Hidrogeologia Ambiental -...
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Hidrogeologia Ambiental
Gary Wealthall
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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 co-authored guidance on investigation and conceptual site model development for DNAPLs and LNAPLs, and is an expert in fractured rock hydrogeology.”
Dr. Gary Wealthall
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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
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Introdução
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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
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O Ciclo Hidrológico
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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
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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
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Sistemas de Águas Subterrâneas
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Sistemas de Águas Subterrâneas
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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
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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
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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
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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)
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Gradiente hidráulico (medido nos poços)
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Gradiente Horizontal
Gradiente Vertical
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Recarga e Descarga
• Fluxos de Água Subterrâneas – Descendente em áreas de Recarga, e
– Ascendente em áreas de Descarga
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Linhas de Fluxo de Águas Subterrâneas
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Uso de Águas Subterrâneas
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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
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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.
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• Alta, ou localizada, a extração de água subterrânea pode mudar a direção do fluxo da água subterrânea, movendo-se, assim, contaminantes para locais inseguros
Problemas nas águas subterrâneas
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• 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
Problemas nas águas subterrâneas
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• 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
Problemas nas águas subterrâneas
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Descrição dos Aquíferos e Aquitardes
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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
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Caracterização do Fluxo de Águas Subterrâneas
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Lei de Darcy
A lei de Darcy fornece uma descrição precisa do fluxo de água subterrânea em quase todos os ambientes hidrogeológicos
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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.
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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
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Lei de Darcy
Aparelho experimental
K = Condutividade Hidráulica
Q ∝ A Q ∝ Δh
Q ∝ 1/L
Q ∝ A Δh/L
Q=-KAI
where I = Δh/L
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K representa uma medida da capacidade de fluxo através de meios porosos
Faixa de Condutividade Hidráulica (K)
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V (L/T) Q taxa de descarga (L3/T)
Área de seção transversal (L2)
A
Q = V*A (continuity equation)
Velocidade de Darcy = Descarga Específica
=
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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
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Velocidade de Darcy
Velocidade de infiltração
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Velocidade de infiltração v (L/T) = Q (L3/T)
A n (L2)
mas Q = K i A (Lei de Darcy)
n K i
A n K i A
então v = =
Velocidade de infiltração
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n = porosidade (adimensional)
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v = Velocidade média linear [L/T]
K = Condutividade hidráulica [L/T]
ne = Porosidade efetiva [L3/L3]
h/ l = Gradiente hidráulico [L/L]
Velocidade média linear
35
- v = K ne
h l
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Velocidade de fluxo das águas subterrâneas
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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
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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
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Solução (Velocidade de Darcy)
• Área da seção transversal
A =30x5000 = 15x104 m2
• Gradiente hidráulico
I = (55-50)/1000 = 5x10-3
• Taxa de fluxo
Q=KAI = (50 m/dia)(15x104 m2)(5x10-3) = 37,500 m3/dia
• Velocidade de Darcy
V = Q/A = (37,500m3/dia)/(15x104 m2) = 0.25m/dia
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Solução (Velocidade de Infiltração e Tt)
• Velocidade de Infiltração
Vs = 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
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Estimated groundwater residence times
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A heterogeneidade resulta em uma variedade de características de fluxo e transporte em sistemas naturais
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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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