3.1- CONSIDERAÇÕES INICIAIS
O desenvolvimento deste trabalho envolveu as seguintes etapas: formulação da hipótese, o delineamento dos objetivos, a revisão bibliográfica, a produção cartográfica para a caracterização da área de estudo, a definição de metodologias de amostragem e análise, o tratamento estatístico dos dados e a apresentação dos resultados para discussão e conclusão. Uma visão geral de todo processo é apresentada na forma de um fluxograma (figura 3.1). Nesse capítulo, serão descritas as metodologias utilizadas.
Figura 3.1- Fluxograma geral das etapas desenvolvidas ao longo do trabalho.
INFLUÊNCIA DA MINERAÇÃO NA GEOQUÍMICA DAS ÁGUAS SUPERFICIAIS E DOS SEDIMENTOS NO ALTO CURSO DA BACIA DO RIBEIRÃO MATA PORCOS,
QUADRILÁTERO FERRÍFERO – MINAS GERAIS
Revisão bibliográfica, formulação de hipóteses e delineamento dos objetivos
Produção cartográfica, escolha de metodologias e de pontos de coleta
Amostragem
SEDIMENTO ÁGUA
Análises in situ: PH, Eh, condutividade, resistividade, sólidos totais dissolvidos,
turbidez, temperatura e oxigênio dissolvido Frascos de 30 ml filtrados e acidificados Frascos de 1000 ml água natural Análise de elementos por ICP-OES: Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni,
Pb, Sc, Sr, Ti, V, Zn
Análise de ânios: HCO3-,
SO4-2, Cl-
Coleta de aproximadamente 2 kg em sacos plásticos virgens para secagem em estufa
(± 40°c), quarteamento e peneiramento Granulometria e mineralogia (DRX) Digestão por microondas EPA3051 Organização dos dados
Tratamento estatístico, resultados, discussão e conclusão da dissertação
Análise de elementos por ICP-OES: Al, As, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr,
Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sb,
Sc, Sr, Ti, V, Zn, Zr
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3.2- PRODUÇÃO CARTOGRÁFICA
A análise cartográfica é uma prática necessária no âmbito das ciências naturais, pois facilita a compreensão integrada dos fenômenos a serem observados. Um melhor entendimento da área de estudo foi obtido pela organização de um projeto no sistema de informação geográfica – SIG, formando uma coleção de camadas de informações georreferenciadas, devidamente checadas em campo durante as campanhas de reconhecimento e amostragem. Estas camadas são feições que simbolizam a realidade do ambiente, sendo estas, representativas de um determinado momento na escala do tempo e do espaço.
Diferentes dados cartográficos foram adquiridos da base de dados do Instituto Estadual de Florestas de Minas Gerais. Dentre eles estão imagens de satélite, cartas topográficas (IBGE, 1977; IBGE, 1985), mapa geológico (Lobato, 2005), cartas hidrográficas, entre outros. Os softwares utilizados na adequação das bases cartográficas foram, a saber: ArcInfo 9.2®, ERMapper 6.2® e Envi 4.3®, disponíveis para uso no laboratório de geoprocessamento do Departamento de Geologia da Universidade Federal de Ouro Preto.
3.2.1- Hidrografia e hierarquização dos canais
As drenagens utilizadas para a confecção dos mapas de hidrografia e hierarquia de canais (vide figura 4.4 no capítulo 4) são arquivos vetoriais, restituídos das cartas topográficas da série topográfica do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, escala 1:50.000 (IBGE, 1977; IBGE, 1985). As linhas (drenagens) foram submetidas a um processo de o pré-processamento, cujo objetivo maior foi corrigir imperfeições, sobretudo aquelas relacionadas à fragmentação dos canais. Os rios representados por margem dupla foram então transformados em canais de uma única linha para que um modelo hidrológico consistente fosse obtido. Posteriormente, foi gerado um modelo digital de elevação do terreno (MDT) a partir das curvas de nível restituídas do mapeamento topográfico. O modelo foi submetido a um recondicionamento, “carimbando” as feições hidrográficas com suas altimetrias nos pixels do MDT. Com isso, as drenagens foram “escavadas” na representação do relevo. Operações automáticas para a determinação da direção do fluxo, fluxo acumulado e hierarquização dos canais foram realizadas (ANA, 2009; Santos et al., 2008).
3.2.2- Hipsometria e declividade
A representação tridimensional de uma superfície topográfica qualquer pode ser facilmente obtida a partir do processamento de uma malha de linhas contendo isovalores de altitude (curvas de nível). O modelo digital de elevação do terreno (MDT), como é chamado esse tipo de representação, pode ser utilizado em trabalhos com bacias hidrográficas. Derivam dos modelos as cartas de altitude, declividade, orientação de vertentes, perfis topográfico, dentre outros (Fitz, 2008). Na construção do MDT, utilizou-se a ferramenta 3D Analyst do software da ESRI® ArcView 9.2, que obteve o modelo a partir das curvas de nível com equidistância de 10m. Posteriormente, foi aplicada uma palheta de cores
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para a diferenciação das altimetrias, gerando assim o mapa hipsométrico (vide figura 4.7. no capítulo 4) Na construção do mapa de declividades foram eleitos seis intervalos distintos (tabela 3.1), conforme metodologia utilizada no trabalho de Gonçalves (2010). A ferramenta utilizada foi o Slope, disponível no módulo 3D Analyst do software da ESRI® ArcMap 9.2 (vide figura 4.8 no capítulo 4).
Tabela 3.1- Classes de declividade segundo metodologia adaptada por Gonçalves (2010).
Tipo de relevo Descrição Intervalo
Plano Superfície de topografia esbatida ou horizontal, onde os
desnivelamentos são muito pequenos. 0 – 3 %
Suave ondulado
Superfície de topografia pouco movimentada, constituída por
conjunto de colinas ou outeiros, apresentando declives moderados. 3 – 8 % Moderadamente
ondulado
Superfície de topografia pouco movimentada, constituída por
colinas ou outeiros. 8 – 13 %
Ondulado Superfície de topografia pouco movimentada, constituída por
colinas ou outeiros. 13 – 20 %
Forte Ondulado
Superfície de topografia movimentada, formada por outeiros ou morros (elevações de 50 a 100m e de 100 a 200m de altitudes relativas) e raramente colinas, com declives fortes.
20 – 45 %
Montanhoso
Superfície de topografia vigorosa, com predomínio de formas acidentadas, usualmente constituída por morros, montanhas, maciços montanhosos e alinhamentos montanhosos, apresentando desnivelamentos relativamente grandes e declives fortes ou muito fortes.
> 45 %
3.2.3- Processamento digital de imagens de sensoriamento remoto
Genericamente, o sensoriamento remoto representa um conjunto de técnicas que captam informações à distância dos objetos de interesse, utilizando para tanto, a energia refletida ou absorvida por elementos na superfície terrestre (Fitz, 2008). Através de sensores instalados em satélites ou em outros equipamentos, a energia é capturada e convertida em informações digitais (imagens, gráficos, dados numéricos, entre outros). No processamento digital de imagens, softwares podem ser usados na identificação, tratamento estatístico e extração de informações de interesse a partir das respostas do espectro eletromagnético a partir do comprimento de onda dos diferentes alvos, como por exemplo, o comportamento da vegetação, do solo, da água, entre outros (Crósta, 1992).
Na obtenção do mapa de uso, ocupação e cobertura vegetal (vide figura 4.6 no capítulo 4) foi utilizada uma cena da imagem Rapid Eye® do dia 08 de agosto de 2009, gentilmente cedida pelo Instituto Estadual de Florestas de Minas Gerais. A cena foi adquirida com a ortorretificação e correções atmosféricas incluídas. Compatível com a escala de 1:25.000, a imagem possui resolução espacial de 5 metros e resolução espectral entre 440 µm-850 µm, distribuídas em 5 bandas do espectro eletromagnético: azul, verde, vermelho, red-edge e infravermelho próximo (Kazmierczak et al., 2009). Dentre as inúmeras técnicas disponíveis, a classificação automática de imagens multiespectrais é uma importante ferramenta de auxílio que permite diferenciar e agrupar diferentes
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elementos, muito utilizada em trabalhos na obtenção de mapas de uso e ocupação em bacias hidrográficas, gestão ambiental, diferenciação de materiais geológicos e até mesmo em prospecção mineral (Mulder et al., 2011; Tapsall, et al., 2010; Xing-Feng et al., 2007). A classificação supervisionada por máxima verossimilhança foi realizada no software Envi 4.3®. Após vários testes, foram definidas amostras de treinamento separadas em classes de interesse (vide tabela 3.1), cuja acurácia final da classificação foi de 85,3%, considerada satisfatória para este trabalho.
Na avaliação temporal do uso e ocupação da bacia foram tratadas imagens Landsat 5, com resolução espacial de 30 metros, adquiridas em épocas distintas: junho de 1984 e julho de 2011, ambas do período de seca na região (INPE, 2011). As imagens foram pré-processadas e interpretadas em composição colorida 4-5-3, onde a vegetação é realçada em vermelho, as rochas em tonalidades de verde-cinza, as áreas urbanas e o solo exposto em tons azulados-arroxeados. Toda a análise e processamento foi realizada no software Envi 4.3®.
3.3- ESCOLHA DOS PONTOS DE MONITORAMENTO
A escolha dos pontos de monitoramento teve como propósito avaliar a contribuição das atividades de mineração para a alteração de parâmetros geoquímicos das águas e sedimentos, produzidos pelas diferentes minas. O intuito foi identificar variações significativas nos trechos de rios que recebem a descarga das águas que escoam dos territórios onde as minerações desenvolvem suas atividades.
Na expectativa de atender os objetivos elegidos para o presente trabalho, foram alocados pontos em seções de rios à montante e a jusante de cada uma das minas e ao longo do canal principal da bacia (figura 3.2). Dessa maneira, procura-se obter um “retrato” das características geoquímicas do rio, antes e depois de receber as contribuições das drenagens que passaram pelas minas. Foram distribuídos, ainda, sítios amostrais em nascentes bem preservadas, buscando representar cada um dos diferentes contextos litológicos encontrados na bacia e estabelecer a relação da geologia com a assinatura geoquímica das amostras.
Os sítios amostrais foram marcados na rede hidrográfica integrante do sistema de informações geográficas – SIG construído para o projeto. Por último, as coordenadas foram então transferidas para um GPS de Navegação marca GARMIM modelo 60 Csx Map® para o reconhecimento dos locais em campo. Ao todo foram definidos 21 pontos de coleta de amostras (figura 3.2). Em anexo ao trabalho, encontra-se a relação dos pontos com as respectivas coordenadas (Apêndice I).
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Figura 3.2- Mapa da área de estudo com a hidrografia e os pontos de amostragem. As áreas de ocupação dos
empreendimentos foram extraídas do mapa de uso e ocupação produzido por classificação supervisionada. Em verde as minas em atividade; em vermelho as minas que estão paralisadas.
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3.4- AMOSTRAGEM
A amostragem configura-se como o passo mais importante nos procedimentos analíticos. Erros durante essa etapa, inevitavelmente conduzem a resultados equivocados, os quais não podem ser corrigidos posteriormente. Para evitar que isso aconteça, existem protocolos de coleta, armazenamento e análises de amostras para assegurar a integridade das mesmas, produzindo assim resultados adequados Nesse trabalho, os procedimentos amostrais e analíticos observaram protocolos recomendados pela ABNT (1987), CETESB (1993), Carvalho et al. (2000), APHA (2005) e as práticas descritas nos diversos procedimentos operacionais padrão do Laboratório de Geoquímica Ambiental – LGQA (Departamento de Geologia – Universidade Federal de Ouro Preto).
3.4.1- Campanhas de coleta de amostras
Foram realizadas 4 campanhas trimestrais ao longo de um ano hidrológico. As coletas para a amostragem dos sedimentos e das águas obedeceram a seguinte sequência: setembro de 2010, dezembro de 2010, março de 2011 e junho de 2011. As amostras foram identificadas com a seguinte nomenclatura: PR para todas elas; número da amostra (01 a 21) acrescido do código da campanha (1 a 4) quando conveniente (tabela 3.2). Em cada uma das campanhas, foram coletadas amostras de água e de sedimentos de leito. Aferiu-se a vazão do canal no momento da coleta e ainda, determinaram-se parâmetros físico-químicos no próprio local.
Tabela 3.2- Coletas, período e código das amostras.
Coletas Mês e ano da amostragem Código
1ª campanha Setembro de 2010 1
2ª campanha Dezembro de 2010 2
3ª campanha Março de 2011 3
4ª campanha Junho de 2011 4
3.4.2- Determinação da velocidade de fluxo, profundidade e largura do canal
A vazão pode ser definida como o volume de água que passa por uma determinada seção em um canal (natural ou artificial) por unidade de tempo, incluindo os sólidos que se encontram dissolvidos e/ou suspensos (USGS, 1976). Estimativas do volume de água em um canal, sua distribuição no espaço e sua variação com o tempo são informações importantes para projetos de abastecimento de água, estruturas hidráulicas e monitoramentos ambientais.Em cada ponto de amostragem, foram selecionados trechos retilíneos em que a corrente permanecesse paralela às margens, evitando-se as curvas no canal. O procedimento de aferição consiste calcular a área correspondente à seção do rio a ser monitorada e a obtenção da velocidade média naquele trecho. Foi utilizado um micromolinete fluviométrico modelo FP201 Global Flow Probe na medida da velocidade e na determinação da profundidade do canal. As medidas de largura do da secção e de altura das margens, foram obtidas com o auxílio de uma trena.
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Os cursos d’água naturais possuem formas irregulares, dificultando a aplicação de fórmulas padrões para o cálculo da área. Sendo assim, utiliza-se o método de integração nas verticais, onde a seção transversal do rio é dividida em segmentos por um número de parcelas verticais. A soma das vazões em cada perfil vertical corresponde à vazão média total do canal. A velocidade em cada vertical foi obtida mergulhando-se a haste do micromolinete a 0,6 da profundidade total, assumindo que esta é a velocidade média da vertical (Chow, 1959; Gupta, 2001).
Figura 3.3- Fotografia e desenho esquemático da técnica de integração na vertical para a obtenção da vazão em
uma determinada seção do rio. O trecho na fotografia é uma secção do ribeirão Arêdes.
3.4.3- Amostragem das águas
A qualidade das águas pode ser definida de acordo com suas características químicas, físicas e biológicas. Elas variam conforme as condições naturais e os diferentes usos e intervenções na bacia hidrográfica (Von Sperling, 2005). Existem diferentes parâmetros de monitoramento, sendo que valores de referência para cada um deles estão estabelecidos em legislações específicas. Durante as quatro campanhas trimestrais, em cada ponto de amostragem, foram coletados dois tipos de amostras de água ao longo do canal principal, atendendo diferentes finalidades:
Frascos de 30 ml: foram utilizados recipientes de polietileno transparentes e virgens. A amostra destinada a esse frasco foi coletada em um béquer de 500 ml e imediatamente transferida para uma seringa de 50 ml. Ambos os recipientes foram ambientados através da lavagem com a água coletada no próprio local por no mínimo 3 vezes. A seringa foi acoplada a um filtro, com membrana de acetato de celulose, marca Millipore® e porosidade de 0,45µm. A amostra filtrada foi acidificada com 3 gotas de HNO3 concentrado Merck® em PH menor do que 2, para evitar a adsorção dos metais
a parede do frascos, mantendo-os em solução.
Frascos de 1000 ml: foram utilizados recipientes de polietileno opacos e virgens. Durante o procedimento de amostragem, os frascos foram posicionados contra a corrente, preenchidos até a boca e tampados imediatamente. Esta amostra é destinada para a análise da alcalinidade, cloreto e sulfato.
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3.4.4- Amostragem dos sedimentos de leito
As amostras de sedimentos foram coletadas com o auxílio de um recipiente plástico, retirando- se aproximadamente 2 kg da camada superficial do fundo, da margem direita e da margem esquerda (amostragem composta), uma vez que os metais de interesse encontram-se adsorvidos a superfície das argilas. Dessa maneira, obteve-se uma amostra em campo a partir de três sub amostras na secção do rio.
Após a coleta, os sedimentos foram armazenados em sacos plásticos virgens de boca larga, identificados e amarrados com lacres para selá-los e evitar o vazamento. Os sacos foram transportados para o Laboratório de Sedimentologia do Departamento de Geologia da Universidade Federal de Ouro Preto, em uma caixa de isopor.
3.5- ANÁLISES DA ÁGUA E DO SEDIMENTO
Parte da análise da água foi realizada no próprio local de coleta, evitando o transporte da amostra e a possível alteração nas suas características originais. O restante foi realizado no Laboratório de Geoquímica Ambiental – LGQA (Departamento de Geologia – Universidade Federal de Ouro Preto) de acordo com as descrições que seguem.
3.5.1- Análises da água realizadas in situ
A determinação dos parâmetros físico-químicos (pH, Eh, condutividade elétrica, sólidos totais dissolvidos, oxigênio dissolvido, temperatura e turbidez) foi realizada por meio de equipamentos portáteis de campo (multiparâmetro, oxímetro e turbidímetro – figura 3.4) no próprio local de amostragem. No dia anterior ao das coletas, os aparelhos foram limpos e devidamente calibrados, seguindo a orientação dos fabricantes. Utilizou-se um equipamento multiparâmetro Ultrameter II da marca Myron L Company, modelo 6Psi (figura 3.4 - a) na aferição do pH, do Eh, da condutividade elétrica (CE), resistividade e dos sólidos totais dissolvidos (STD). As células de leitura foram lavadas por no mínimo 3 vezes com a água do ambiente da coleta. Na determinação da turbidez, foi utilizado um turbidímetro marca Hanna, modelo HI 93703 (figura 3.4 - b). A cubeta do aparelho foi preenchida com aproximadamente 0,5 cm de altura com amostra a ser aferida. . O oxigênio dissolvido (OD) foi medido por meio de um oxímetro marca Hanna, modelo HI 9146 (figura 3.4 - c). Se o local permitisse a aferição com segurança no próprio curso d’água, então esta era a alternativa escolhida para o teste. Caso contrário, retirava-se a água do rio em um béquer de 500 ml, previamente ambientado através da lavagem com a água do próprio local por no mínimo 3 vezes.
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Figura 3.4- Fotografias representativas dos aparelhos utilizados para análises. a) multiparâmetro; b)
turbidímetro; c) oxímetro e d) colorímetro.
3.5.2- Geoquímica das águas superficiais
Na determinação da alcalinidade, foi escolhido o método titulométrico, realizado em até 24 horas após a coleta. As amostras coletadas nos frascos de 1000 ml foram retiradas da geladeira e deixadas na bancada do laboratório até que fosse atingida a temperatura ambiente. Os frascos foram agitados manualmente por algumas vezes, para homogeneizar a solução. Foram então pipetados 100 ml da água de cada uma das amostras com o auxílio de pipeta volumétrica e pêra. O volume foi transferido para erlenmeyers de 250 ml devidamente identificados com o número das amostras, aos quais foram adicionadas seis gotas de fenolftaleína e de metilorange. A solução foi titulada com ácido sulfúrico 0,01 mol/L até que a cor transparente se torna-se vermelho-laranja (APHA, 2005). O volume gasto na titulação foi anotado e a alcalinidade calculada por meio da equação 3.1:
C HCO3- = C H2SO4 × Vmo × 1220
Equação 3.1
Onde: C H2SO4 = concentração padronizada do ácido sulfúrico utilizado na titulação; Vmo =
volume gasto na titulação com metilorange; 1220 = valor constante.
Na obtenção dos valores de sulfato e cloreto foram utilizadas alíquotas de 10 a 25 ml da amostra coletada no frasco de 1000 ml, respectivamente. Os frascos foram retirados da geladeira de acordo com o procedimento descrito na etapa anterior. Entretanto, antes da realização dos testes, as amostras foram filtradas para evitar a interferência das partículas em suspensão, utilizando um sistema de filtração a vácuo em membrana de celulose com porosidade de 0,45µm. Os prazos estipulados não ultrapassaram 7 dias para o sulfato e 14 dias para o cloreto (APHA, 2005). O método escolhido para a obtenção da concentração dos ânions em solução foi o colorimétrico. Na determinação do sulfato e cloreto, foi utilizado um colorímetro marca Hach, modelo DR-890 (figura 3.4 - d). Para cada amostra,
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foram preenchidas duas cubetas do aparelho, cada uma contendo 10 ml da água a ser testada. Foram adicionados os reagentes específicos para cada teste (SulfaVer® 4 e DPD chlorine free®, ambos para 10 ml de amostra), e as amostras foram homogeneizadas. Após o tempo de reação, a leitura foi realizada no aparelho conforme as orientações do fabricante.
Teores de elementos maiores e traço como Al, As, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sn, Sr, Ti, V e Zn foram determinados por Espectrofotômetro de Emissão Atômica com Fonte de Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES), marca SPECTRO, modelo Ciros
CCD. Para cada elemento analisado o valor da concentração corresponde à média de duas leituras. Os
elementos As, Be, Cd, Co, Cr, Mo, Ni, Pb, Sc, Ti, V e Y apresentaram-se abaixo do limite de quantificação do método para todas as amostras Os teores dos elementos químicos e os respectivos limites de quantificação encontram-se no Apêndice II deste trabalho.
3.5.3- Granulometria dos sedimentos de leito
No Laboratório de Sedimentologia do Departamento de Geologia da Universidade Federal de Ouro Preto, os sacos plásticos contendo os sedimentos coletados no leito dos rios foram abertos e preparados para o processo de secagem. As amostras foram transferidas para vasilhas plásticas, recobertas com o próprio plástico utilizado na coleta. As vasilhas foram colocadas em estufas para a