Pretende-se que a modelação de um sistema aquífero seja a representação das características (todas ou em parte) da circulação da água em profundidade.
Os circuitos dos recursos hidrominerais estimam-se que sejam longos e com elevados tempos de circulação (com milhares de anos).Tendo em conta que os sistemas são complexos, para a
conceptualização do modelo de um sistema aquífero será necessário conhecer dados de base referentes à geometria da bacia, balanço hidrológico, geomorfologia, geologia, parâmetros geohidráulicos, entre outros. De salientar que a perceção do modelo terá que ser consistente ao ponto de definir se “uma falha funciona hidraulicamente como dreno ou como uma barreira” Carvalho (2006).
De uma forma geral, é frequente que aos sistemas de circulação profunda se associem grandes acidentes tectónicos, ainda que sejam as estruturas locais que favoreçam localmente a ascensão dos fluidos hidrominerais e geotérmicos (Calado, 2001). As evidências que os modelos de circulação profunda estão associados às grandes estruturas tectónicas são segundo Carvalho (2006):
Enquadramento geomorfológico e estrutural;
Grandes anomalias geoelétricas (evidentes em diagrafias resultantes de ensaios geofísicos);
Caudais superiores aos normais (em relação a outras águas na envolvente);
Transmissividades altas (comparativamente a outros sistemas aquíferos “freáticos”);
Temperaturas superiores (em relação a outras águas na superfície).
Um modelo é tanto mais representativo quanto mais informação conseguir sintetizar (Barreiras, 2009). Se por um lado, compilar os dados não é tarefa fácil, a consulta de várias fontes resultará num modelo mais consistente.
Por forma a minimizar a complexidade na representação dos sistemas é frequente iniciar-se pela idealização do modelo conceptual. Este modelo que consiste na simplificação do modelo real e que é aplicado quando se dispõem poucos elementos do sistema (Custodio e Llamas, 2001). Ainda assim, no modelo conceptual deverão estar contemplados os principais fenómenos físicos do sistema, como por exemplo: fronteiras, enquadramento geológico e hidrológico, tipo de aquífero e eventualmente fatores que representam a ação humana no uso e ocupação do solo (Barreiras, 2009).
Assim, entende-se que a representação gráfica do sistema é determinante para a compreensão global do modelo (Figura 1.3), que geralmente é apresentado sob a forma gráfica de um mapa ou corte (2D) ou em “bloco” (3D).
É do senso comum, que a água apresenta-se na Natureza em constante movimentação. Assim como a água que circula em profundidade depende diretamente da forma como se infiltra no subsolo, logo se entende que a taxa de infiltração é um fator preponderante na recarga do aquífero subterrâneo.
A velocidade e o volume de infiltração dependem essencialmente do tipo de litologia (maciço mais ou menos permeável, mais ou menos fraturado), da cobertura vegetal (as raízes da
Modelo geohidráulico das águas sulfúreas da Bacia do Rio Dão
11 vegetação favorecem a circulação de água), da topografia (em declives suaves o escoamento superficial é menos veloz, logo a infiltração é favorecida), do volume de precipitação (chuva mais espaçada no tempo promove uma maior infiltração), e da ocupação e uso de solo (pavimentação, desmonte de vertentes, desmatação são exemplos de intervenções da ação humana que limitam a infiltração, ainda que em alguns casos possa haver recarga artificial).
Figura 1.3 - Exemplo de representação do modelo conceptual sob a forma de bloco de diagrama (modelo genérico, adaptado de Barreiras, 2009).
Para além da força gravitacional, o movimento da água em profundidade rege-se também pelas diferenças de pressão entre dois pontos (potencial hidráulico), exercida pela coluna de água sobrejacente aos pontos. A união de pontos com o mesmo potencial hidráulico define linhas equipotenciais do nível freático (Figura 1.4).
Figura 1.4 - Exemplo de representação de um modelo conceptual geohidráulico a partir de linhas de fluxo e potencial hidráulico em maciços de materiais homogéneos (adaptado de Doménico, 1990). Segundo Custodio e Llamas (2001), o movimento das partículas da água ao longo do sistema aquífero traduz-se pela seguinte equação diferencial:
(1.2) em que:
F representa a recarga do aquífero; Nível freático
Zona Impermeável
Superfície (relevo) Linhas de fluxo
Equipotenciais
h é nível piezométrico;
t traduz o tempo;
k representa a condutividade hidráulica;
Ss é o coeficiente de armazenamento específico.
Nesse sentido, da equação 1.2 depreende-se que para idealizar um modelo geohidráulico, para além da aplicação das leis que regulam o escoamento, é necessário a compilação de vários elementos característicos, em especial a geometria do sistema, os seus parâmetros hidráulicos (coeficiente de armazenamento, permeabilidade, porosidade, etc.), as áreas de recarga/descarga, possível relação com outros sistemas aquíferos (com águas de superfície, condições de fronteira/limite), balanço hidrológico e controlo de níveis piezométricos (Barreiras, 2009).
A evolução constante das tecnologias, em associação à necessidade de visualizar novas perspetivas do modelo, permite que se atualizem as metodologias e se criem novas tendências na representação gráfica (por exemplo com recurso a projeções 3D).
De uma forma genérica, podem ser considerados 3 grandes tipos de modelos: Modelos Físicos, Modelos Analógicos e Modelos Matemáticos. Estes distinguem-se entre si essencialmente pela forma como solucionam a equação diferencial (1.2):
Modelos Físicos (com reprodução à escala de sistemas aquíferos simples Figura 1.5);
Modelos Analógicos - consistem na resolução da equação diferencial aplicando o princípio de semelhança entre vários fenómenos da natureza que obedecem ao mesmo princípio físico (ainda que a escalas diferentes), logo matematicamente são semelhantes: Lei de Darcy, Lei de Ohm e Lei de Fourrier (Custodio e Llamas, 2001);
Modelos Matemáticos - aplicam complexas expressões matemáticas. Podem ser agrupados, quanto ao tipo de solução em Métodos Analíticos e Métodos Numéricos (apresentam soluções por aproximação iterativa; existem vários tipos de modelos entre os quais se destacam os de diferenças finitas, elementos finitos, volumes finitos, elementos de contorno).
No presente estudo, a simulação do modelo da Bacia do Rio Dão foi desenvolvida também através da metodologia do software- FEFLOW que se enquadra nos métodos numéricos através de soluções por iterações de elementos finitos.
A técnica do método dos elementos finitos baseia-se em substituir a equação diferencial de fluxo por outra função (h), aplicada para cada nível piezométrico, sendo a minimização desta função a solução aproximada da equação de fluxo inicial (Custodio e Llamas, 2001). Na Figura 1.6 apresenta-se uma representação da malha de elementos finitos aplicada a um aquífero (genérico).
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13 Figura 1.5 - Exemplo de modelos físicos, representando um aquífero livre e confinado (Alencoão et al., 2012).
Figura 1.6 – Representação esquemática da aplicação de uma malha de elementos finitos de um aquífero: i) mapa do aquífero com o campo de poços de observação e seus limites; ii) malha de elementos triangulares em que b representa a espessura do aquífero (adaptado de UNESP, 2010). A pesquisa bibliográfica resultou no compêndio de vários documentos que com temática semelhante (modelação hidrogeológica) mas de aplicação a outros sistemas hidrográficos e que possibilitaram otimizar as metodologias a aplicar no modelo em estudo. Neste sentido, para a conceptualização do modelo da Bacia do Rio Dão foram tidos em consideração os seguintes contributos (por ordem cronológica):
i) Calado (2001) em que desenvolveu um estudo em que apresentou considerações sobre as ocorrências de água sulfúrea alcalinas no Maciço Hespérico, em especial as que afloram em associação às rochas ígneas intrusivas. Apresentou também uma análise sobre a presença e origem das formas do enxofre (e outras anomalias químicas)
(a)
Figura 3.6. Representações de diferenças finitas e elementos finitos da região de um aquifero.
(a) Vista do mapa do aquifero mostrando o campo de poços, os poços de observação e seus limites.
(b) Grid de diferenças finitas com nós centrados no bloco, onde D é o espaçamento na direção , D é o espaçamento na direção e é a espessura do aquifero.
(c)
x x y y,
b
Grid de diferença finita com nós centrados na malha
(d) Malha de elementos finitos com elementos triangulares onde b é a espessura do aquifero
(Adaptado de MERCER & FAUST, 1980 apud WANG & ANDERSON, 1982). Nó de fonte/descarga Nó de fonte/descarga Nó de fonte/descarga y x b x y Rio Poço de observação Poço de bombeamento Limite do aquífero Campo de poços ( )c (b) Bloco de diferença finita x b y x y Elemento finito triangular b ( )d (a)
Figura 3.6. Representações de diferenças finitas e elementos finitos da região de um aquifero.
(a) Vista do mapa do aquifero mostrando o campo de poços, os poços de observação e seus limites.
(b) Grid de diferenças finitas com nós centrados no bloco, onde D é o espaçamento na direção , D é o espaçamento na direção e é a espessura do aquifero.
(c)
x x y y,
b
Grid de diferença finita com nós centrados na malha
(d) Malha de elementos finitos com elementos triangulares onde b é a espessura do aquifero
(Adaptado de MERCER & FAUST, 1980 apud WANG & ANDERSON, 1982). Nó de fonte/descarga Nó de fonte/descarga Nó de fonte/descarga y x b x y Rio Poço de observação Poço de bombeamento Limite do aquífero Campo de poços ( )c (b) Bloco de diferença finita x b y x y Elemento finito triangular b ( )d i) ii)
estabelecendo comparações entre as estruturas químicas entre as águas em estudo e as que afloram em outras regiões europeias;
ii) Sousa Oliveira (2001) apresentou contributos sobre os sistemas hidrominerais da Zona Geotectónica da Galiza-Trás-os-Montes, em que foram caracterizadas as águas minerais gasocarbónicas que ocorrem naquela Província Hidromineral. No estudo foi desenvolvida também uma abordagem integrada sobre os elementos de natureza geomorfológica, litoestratigráfica, tectónica, hidrogeológica, geofísica e hidrogeoquímica da área em estudo. A interpretação dos dados hidroquímicos de cada polo permitiu apontar correlações entre a litologia e o circuito hidromineral;
iii) Carvalho (2006) organiza vários trabalhos científicos com enfase na Zona Centro- Ibérica, da temática da prospeção e pesquisa de água subterrânea, de águas minerais e de recursos de baixa entalpia. Neste estudo é apresentada uma sistematização à escala regional da informação sistematizada, em que são abordados a avaliação de recarga, recursos e produtividades dos aquíferos e das captações;
iv) Barreiras (2009) desenvolveu um estudo hidrogeológico para o concelho do Seixal, apresentando a modelação hidrogeológica e caracterização de cenários de exploração. A modelação hidrogeológica foi desenvolvida através do método das diferenças finitas, através do código Modflow inserido no programa Processing Modflow for Windows;
v) Mendes (2010) estabeleceu um modelo de fluxo do escoamento subterrâneo do sistema aquífero da Serra da Gardunha, que serve de base às captações na produção da água de Nascente, Fonte da Fraga. A modelação do aquífero foi desenvolvida através do modelo matemático FEFLOW (Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation);
vi) Brito (2011) que apresenta o modelo de escoamento subterrâneo do sistema aquífero do Sector do Ribeiro Frio da água de Nascente, Fonte da Fraga, no sentido de otimizar os mecanismos de proteção do recurso. A modelação do escoamento subterrâneo foi desenvolvida com base no software FEFLOW (Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation);
vii) Morais (2012) apresenta um estudo detalhado da composição química elementar e isotópica em 13 sistemas hidrominerais das Beiras (Figura 1.7). Em associação à análise hidroquímica clássica adicionaram-se as relações isotópicas dos recursos permitindo relacionar os processos biogeoquímicos que estão na génese dos recursos hidrominerais.
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15 Figura 1.7 – Enquadramento regional das nascentes sulfúreas da região das Beiras analisadas por Morais (2012) com o realce das que afloram na Bacia do Rio Dão, estudadas em detalhe no presente trabalho (Granjal, Sangemil, Alcafache, Sezures e Cavaca). Adaptado de Morais (2012).