto maior o grau de compactação, tanto menor o número de vazios. d. Disposição: tamanho e forma das partículas. Por exemplo, as argilas tendem a ter disposição caótica e baixa compactação, podendo apresentar porosidade de 85%. Por outro lado, areia muito fina com grãos bem organizados tende a apresentar porosidade da ordem de 40% e areia grossa, da ordem de 50%. A porosidade tem influência na permeabilidade das rochas. Como visto acima, as argilas tendem a ser mais porosas que as areias, porém, normalmente, os poros das argilas não têm comunicação entre si. Assim, surge o conceito de porosidade efetiva que é caracterizada pelos poros que possuem interligação entre si. A porosidade efetiva tem uma relação mais próxima com a permeabilidade, pois somente os poros interligados permitirão o fluxo de água. Por isso, as rochas arenosas são mais permeáveis que as rochas argilosas. Também é importante aqui inserir os conceitos de porosidade primária e porosidade secundária. A porosidade secundária é aquela relacionada à rocha durante a sua formação, ou seja, os vazios existentes entre os grãos minerais. A porosidade primária é aquela adquirida pela rocha depois de sua formação, caracterizada por fraturas e fissuras e também por vazios causados por dissolução de minerais nas rochas carbonáticas. 2.3 Conclusão As propriedades físicas dos solos e a presença de água dentro dos poros são importantes pois são condicionantes naturais que afetam a capacidade do meio físico permitir ou atenuar o fluxo de contaminantes originados em depósitos de resíduos. Na próxima aula serão discutidos como os solos e águas subterrâneas são afetados por substâncias contaminantes. 2 Características físicas dos solos e interação com águas subterrâneas

8 Licenciatura em Ciências USP/Univesp Módulo 6 19 Agora é sua vez... Após a leitura do texto de referência, realize as atividades online para verificar o seu aprendizado. Bons estudos! Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo Análise Gralumométrica. Rio de Janeiro: ABNT, p. Freeze, R. A.; Cherry, J.A. Groundwater. New Jersey, U.S.A: Prentice-Hall, 604 p, Gandolfi, N.; Paraguassu, A. B.; Rodrigues, J. E.; Marino, L.; Mattielo, F. Ensaios de Laboratório em Geologia. São Paulo: Escola de Engenharia de São Carlos USP, p. Ensaio. Produção e destinos de resíduos urbanos: problemas de contaminação ambiental