DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
MODELAGEM COMPUTACIONAL E ANÁLISE DA
SALINIZAÇÃO DOS AQÜÍFEROS NA ÁREA
CENTRAL DE RECIFE
Mestrando:
Anderson Luiz Ribeiro de Paiva
Orientador:
Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral
Co-orientador:
Prof. Dr. Leonardo José do Nascimento Guimarães
MODELAGEM COMPUTACIONAL E ANÁLISE
DA SALINIZAÇÃO DOS AQÜÍFEROS
NA ÁREA CENTRAL DE RECIFE
Dissertação apresentada ao programa de
Pós-Graduação em Engenharia Civil da
Universidade Federal de Pernambuco,
orientada pelo Prof. Dr. Jaime Joaquim da
Silva Pereira Cabral e co-orientada pelo
Prof. Dr. Leonardo José do Nascimento
Guimarães como requisito parcial para
obtenção do grau de Mestre.
RECIFE, PE
Agosto de 2004
Recife: O Autor, 2004. v, 146 folhas: il., fig., tab.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Engenharia Civil, 2004.
Inclui bibliografia e anexos.
1. Recursos hídricos – Águas subterrâneas – Recife (PE). 2. Águas subterrâneas – Recife (PE) -Salinização. 3. Modelagem computacional – Águas subterrâneas – Recife (PE). I. Título.
628.112:004 CDU (2.ed.) UFPE
Aos meus pais, Luiz Paiva e Mª de Fátima , meus irmãos, Alisson, Aline e Adriane, meu sobrinho Matheus e minha noiva Luana com todo meu amor e minha gratidão pela força, incentivo, confiança e paciência.
Superficial ou subterrânea Doce ou salgada Riqueza inestimável Preenche a maior parte da Terra Corresponde a maior parte dos seres vivos Quando antes pensávamos ser fonte inesgotável Hoje, sabemos o quanto precisamos preservá-la Até quando teremos água limpa para usar?
LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS AGRADECIMENTOS i RESUMO ii ABSTRACT iv 1. INTRODUÇÃO 01 1.1 Objetivos 04 1.2 Metodologia 04
1.3 Descrição dos Capítulos 06
2. SALINIZAÇÃO DE AQÜÍFEROS COSTEIROS 07
2.1 Formas de Salinização 07 2.2 Técnicas de Investigação 09 2.2.1 Niveis Potenciométricos 10 2.2.2 Condutividade Elétrica 12 2.2.3 Hidroquímica 14 2.2.4 Composição Isotópica 16 2.2.5 Monitoramento de Multiníveis 23 2.2.6 Geofísica 26
2.3 Histórico dos Estudos de Salinização na Planície de Recife 35
3. MODELAGEM COMPUTACIONAL DE ÁGUA SUBTERRÂNEA 37
3.1 Modelos de Fluxo 42
3.2 Modelos de Transporte de Sais 50
3.3 Programas Computacionais 53
4. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 59
4.1 Localização 59
4.2 Uso das Águas Subterrâneas 61
4.6 Hidrografia 67
4.7 Geologia e Hidrogeologia 68
4.8 Descrição de Seções Litológicas na Área de Estudo 73
5. MODELAGEM COMPUTACIONAL DA ÁREA DE ESTUDO 78
5.1 Aqüíferos e Modelo Conceitual 78
5.2 Discretização da Área e Dados de Entrada 80
5.3 Resultados 98
5.3.1 Cenários Futuros 104
6. SALINIZAÇÃO NA REGIÃO CENTRAL DE RECIFE 106
6.1 Distribuição Espacial da Salinização 106
6.2 Hidroquímica 114 6.3 Hidrodinâmica 119 6.4 Descontinuidade do Aqüitardo 121 6.5 Isótopos 127 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS 135 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 138 9. ANEXOS 148
Figura 1.1 - Área de estudo situada na planície, na região central da cidade
de Recife, estado de Pernambuco... 03
Figura 2.1 - Formas de salinização... 08
Figura 2.2 - Foto do medidor de nível elétrico. Este medidor foi utilizado em várias campanhas de medição de nível de poços rasos e profundos na área de estudo... 11
Figura 2.3 - Foto à esquerda mostra o transdutor de pressão (modelo Levelogger) com o cabo de aço para ser instalado dentro do poço na área de estudo. Foto à direita mostra o Levelogger (amarrado ao cabo de aço) e ao lado o cabo de transferência de dados para um computador... 12
Figura 2.4 - Foto de um condutivímetro, utilizado para monitoramento da salinidade em vários poços de Recife... 13
Figura 2.5 - Layout dos piezômetros (a) agrupados e (b) aninhados... 24
Figura 3.1 - Etapas de Modelagem... 38
Figura 3.2 - Volume Elementar Representativo (VER)... 43
Figura 3.3 - Malha de diferenças finitas com nomenclatura da numeração... 45
Figura 4.1 - Localização da área de estudo... 59
Figura 4.2 - Imagem satélite, com a delimitação da área de estudo... 60
Figura 4.3 - Número de poços por faixa de profundidade... 61
Figura 4.4a - Médias mensais de precipitação e de evaporação na Estação de Recife... 65
Figura 4.4b - Médias mensais de temperatura e umidade relativa na Estação de Recife... 66
Figura 4.4c - Médias mensais de insolação e precipitação na Estação de Recife... 66
Figura 4.5 - Mapa Geológico da Cidade do Recife e adjacências... 70
Figura 4.6 - Localização das Seções Litológicas... 74
Figura 4.7 - Seção litológica AA’... 75
Figura 4.8 - Seção litológica BB’... 76
Figura 5.1 - Representação das três camadas para o modelo conceitual... 80
Figura 5.2 - Curvas de níveis, com pontos cotados na área de estudo... 81
Figura 5.6 - Mapa de Base da Camada 3... 85
Figura 5.7 - Imagem 3D dos poços inseridos na área de estudo. Os 1640 poços estão georreferenciados e na sua extremidade se observa o trecho do filtro... 86
Figura 5.8 - Locação dos poços rasos (vermelho) e poços profundos (azul) na área de estudo... 87
Figura 5.9 - Células que contém poços na área de estudo... 88
Figura 5.10 - Cargas iniciais para a camada 1 (Aqüífero Boa Viagem)... 89
Figura 5.11 - Cargas iniciais para a camada 3 (Aqüífero Beberibe)... 90
Figura 5.12 - Condutividade hidráulica para a camada 2 (semiconfinante). Foi adotada condutividade 2x10-9m/s (azul) com algumas células com valores 2x10-8m/s (verde)... 91
Figura 5.13 - Batimetria do rio Capibaribe, cota de base da camada do leito do rio e cota do nível d’água. O lado esquerdo é a foz do rio (jusante) e o lado direito está a montante... 92
Figura 5.14 - Células com a condição de contorno Rio (azul escuro)... 93
Figura 5.15 - Representação do rio e das condições de contorno especificadas. 94 Figura 5.16 - Esquema do módulo GHB do MODFLOW... 95
Figura 5.17 - Células com o módulo Recarga... 96
Figura 5.18 - Tela de entrada do VISUAL MODFLOW... 97
Figura 5.19 - Linhas equipotenciais e de fluxo para o período final da simulação, no Aqüífero Boa Viagem... 99
Figura 5.20 - Linhas equipotenciais e de fluxo para o período final da simulação, no Aqüífero Beberibe... 100
Figura 5.21 - Valores residuais versus número de iterações... 102
Figura 5.22 - Balanço hídrico total, resultado do módulo ZoneBudget... 102
Figura 5.23 - Balanço de massa... 103
Figura 5.24 - Saída do módulo ZoneBudget para a camada 3... 103
Figura 5.25 - Simulação de cenário futuro para o ano de 2010, para o aqüífero Beberibe... 104
Figura 5.26 - Simulação de cenário futuro para o ano de 2020, para o aqüífero Beberibe. ... 105
Figura 6.1 - Distribuição espacial dos poços na região central de Recife,
a descontinuidade do aqüitardo...
Figura 6.2 - Potenciometria do Aq. Beberibe Inferior nos anos de 1997 a 1999 108
Figura 6.3 - Potenciometria do Aq. Beberibe Inferior nos anos de 2000 a 2001 109
Figura 6.4 - Distribuição espacial da salinidade no aqüífero Beberibe, indicada
através do monitoramento da condutividade elétrica... 111
Figura 6.5a - Localização das estações de amostragem de salinidade do Rio Capibaribe... 112
Figura 6.5b - Salinidade do Rio Capibaribe em 4 estações de amostragem na planície de Recife, na preamar e baixa-mar... 113
Figura 6.6 - Diagrama de Piper para classificação Iônica das águas do Aqüífero Boa Viagem, na área de estudo... 114
Figura 6.7 - Diagrama de Piper para classificação Iônica das águas do Aqüífero Beberibe, na área de estudo... 114
Figura 6.8 - Razões iônicas para poços no aqüífero Beberibe... 117
Figura 6.9 - Razões iônicas para poços no aqüífero Beberibe, com alto teor de cloretos... 118
Figura 6.10 - Foto do equipamento Levelogger sendo instalado no poço 1, por trás do edifício garagem do Hospital Português... 120
Figura 6.11 - À esquerda: gráfico da variação do tempo do nível d’água no rio e em um poço 1 (jardim atrás do edifício garagem do Hospital Português), e com os dados de precipitação. À direita: gráfico com o poço 2 (ao lado do refeitório do Hospital Português)... 122
Figura 6.12 - Descrição litológica de alguns poços na área de estudo... 123
Figura 6.13 - Seção litológica do leito do rio Capibaribe, com os furos SP01 -SP07... 124
Figura 6.14 - Seção litológica do leito do rio Capibaribe, com os furos SP08 -SP17. ... 125
Figura 6.15 - Localização dos furos no leito do rio Capibaribe... 126
Figura 6.16 - Ponto de coleta no Colégio da Polícia Militar... 128
Figura 6.17 - Ponto de coleta no Empresarial Miguel de Cervantes... 128
Figura 6.18 - Ponto de coleta no Rio Capibaribe a montante da área estudada.. 128
Figura 6.19 - Ponto de coleta na Padaria Poly Bom... 129
Figura 6.20 - Ponto de coleta no Hospital Português, poço profundo... 129
Figura 6.23 - Equipamento utilizado para a coleta de água no Rio Capibaribe
(garrafa Van Dorn), e frascos para armazenamento da amostra.... 130
Figura 6.24 - Condutivímetro utilizado para medição da condutividade elétrica... 130
Figura 6.25 - Gráfico com os valores do δ18O versus a salinidade... 134
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Abundância relativa dos isótopos de H, O e C no ciclo
hidrológico... 17
Tabela 3.1 - Funções e características de um modelo típico de fluxo e
transporte em diferenças finitas para o meio poroso saturado
tri-dimensional... 40
Tabela 3.2 - Pacotes gerais do MODFLOW-2000... 47
Tabela 3.3 - Pacotes de entrada das características do aqüífero e das
condições de contorno do MODFLOW-2000... 47
Tabela 3.4 - Pacotes de solução das equações do MODFLOW-2000... 48
Tabela 4.1 - Número de poços por bairro para cada aqüífero... 62
Tabela 4.2 - Profundidades dos poços nos Aqüíferos Boa Viagem e Beberibe.. 62
Tabela 4.3 - Vazões médias dos Aqüíferos Boa Viagem e Beberibe... 63
Tabela 4.4 - Médias mensais da normal climatológica no período 1961 a 1990,
na Estação do Recife (Curado)... 64
Tabela 5.1 - Principais Características dos Aqüíferos Boa Viagem e Beberibe.. 79
Tabela 5.2 - Balanço Hídrico para a Camada 1 (Aqüífero Boa Viagem)... 101
Tabela 5.3 - Balanço Hídrico para a Camada 3 (Aqüífero Beberibe)... 101
Tabela 6.1 - Condutividade Elétrica para os aqüíferos Boa Viagem e Beberibe. 110
Tabela 6.2 - Fatores de transformação de mg/L para mmol/L... 115
Tabela 6.3 - Informações dos pontos de coleta para análise de isótopos... 127
Tabela 6.4 - Análise de isótopos de 18O no mar, no rio e em alguns poços da
área de estudo... 131
Tabela 6.5 - Estimativa da origem da água baseada nas razões de isótopos
18
AGRADECIMENTOS
À Deus, pela bênção de minha Vida, e aos amigos espirituais pelo auxílio nesta minha existência.
Ao Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral e ao Prof. Dr. Leonardo José do Nascimento Guimarães, pela orientação, incentivo, assistência e conhecimentos a mim repassados.
Ao CTHidro (Fundo Nacional de Recursos Hídricos) através do CNPq -Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, pelo subsídio aos dois anos de pesquisa.
A FACEPE pela bolsa PIBIC durante os tempos de graduação que despertou meu interesse pela pesquisa científica na área de recursos hídricos, e mais recentemente pela oportunidade de participar no projeto Anporec para aprimoramento de políticas públicas relacionadas àágua subterrânea.
À equipe do GRH - Grupo de Recursos Hídricos e do LMCG - Laboratório de Métodos Computacionais em Geomecânica, do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco pelo total apoio, confiança e disponibilização de local de estudo e de computadores.
Ao Geólogo MSc. Veronilton Pereira de Farias, pelos incontáveis momentos de discussões enriquecedoras nos assuntos do conteúdo do trabalho e principalmente na área de geologia.
Ao Prof. Dr. Waldir Duarte Costa e ao Geólogo MSc. Waldir Duarte Costa Filho, pela disponibilização dos dados dos Projetos Hidrorec e Hidrorec II.
À CPRH - Agência Estadual de Meio Ambiente e Recursos Hídricos pelas informações do cadastro de outorga de poços.
Aos professores Suzana Montenegro e Almir Cirilo, pelos dados e informações fornecidas. Ao professor Dilson Teixeira pelas informações repassadas de sondagens no leito do rio Capibaribe.
Ao meu pai Luiz Paiva e minha noiva Luana Gomes, pela ajuda nas revisões e por suas importantes sugestões. À minha irmã Adriane Paiva pela ajuda na digitalização do perfis litológicos no leito do rio Capibaribe.
Aos amigos do Laboratório de Recursos Hídricos, em especial a Josilene de Paula e Guilherme Peplau, pelo ótimo ambiente de trabalho, incentivo e ajuda.
E a todos que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste trabalho.
RESUMO
As águas subterrâneas constituem importante fonte de água para exploração, efetiva ou como reserva estratégica, regional e local, necessitando de conservação. Porém, a qualidade das águas subterrâneas é susceptível de ser afetada pelas atividades sócio-econômicas, designadamente pelos usos e ocupações do solo, provocando contaminação das águas subterrâneas que está se tornando cada vez mais comum. Atualmente, um dos problemas de contaminação que mais tem ocorrido no mundo é a salinização, principalmente nas regiões litorâneas. A contaminação é, na generalidade das situações, persistente, já a recuperação da qualidade dessas águas é, em regra, muito lenta e difícil. A proteção das águas subterrâneas constitui, assim, um objetivo da maior importância, no quadro de um desenvolvimento equilibrado e duradouro.
A Região Metropolitana do Recife (RMR), atualmente, apresentando uma população de cerca de três milhões de habitantes, tem uma demanda de água de
aproximadamente 14m3/s. Da demanda total, cerca de 8m³/s é atendida por
mananciais de superfície, enquanto que 6,0m3/s é obtida pela explotação de água
subterrânea. A população da RMR tem utilizado as fontes de água subterrânea como forma de suprir o déficit do abastecimento público, principalmente nos períodos de seca.
O aumento do teor de sais nos aqüíferos da RMR tem sido uma preocupação desde a década de 70. Vários poços perfurados são abandonados ou desativados após constatada a salinização. Com a crise no abastecimento de água da RMR, alguns anos atrás, pelo colapso dos mananciais de superfície, a perfuração de poços foi intensificada, agravando ainda mais a vulnerabilidade do sistema aqüífero. A condição de super-explotação do sistema e o conseqüente rebaixamento dos níveis potenciométricos provocam a inversão dos gradientes hidráulicos que induz o fluxo do mar em direção ao continente. Além disso pode haver também a contaminação vertical, proveniente das camadas superiores salinizadas.
O presente trabalho focaliza como área de estudo a região central da planície de Recife na faixa delimitada pelas coordenadas UTM 9107000 a 9112000 Norte e 289000 a 293500 Leste. Foram levantadas várias informações de poços perfurados nesta região, dos quais foram extraídos dados para construção de seções litológicas,
mapas de potenciometria, dados de análise química, mapa de superfície do terreno, além de tabelas de vazões, profundidade, e número de poços por bairros. Também foram obtidas análises hidroquímicas, realizadas análises de perfis litológicos para verificar a descontinuidade do aqüitardo, além de análises de isótopos, para a caracterização da fonte de salinização. Foi feita também uma modelagem computacional da área para melhor entendimento do regime de fluxo nos aqüíferos.
O rio Capibaribe, no seu trecho final na planície de Recife, apresenta elevado teor de sais durante a preamar nos meses de pouca chuva. Justamente nesses meses ocorre o bombeamento com mais intensidade, o que induz a recarga do aqüífero superior com água salinizada do rio, e em seguida passa a existir a contaminação do aqüífero inferior, devido a propagação vertical pela descontinuidade do aqüitardo ou pelos poços mal construídos ou abandonados. É necessário um contínuo acompanhamento dessas águas, a fim de se ter um controle e melhor avaliação dos processos de salinização que estão ocorrendo na RMR.
ABSTRACT
Groundwater is an important water source either for usual exploitation or to be kept as a strategic reserve, regionally and locally, and it needs to be protected. Groundwater quality depends on social and economic activities, depends on land use, and groundwater contamination has become more frequent. Nowadays salinization is the most common type of groundwater contamination, mainly in coastal areas. After it happens, salinization is persistent and difficult to remediate. So, groundwater protection is an important task for a sustainable development.
Recife Metropolitan Region (RMR) has a population of 3 millions inhabitants
and water demand is roughly 14m3/s. Surface water supplies 8m3/s and groundwater
supplies 6m3/s. RMR has increased groundwater exploitation to compensate water
shortage from public supply especially in drought periods.
Salt concentration increase in RMR aquifer has been a concern since the seventies. Several drilled wells have been abandoned after salinization. RMR water crisis in dry years lead many people to drill their own wells and increase the water extraction. Recife aquifers are overexploited and potentiometric levels have been lowered. Hydraulic gradients changed direction and now it induces sea water landwards. Also there are problems of vertical salt migration from brackish upper aquifers.
This work analyses groundwater condition at the plain in Recife central area (coordinates UTM 9107000 to 9112000 North and UTM 289000 to 293500 East). Several well information have been catalogued, lithology sections and potentiometric maps have been drawn, and database also includes hydrochemical analysis, topography, pumping rates, well depths and well locations. Lithological sections have been studied to analyse aquitard discontinuities; and water sample isotope analysis has been carried out. A computational model has been used for a better understanding of aquifer system flow.
Capibaribe river, in its last reach, at Recife plain, presents high salt concentration, especially at high tide in dry months. But also in dry months pumping is increased and this induces recharge from river brackish water. This brackish water goes first to the upper aquifer and then to lower aquifer either through aquitard discontinuities or through poorly constructed wells or abandoned wells. A continuous
monitoring of the aquifer and of groundwater exploitation is needed to better estimate and control salinization problems in Recife.
1. INTRODUÇÃO
As águas subterrâneas constituem importante fonte de água para exploração, efetiva ou potencial, a nível regional e local, necessitando conservação. Porém, a qualidade dessas águas é susceptível de ser afetada pelas atividades sócio-econômicas, designadamente pelos usos e ocupações do solo, em particular pelas áreas urbanas, infra-estruturas e equipamentos, agricultura e zonas verdes.
Nas grandes cidades é onde ocorrem os maiores problemas de contaminação
das águas subterrâneas, devido à explotação1 excessiva de água, que vem
crescendo cada vez mais. E, mundialmente, estas grandes cidades, na sua maioria, se localizam nas regiões litorâneas. Considera-se que 70% da população global vive em zonas costeiras (Bear e Cheng, 1999).
A urbanização causa mudanças na freqüência e no volume de recarga de água subterrânea. O sistema de esgotamento sanitário não consegue acompanhar o grande crescimento populacional nos grandes centros urbanos, caso de Recife, o que traz sérios problemas de contaminação para os rios e também para os aqüíferos superiores.
A contaminação das águas subterrâneas é, na generalidade das situações, persistente, já a recuperação da qualidade destas águas é, em regra, muito lenta e difícil. A proteção dessas águas constitui, assim, um objetivo estratégico da maior importância, no quadro de um desenvolvimento equilibrado e duradouro.
Um instrumento preventivo para assegurar a proteção das águas subterrâneas é a instituição de áreas de proteção das explotações de águas subterrâneas destinadas ao abastecimento público, nas áreas definidas pela vizinhança dessas captações em que se estabelecem restrições de utilidade pública ao uso e transformação do solo, em função das características pertinentes às formações geológicas, que armazenam as águas subterrâneas explotadas pelas captações, como forma de salvaguardar a proteção da qualidade das referidas águas.
O conhecimento dessas áreas e um melhor entendimento das questões envolvidas são necessários para o gerenciamento das águas subterrâneas. Decisões tecnicamente bem fundamentadas, a respeito de políticas para o controle 1
Explotação é um termo que vem sendo utilizado por hidrogeológos, que significa a extração da água para o uso da mesma. Exploração são os processos que visam descobrir e quantificar as fontes de água.
da explotação da água são essenciais para um adequado gerenciamento dos recursos hídricos subterrâneos e para a utilização sustentável dos aqüíferos.
A questão da intrusão marinha em aqüíferos costeiros afeta grande parte das cidades litorâneas, do mundo, que utilizam água subterrânea para abastecimento público. O assunto vem sendo objeto de pesquisas nas últimas décadas nos grandes centros de pesquisas de países como Estados Unidos, Holanda, Espanha, Portugal, Israel e muitos outros. Ao longo dos anos várias técnicas vêm sendo desenvolvidas tanto nos métodos de investigação como nos métodos de simulação numérica. Devido à complexidade e multidisciplinaridade do problema de salinização, este é um assunto que ainda continuará sendo estudado por muitos anos.
A Região Metropolitana do Recife (RMR) é composta por 14 municípios com
uma área de 3.044km2 e, atualmente, apresentando uma população de cerca de três
milhões de habitantes, tem uma demanda de água de aproximadamente 14,0m3/s.
Da demanda total, cerca de 8,0m³/s é atendida por mananciais de superfície,
enquanto que em torno de 6,0 m3/s é obtida pela explotação de água subterrânea,
sendo cerca de 2,0m3/s explotados pela concessionária de abastecimento público
(Companhia Pernambucana de Saneamento - COMPESA) e cerca de 4,0m3/s por
mais de 10.000 poços rasos e profundos perfurados por particulares (Costa et al., 2002).
A população da RMR tem utilizado as fontes de água subterrânea como forma de suprir o déficit do abastecimento público, principalmente nos períodos de seca. O aumento do teor de sais nos aqüíferos da RMR, localizados em uma planície costeira, tem sido uma preocupação desde a década de 70. Vários poços perfurados são abandonados ou desativados após constatada a salinização. Com a crise no abastecimento de água da RMR, alguns anos atrás, pelo colapso dos mananciais de superfície, a perfuração de poços foi intensificada, agravando ainda mais a vulnerabilidade do sistema aqüífero. Estima-se que em alguns locais os rebaixamentos tenham sido da ordem de 40m para a região sul e 30m para a região norte no período de 1998 a 2002 (Costa et al., 2003).
A condição de super-explotação do sistema e o conseqüente rebaixamento dos níveis potenciométricos provoca a inversão dos gradientes hidráulicos que induz o fluxo do mar em direção ao continente. Além da hipótese do avanço da cunha salina em direção ao continente, suspeita-se do efeito da contaminação vertical,
proveniente das camadas superiores salinizadas de antigos mangues, ou proveniente dos estuários dos rios Capibaribe, Beberibe e Tejipió que, nos seus trechos finais, sofrem o efeito das marés. Nos últimos anos, também, vem se levantando o problema no aumento no nível do mar, devido às mudanças climáticas, embora esse aumento seja muito lento e seus efeitos só serão notados dentro de muitos anos.
A salinização de alguns poços tem ocorrido nos últimos anos, em Recife. Vários estudos vêm sendo feitos para entender o processo de salinização (França et al., 1987; Cabral e Cirilo, 1987; Cabral et al., 2000; Montenegro et al., 2000; Montenegro et al., 2003).
Seja por conexão com o aqüífero superior salinizado, ou por intrusão marinha, a condição de super-explotação do sistema tem influência decisiva no incremento dos níveis de salinidade das águas subterrâneas na RMR. O problema do rebaixamento excessivo nos níveis do aqüífero confinado pela super-explotação é agravado pelo elevado grau de urbanização que diminui a oportunidade de recarga natural do sistema, apesar de se suspeitar que em algumas cidades as perdas na rede de distribuição e a infiltração de esgoto estejam aumentando a recarga.
O presente trabalho focaliza como área de estudo a região central da planície de Recife na faixa delimitada pelas coordenadas UTM 9107000 a 9112000 Norte e 289000 a 293500 Leste (figura 1.1). Área esta que, além dos problemas mencionados, tem-se a suspeita da contribuição do Rio Capibaribe para a salinização dos aqüíferos, já que a área é entrecortada pelo rio.
Figura 1.1 - Área de estudo situada na planície, na região central da cidade de Recife, estado de Pernambuco.
1.1 Objetivos
Objetivo Geral:
• Análise dos riscos de salinização dos aqüíferos da planície, na região central de Recife, por intrusão marinha e por intrusão via estuário do rio Capibaribe, levando-se em consideração a excessiva explotação dos recursos de água subterrânea na região.
Objetivos Específicos:
• Análise da distribuição espacial da salinização dos poços; • Modelagem de fluxo e simulação de cenários futuros;
• Análise do avanço da salinização proveniente do rio Capibaribe; • Discussão dos processos de salinização ocorridos na região.
1.2 Metodologia
Para a elaboração deste trabalho foram realizadas várias atividades, desde as pesquisas em bibliotecas e na internet, os levantamentos de dados em diversas instituições, as visitas aos diversos poços da região, até os trabalhos computacionais realizados no Laboratório de Hidráulica do Centro de Tecnologia e Geociências da Universidade Federal de Pernambuco, conforme detalhamento a seguir:
• Pesquisa bibliográfica sobre os problemas de salinização no Brasil e no mundo. Um levantamento de diversos artigos, livros e páginas da Internet sobre modelagem, estudos de casos, métodos de investigação;
• Levantamento das informações de perfuração de poços junto à Agência Estadual de Meio Ambiente e Recursos Hídricos - CPRH. No arquivo foram buscadas as fichas de cadastramento de licença de perfuração para poços na área de estudo e também alguns dados fornecidos com informações de análises físico-químicas;
• Levantamento das informações dos aqüíferos e de seus parâmetros, através dos projetos como: HIDROREC, HIDROREC 2, GIAREC,
ANPOREC, SALIMAR (projetos realizados pelo LABHID e GRH da UFPE);
• Levantamento de informações sobre o leito do rio Capibaribe, com dados de prospecção para a construção de uma ponte no rio e de levantamentos realizados para dragagem do mesmo e construção de seções litológicas; • Levantamento de informações sobre a salinidade do rio Capibaribe e de
dados de batimetria;
• Elaboração de perfis litológicos; envolveu processos como a seleção dos dados litológicos de poços na área de estudo no cadastro da CPRH, esquematização da seção e construção do perfil em meio digital;
• Escolha dos locais de amostragem e coleta de amostras de água do rio Capibaribe, do mar e de poços rasos e profundos para análise de isótopos, realizadas no Laboratório de Ecologia Isotópica – CENA / USP; • Instalação do equipamento ‘Levelogger’ em dois poços rasos próximos ao
rio Capibaribe, e análise gráfica com a variação da tábua de marés;
• Análise estatística dos dados dos poços licenciados pela CPRH, como distribuição de poços rasos e profundos por bairros, por vazão, por profundidade, e de alguns dados de análises físico-químicas;
• Análise hidroquímica de poços com informações de análise físico-química, e cálculo de razões iônicas;
• Análise da distribuição espacial da salinidade no aqüífero Beberibe, por meio de dados de condutividade elétrica;
• Modelagem de fluxo utilizando o programa Visual Modflow, para o entendimento do escoamento na área, com análise das condições de contorno;
• Elaboração dos mapas e figuras; • Elaboração do documento final.
Na elaboração deste documento, foram utilizados vários aplicativos computacionais. No traçado das seções litológicas, foi utilizado o programa Autocad 2004. Os mapas temáticos de distribuição de salinização, distribuição dos poços rasos e profundos, e os outros mapas foram criados no programa Surfer 8.0 com importação dos mapas base do Autocad. As diversas figuras foram trabalhadas ou
criadas no programa Corel Draw 10.0. Os mapas de potenciometria e de superfície, foram criados no Surfer, a partir das informações dos poços localizados na área, utilizando o método de Krigagem (interpolação/ajuste). Transformações de coordenadas para UTM foram feitas pelo aplicativo GT87, cedido pela 3ª Divisão de Levantamento do Exército (Olinda) à Universidade Federal de Pernambuco. As simulações de fluxo foram realizadas no programa Visual Modflow 3.0 da Waterloo Hydrogeologic.
1.3 Descrição dos Capítulos
No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica sobre salinização no Brasil e no mundo, sendo dividida em formas de salinização, técnicas de investigação e estudos realizados na planície de Recife.
No Capítulo 3 é apresentada a revisão sobre modelagem computacional em águas subterrâneas, com descrição dos processos de execução de uma modelagem, equações utilizadas para descrever o fluxo d’água subterrâneo e para o transporte de solutos. E também são apresentados inúmeros programas para resolução de problemas em águas subterrâneas.
No Capítulo 4 é feita a caracterização da área de estudo com localização, uso das águas subterrâneas, clima, relevo, cobertura vegetal, hidrografia e geologia.
No Capítulo 5 é apresentado a modelagem computacional de fluxo utilizando o programa Visual Modflow.
No Capítulo 6 é mostrado o problema de salinização na região de estudo, com as análises de isótopos, hidroquímica, ilustrando a distribuição espacial da salinização.
Finalizando, no Capítulo 7, são apresentadas as considerações finais sobre o risco de salinização na região central de Recife.
2. SALINIZAÇÃO DE AQÜÍFEROS COSTEIROS
O entendimento da fonte de salinização, a extensão do problema, e a hidráulica do sistema de água subterrânea, são elementos importantes para o gerenciamento dos recursos hídricos. Para isso, o uso das várias técnicas de investigação auxilia a compreensão e o acompanhamento do processo de contaminação, como é a salinização.
2.1 Formas de Salinização
A intrusão marinha, ou avanço da cunha salina é a forma de salinização mais conhecida e mais estudada que ocorre nas regiões costeiras. Na situação natural, existe o gradiente hidráulico no aqüífero, que induz o fluxo de água doce em direção ao mar, mantendo a cunha salina em posição de equilíbrio. Com o bombeamento excessivo de água doce, o equilíbrio é rompido, ocorrendo, então, o avanço da cunha.
A separação entre água doce e água salgada ocorre numa zona de transição onde o teor de sais cai gradativamente, o que já era explicado por Cooper et al. (1964), e Bear e Dagan (1964). A largura da faixa de transição depende das condições de fluxo e das características do aqüífero. Em alguns casos ela pode ser bastante larga e em outros pode ser estreita comparada à espessura do aqüífero, podendo, então, ser considerada como uma interface abrupta.
Sakr (1999) analisou numericamente a largura da zona de transição. A interface pode ser considerada abrupta, quando a largura de transição é menor que 50% da espessura do aqüífero. Esta simplificação é feita quando possível, devido ser mais fácil criar os modelos computacionais para calcular o deslocamento da cunha. Se esta condição não for confirmada, então são necessários os modelos que levam em conta a hidrodispersão e a zona de transição.
Existem várias formas de ocorrer o avanço da interface (Bear, 1979). O mais comum é quando ocorre a inversão dos gradientes hidráulicos, devido ao bombeamento excessivo, reduzindo o escoamento da água subterrânea em direção ao mar, dessa forma, quebrando o equilíbrio e permitindo o deslocamento da cunha em direção ao continente (figura 2.1a). No caso de uma ilha, a interface assume a
forma de uma lente (figura 2.1b). Aqüíferos estratificados apresentam a interface em posição diferente, dependendo do fluxo natural e da explotação naquela camada (figura 2.1c). Em outros casos, com a existência da camada de água salgada abaixo da camada de água doce, e com a extração em excesso de água doce, pode ocorrer a elevação da interface em forma de cone em direção ao poço de bombeamento (figura 2.1d).
Figura 2.1 - Formas de salinização.
Em aqüíferos costeiros sedimentares, é muito comum a existência de várias camadas aqüíferas intercaladas por aqüitardos semipermeáveis. Geralmente, os aqüíferos superiores são explotados inicialmente pela facilidade de acesso e custos mais baixos. Quando o aqüífero superior saliniza, os usuários passam a explorar a camada aqüífera mais abaixo. Ao ser bombeada (camada inferior), ela fica com carga hidráulica reduzida, o que pode induzir um fluxo de águas salinizadas proveniente da camada superior que já havia sido salinizada inicialmente.
A ameaça de contaminação vertical pode se concretizar quando o aqüitardo não possui uma condutância (condutividade ÷ espessura) suficientemente baixa para garantir o isolamento entre as camadas, quando existem descontinuidades do aqüitardo (caminhos preferenciais de interconexões entre as camadas aqüíferas), ou
a) b)
quando existem poços com isolamento deficiente que deixam passagem entre as camadas.
Muitas cidades costeiras brasileiras localizam-se a margem de estuários de rios, cujas águas no trecho dominado pela maré apresentam elevado teor de salinidade e podem se infiltrar no aqüífero. A dinâmica das marés também contribui para a propagação de sais nas proximidades da zona de transição. Outra causa é a mudança sazonal no fluxo natural da água subterrânea; se o fluxo natural em direção ao mar diminui, a interface salina avança em direção ao continente.
A salinização de alguns poços tem ocorrido nos últimos anos, em Recife. Vários estudos vêm sendo feitos para entender o processo de salinização (França et al., 1987; Cabral e Cirilo, 1987; Cabral et al., 2000; Montenegro et al., 2000; Montenegro et al., 2003).
Em vários outros aqüíferos no Brasil começa a se manifestar o problema da salinização, por exemplo: Silva Junior et al. (2000) mostram a problemática da intrusão marinha no Leste Fluminense /Niterói-RJ por diversos métodos de investigação. Braga et al. (2002) apresentaram um estudo da influência da variação da maré nos aqüíferos, numa área de manguezais ao redor da Baía de Guanabara. Apesar das oscilações da maré serem importantes para o regime de fluxo subterrâneo, o estudo não mostrou variações hidroquímicas significativas.
As mudanças climáticas também podem afetar a qualidade das águas de aqüíferos costeiros. A elevação do nível do mar provocada pelo aquecimento global é outro ponto que também trará conseqüências na qualidade das águas desses aqüíferos (BGS, 2002).
2.2 Técnicas de Investigação
A conceitualização adequada do sistema hidrogeológico freqüentemente requer a aquisição de novos dados de campo. Existem vários métodos para se obter diversos parâmetros que ajudam no entendimento do sistema, conseqüentemente do problema que possa estar ocorrendo. Na construção de um poço podem ser obtidas informações preciosas a respeito das condições subsuperficiais. Além das amostras litológicas retiradas durante a perfuração, com um poço pode-se realizar perfilagem geofísica, obter amostras d’água para realizar análises químicas, obter
informações de algumas propriedades do aqüífero explotado, além de acompanhar o nível potenciométrico do aqüífero.
2.2.1 Níveis Potenciométricos
O objetivo primário de um poço de monitoramento é ser um acesso pontual para medições dos níveis da água subterrânea e permitir a obtenção de amostras dessa água que possam representar bem a condição do local específico. É importante tomar cuidado na construção de um poço para que as medições realizadas sejam representativas.
Com medições dos níveis d’água é possível obter algumas informações como: taxa e direção do movimento das águas subterrâneas; estado ou mudanças no armazenamento das águas subterrâneas; mudanças no nível devido à extração d’água; quantidade, fonte, área de recarga, e estimativa da descarga; características hidráulicas de um aqüífero, identificar áreas onde o nível d’água está próximo a superfície do terreno, esboçar o alcance dos ganhos e perdas de rios ou canais, etc.
Os dados de níveis d’água podem ser obtidos de poços construídos, piezômetros e de interfaces de água superficial e água subterrânea, tais como: lagos, rios, e áreas alagadas. Não existindo estas fontes, será necessário a instalação de poços de observação. Para um bom conjunto de dados são necessárias informações básicas: nome ou número do poço e proprietário, dados da perfuração, uso do poço, localização, elevação da superfície do terreno e a identificação do ponto medido, profundidade do poço, tamanho e tipo de revestimento, localização e tipo de filtro. O custo para construção de poços de observação em aqüífero profundo é elevado, o que normalmente conduz a se fazer medições nos poços construídos que estão sendo utilizados ou abandonados. Existem vários tipos de técnicas de medição dos níveis potenciométricos em poços não jorrantes: fita graduada, medidores elétricos, linhas de ar, transdutor de pressão (US Army, 1999).
A fita graduada é o método mais antigo. Comumente se utiliza a fita preta, na qual faz-se uma marcação no trecho final da fita com giz de carpinteiro. Existe um peso guia para garantir que a fita está descendo até o nível d’água. A medição é
feita observando-se a profundidade que a fita está e retirando-se o comprimento em que a fita ficou molhada.
Os medidores elétricos consistem de dois eletrodos que completam um circuito quando imersos na água (figura 2.2). Estes eletrodos são fixados a um suprimento de força por um cabo condutivo. Quando o aparelho está submerso na água e o sistema com os eletrodos está fechado, é emitido um alerta sonoro ou luminoso que normalmente está embutido no carretel. Estes medidores podem acompanhar mudanças mais rápidas no nível.
Figura 2.2 - Foto do medidor de nível elétrico. Este medidor foi utilizado em várias campanhas de medição de nível de poços rasos e profundos na área de estudo.
Os aparelhos de pressão de ar consistem de um tubo hermético, que quando submerso na água, registra a pressão. Multiplicando a pressão em psi por 0,7076m/psi tem-se a profundidade do sensor em relação ao nível d’água dentro do poço (US Army, 1999). Esta distância pode ser subtraída do comprimento total do tubo no poço, então, determina-se a profundidade do nível d’água. Em estudos com maior precisão é necessário fazer a correção das variações da pressão atmosférica.
Existem outros que utilizam transdutores de pressão, com a vantagem de saída digital (figura 2.3). Esta saída digital pode ser acoplada a um instrumento de transmissão de dados para um escritório remoto, ou pode ser armazenado “in loco” em unidades de memória eletrônica, tipo datalogger. Estes aparelhos permitem uma programação dos intervalos de tempo para a medição de 0,5seg a 99h, sendo possível acompanhar variações nos níveis ao longo do tempo.
Figura 2.3 - Foto à esquerda mostra o transdutor de pressão (modelo Levelogger) com o cabo de aço para ser instalado dentro do poço na área de estudo. Foto à direita mostra o Levelogger (amarrado ao cabo de aço) e ao lado o cabo de transferência de dados para um computador. Este aparelho foi utilizado para analisar as variações de nível d’água dentro do poço devido às variações de nível no rio que passa próximo ao poço.
O conhecimento das elevações dos níveis potenciométricos é importante para determinar a extensão da intrusão marinha. Em um sistema com vários aqüíferos serão necessárias medições em diferentes profundidades. Nesse caso, pode-se utilizar vários poços com diversas profundidades ou utilizar poços de múltiplos níveis. As informações dos níveis potenciométricos também são bastante utilizadas para os modelos numéricos de fluxo, e os poços de observação são utilizados para a calibração desses modelos. São também importantes para determinar a relação rio / aqüífero, se o rio é influente ou efluente.
2.2.2 Condutividade Elétrica
O método de campo mais conhecido para avaliação da salinidade da água é pela medição da condutividade elétrica (ou o seu inverso, a resistividade elétrica), a qual depende essencialmente da salinidade, mas também varia com a temperatura e
percentagem de íons. Nas águas com cloreto de sódio dominantes a percentagem dos outros íons tem pouca influência (Cotecchia e Custodio, 1987).
A instrumentação consiste de: um sensor contendo os eletrodos e em alguns modelos um sensor de temperatura; um cabo conectando o provador ao aparelho de medição; um aparelho de medição de condutância (ou resistência) com zeragem manual ou automática (figura 2.4). São normalmente portáteis alimentados por baterias. Atualmente, já existem diversos modelos, alguns automáticos são usados em estações telemétricas, os quais fornecem medições contínuas da condutividade elétrica para uma central num intervalo de tempo pré-determinado.
Figura 2.4 - Foto de um condutivímetro, utilizado para monitoramento da salinidade em vários poços de Recife.
A salinidade das amostras d’água é averiguada por curvas de calibração. Tendo a resistividade da amostra desconhecida na temperatura ambiente (Rt), a
resistividade a 25ºC é calculada pela aplicação da fórmula R25 = (Rt – Rc) * (1 -α.t),
em que α = fator de temperatura (= 0,025) e Rc é a resistência do cabo do eletrodo.
A curva de calibração é obtida pelo gráfico da resistividade (R25) e valores da salinidade de cada amostra numa escala logarítmica. A correção da temperatura deve ser aplicada a todos os valores de resistividade medidos “in situ”.
No caso da água do mar, os sólidos totais incluem sais tais como cloreto de sódio, cloreto de magnésio, ou cloreto de potássio. A água do mar pura contém
aproximadamente 35.000mg/L de sólidos dissolvidos, dos quais 19.000mg/L são cloretos (Hem,1985). A condutividade elétrica da água do mar pura é de
aproximadamente 50.000 μS/cm. As medições de condutividade elétrica podem
facilitar a determinação se a elevada concentração de cloretos na água subterrânea é devida à intrusão marinha ou por outros motivos.
Há freqüentemente uma relação aproximadamente linear entre a concentração de cloretos e a condutividade elétrica, da forma que quanto mais alta a concentração de cloretos, maior os valores de condutividade elétrica. Como há uma relação de proporcionalidade entre o teor de sais dissolvidos e a condutividade elétrica, pode-se estimar o teor de sais pela medida de condutividade de uma água, ou seja, quando a condutividade é conhecida o seu teor salino é de aproximadamente dois terços desse valor (ANA, 2002). Normalmente a
condutividade elétrica é medida em microsiemens por centímetro (μS/cm). O padrão
de água potável para a condutividade elétrica é < 750 μS/cm. Costa et al. (2003)
analisaram a correlação entre resíduo seco (RS) e condutividade elétrica (CE) para mais de 600 poços na Região Metropolitana de Recife e obteve a expressão RS = 0,6581 * CE + 96,413.
O monitoramento da condutividade elétrica pode ser utilizado como forma de encontrar a interface salina através do acompanhamento da condutividade elétrica das águas subterrâneas em múltiplos níveis.
2.2.3 Hidroquímica
A qualidade da água é avaliada através de medição de uma série padrão de constituintes, os quais determinarão se a água serve para o consumo humano ou não. Essas análises incluem pH, sólidos totais dissolvidos, condutividade elétrica, e sais inorgânicos (por exemplo, Ca, Mg, Na, K, Cl, NO3, SO4, HCO3). Em áreas costeiras, esses aspectos químicos são mais importantes devido às rápidas mudanças hidroquímicas que podem ocorrer. O prévio monitoramento e detecção da origem da salinidade são cruciais para um gerenciamento dos recursos hídricos e para um controle da salinização com sucesso. A análise química pode ser checada usando o balanço iônico, pela comparação das concentrações de cátions e ânions, expressas em mili-equivalentes por litro (meq/L). Uma das formas usuais de
apresentar as características hidroquímicas da água subterrânea é utilizando diagrama de Piper na forma de gráfico trilinear.
A água do mar contém grande quantidade de sais dissolvidos, principalmente o cloreto de sódio. A água do mar, em cada região, tende a apresentar composição uniforme devido à dinâmica das misturas dos principais constituintes. Ao contrário, as águas naturais do subsolo têm uma composição química muito variada, mas poucos íons principais ou fundamentais representam, na maioria dos casos, 99 por cento do conteúdo iônico total. Estes componentes fundamentais são fáceis de analisar e qualquer laboratório químico pode determinar suas medidas.
A salinidade total e a composição química das águas subterrâneas são muito complexas e envolvem aspectos como a litologia, característica do solo e vegetação, clima e caminho do fluxo da água. Algumas destas relações podem ser mostradas ou caracterizadas por meio de razões químicas (entre a concentração dos íons selecionados) ou diagramas químicos. As razões químicas da água do mar podem ser tomadas como constantes. Algumas das razões químicas são características para a água do mar e diferem de águas continentais, especialmente Mg/Ca e Cl/HCO3, mas pequenas variações de outras razões também são muito importantes.
A razão íons alcalinos pelos cloretos ( (rNa + rK) / rCl ) também é muito útil nos estudos de salinização em áreas costeiras (o “r” representa que os valores químicos são dados em meq/L). Para água do mar a razão varia geralmente entre 0,87 e 0,88. Ou pode ser verificado pela razão rNa/rCl, que é aproximadamente de 0,86 (Jones et al., 1999). O valor para água doce é uma função do processo químico
durante a recarga, mas geralmente é 1,0 ± 0,1. Quando a água salina desloca a
água doce a razão alcalinos/cloreto modifica e serve como um indicador do processo de salinização.
A razão Cl/Br pode ser usada como um traçador confiável, devido ao Cl e Br serem conservativos (isto é, não reagem com a matriz do aqüífero), exceto na presença de quantidade muito grande de matéria orgânica. De acordo com a razão Cl/Br podem ser obtidas informações sobre a fonte de salinização: a água do mar possui aproximadamente rCl/rBr = 655 (Custódio e García, 2003).
Uma das características da intrusão salina é comumente o enriquecimento do Cálcio acima da concentração na água do mar. Razões altas de Ca/Mg e Ca/(HCO3 + SO4) (>1) são indicadores da chegada da intrusão marinha. Todavia, águas salinas com valores altos de Ca podem ter outras origens (Jones et al., 1999).
A distribuição da salinidade em áreas costeiras é tridimensional, mas é difícil de representá-la. Geralmente a salinidade é representada por um destes valores: conteúdo do íon cloreto; salinidade total ou sólidos totais dissolvidos; condutividade elétrica em uma temperatura de referência. O cloreto é o mais utilizado. Quando existem dados suficientes disponíveis, o uso de perfis verticais ou seções transversais são excelentes meios de mostrar a distribuição vertical da salinidade. Estes perfis são geralmente perpendiculares à costa, de acordo com a característica da cunha salina, mas outras direções podem ser tomadas. É muito comum se construir mapas de isosalinidade, tanto de uma determinada área, como também de uma determinada seção. Estes mapas ajudam a visualizar o avanço da cunha salina. Uma série temporal das concentrações de cloretos pode mostrar mais cedo a evolução, relativamente rápida, do processo de salinização.
2.2.4 Composição Isotópica
Isótopos são átomos do mesmo elemento que têm diferentes massas; eles têm o mesmo número de prótons e elétrons, mas o número de nêutrons diferente
(Ex.: 126C→ 6 prótons, 6 elétrons, 6 nêutrons; 146C→ 6 prótons, 6 elétrons, 8
nêutrons). Os 92 elementos naturais dão origem a mais de 1000 isótopos estáveis e radioativos. Estes são freqüentemente chamados de isótopos ambientais (US Army, 1999). Os isótopos ambientais são classificados em dois grupos: estáveis e instáveis ou radioativos. A maioria dos isótopos estáveis não reage quimicamente no meio ambiente subsuperficial e são utilizados para determinação da fonte da água subterrânea. Nos isótopos instáveis há o decaimento radioativo. Os isótopos instáveis são utilizados para determinação da idade da água. A abundância relativa dos isótopos de hidrogênio, oxigênio e carbono no ciclo hidrológico é apresentada na tabela 2.1.
Isótopos estáveis podem ser usados como traçadores naturais que se movem na velocidade média das águas subterrâneas. São usados na determinação de áreas de recarga, graus de mistura entre águas de diferentes origens, e separação hidrográfica. Os isótopos estáveis mais comuns usados na análise hidrológica são 18
Nos elementos mais leves, tais como H e O, as diferenças na massa produzida pelos isótopos são significativas para a massa total do átomo. Estas diferenças na massa causam o fracionamento isotópico na natureza. O fracionamento isotópico é qualquer processo que cause as razões isotópicas em fases ou regiões particulares para diferir de outras. A razão de interesse no caso de
isótopos estáveis é a quantidade dos isótopos pesados (18O, 13C, 34S, etc) com
relação às espécies de isótopos mais abundantes (16O, 12C, 32S, etc). Devido às
pequenas diferenças observadas nas razões isotópicas (2H/1H, 13C/12C) da maioria
das substâncias, as concentrações de isótopos são expressas como desvios (por mil) entre a razão da amostra e a mesma razão de um padrão internacionalmente
aceito. Este desvio é representado por δ:
1000 ) / ( ) / ( ) / ( ) / ( 18 16 16 18 16 18 18 = − × padrão padrão amostra amostra oo o O O O O O O O δ
Tabela 2.1 - Abundância relativa dos isótopos de H, O e C no ciclo hidrológico.
Átomo Abundância Relativa (%) Tipo
1
H 99,984
2
H (deutério) 0,016 Isótopo estável
3
H (trítio) 0 - 10-15 Isótopo instável (t1/2 = 12,3anos)
16
O 99,76
17O (oxigênio-17) 0,04 Isótopo estável
18
O (oxigênio-18) 0,20 Isótopo estável
14C (carbono-14) < 0,001 Isótopo instável (t
1/2 = 5730 anos)
Fonte: Freeze e Cherry, 1979.
O fracionamento isotópico de δ18O e δ2H, durante mudanças de fase,
enriquece um isótopo com relação ao outro. Águas que foram sujeitas à evaporação
são enriquecidas em 2H com relação ao 18O por causa do seu peso atômico mais
baixo. Além disso, o fracionamento depende da temperatura, por exemplo, na
precipitação do inverno há redução no 18O e 2H comparado com a precipitação do
Os isótopos estáveis também têm sido usados na separação do hidrograma de enchente (Sklash, 1990). Os rios têm duas fontes principais de água: escoamento superficial e água subterrânea. Nos rios onde o escoamento superficial direto é a
principal fonte de água, há grandes variações sazonais nos δ18O e δ2H medidos.
Nos rios em que o escoamento de base é importante, as variações deδ18O e δ2H
são significativamente menores devido ao período de retenção maior e mistura no aqüífero.
Relações entre δ18O e δ2H e entre δ18O e salinidade tem sido usados em
vários estudos para identificar os diferentes caminhos de salinização.
Isótopos da água: Oxigênio-18 e Deutério (18O e 2H (D))
A proporção de deutério (2H) e hidrogênio (1H) no hidrogênio da água, e nos
oxigênio pesado (18O) e leve (16O) no oxigênio da água variam de acordo com a
origem, desde que haja um fracionamento isotópico durante a evaporação, transporte e precipitação que também dependem da estação, altitude e temperatura do ambiente (Araguás, 2003).
A distribuição natural do conteúdo de isótopos da precipitação resulta em uma “etiqueta” particular (também chamada de “assinatura”) dos diferentes corpos de água (rios, lagos, água subterrânea). Esta etiqueta é usada para investigar a origem de cada tipo de água e as possíveis interconexões entre esses. Devido aos diferentes conteúdos de isótopos usualmente observados entre as águas
subterrâneas e a água do mar, 18O e 2H têm sido usados para avaliação ou
confirmação da intrusão marinha como o principal mecanismo de salinização (Araguás, 2003).
No caso de 18O e 2H, o valor de referência para o desvio (δ) é uma
composição da amostra da água do oceano (V-SMOW – Vienna - Standard Mean
Oceanic Water). Valores de δ negativos correspondem a amostras com razões
isotópicas (2H/1H, 18O/16O) menores que a mesma razão no padrão. Valores
positivos correspondem a amostras com maiores razões isotópicas (isotopicamente enriquecidas) (Gat, 1996). O conteúdo de isótopos para os elementos mais leves é
determinado pelo espectrômetro com uma incerteza típica de ± 0,1 oo
o/ para δ18O e δ13 C e de ± 1,0 oo o/ para δ2H.
Os valores padrão de δ18O e δ2H da água do mar são muito próximos a
0 oo
o/
. O conteúdo de isótopos da água do mar para ambos os isótopos podem ser
ligeiramente diferentes ao valor médio de 0 oo
o/
. Valores de δ enriquecidos nas
amostras de água do mar são encontradas em mares e bacias marinhas fechadas, onde o balanço de água (precipitação menos evaporação) é diferente com relação ao mar aberto. Nos casos onde a contribuição de água doce do continente é importante na bacia ou mar (e portanto, a salinidade é menor que a média da água
do mar), a composição isotópica é menor que 0 oo
o/
(valores negativos de δ).
Os diagramas relacionando os conteúdos de isótopos δ18O e δ2H, tanto
como δ18O e salinidade são usados para identificar a origem e o processo que
afetou os diferentes corpos d’água.
Os processos de evaporação são facilmente identificados, porque tais processos não alteram só os desvios isotópicos, mas também a relação entre os dois isótopos. Pode-se traçar num plano cartesiano os desvios de deutério versus de oxigênio-18 para uma área específica, e encontrar a linha de águas meteóricas, a qual segue uma relação empírica para a precipitação continental da forma:
b O a
D= ⋅δ18 +
δ (Cotecchia e Custodio, 1987). Onde a e b são duas constantes,
que podem ser ajustadas. Normalmente a = 8 e b = 10 para a chuva em mar aberto, sem evaporação na precipitação. Quando há evaporação superficial, há um aumento
emδ18O e δ2H.
Durante o processo de infiltração, a composição isotópica não é alterada.
Assim, a origem da água salobra pode ser estudada através de conteúdos de 18O
e/ou 2H. A água salinizada tem uma composição isotópica diferente da água do mar,
que possui uma origem diferente. Se a água subterrânea fluir através de áreas de altas temperaturas, há uma troca isotópica com o material sólido que afeta a
composição isotópica do oxigênio. A água torna-se mais pesada em 18O, mas a
composição isotópica do hidrogênio não é modificada. Assim, a origem da água pode ser estudada e o processo termal ou a mistura com águas termais pode ser verificada (Cotecchia e Custodio, 1987).
A água subterrânea afetada pela salinização devido a outro processo que não seja a intrusão marinha direta pode ser identificada considerando as características hidrogeológicas, pela integração hidroquímica e por conteúdos de isótopos estáveis.
A informação pode ser complementada por outros indicadores tais como métodos geofísicos de superfície, perfilagem geofísica e outros parâmetros geoquímicos.
Pereira et al. (2002) realizou uma série de análises de oxigênio-18 e deutério, para descobrir a origem das águas nos aqüíferos em São Luis. Também verificou a diferença isotópica com relação a outras regiões do Brasil.
Aguiar et al. (2000) estudou a origem dos sais nas águas subterrâneas dos aqüíferos costeiros do município de Caucaia / Ceará; onde verificaram com análise de oxigênio-18 e deutério, que as águas salinizadas eram provenientes dos aerossóis marinhos e não da contribuição do mar. Também, Santiago et al. (2000) conseguiram verificar a não contribuição do mar para a salinização de aqüíferos do Rio Grande do Norte e Piauí.
Trítio (3H)
Trítio é o isótopo de hidrogênio de massa 3. Esse isótopo radioativo é
convertido, pelo decaimento radioativo, em 3He, por meio da emissão de uma
partícula beta-negativa de baixa energia. O tempo de meia-vida é de 4500 ± 8 dias (12,3 anos). Na Hidrologia Isotópica, a concentração de trítio da amostra de água é expressa em unidades de trítio (T.U. – Tritium Units). Uma TU é equivalente a um
átomo de trítio em 1018 átomos de 1H ou 3,2 × 10-3 μCi/m3 (Araguás, 2003).
O 3H é produzido na atmosfera superior e incorporada dentro do ciclo da água
como água “tritificada”. A produção natural de trítio encontrada na água meteórica varia entre 2 e 20 TU, dependendo da latitude e altitude. O trítio derivado de atividades antrópicas está relacionado às explosões atmosféricas termonucleares nos anos de 1950-1960 ou pela emissão de certas atividades industriais ou por reprocessamento nuclear.
A presença do trítio na água subterrânea é interpretada como um indicativo claro de recarga recente, principalmente para locais no hemisfério norte, onde ocorrem os testes nucleares. Em muitos casos, o trítio indica a mistura de dois componentes da água subterrânea, cada um com um tempo de residência particular no aqüífero. A ausência do trítio indica tempo de trânsito da água subterrânea antes dos anos 50. Usualmente, aqüíferos rasos contêm trítio devido às altas velocidades do fluxo e distâncias curtas, enquanto nos aqüíferos confinados mais profundos contêm pouco ou nenhum trítio, já que ocorre o decaimento depois de viajar aproximadamente 100 anos no aqüífero (US Army, 1999).
Isótopos em Carbono Dissolvido: Carbono-14 e Carbono-13 (14C e 13C)
Os isótopos de carbono constituem outra ferramenta para investigação de aspectos adicionais com relação à dinâmica da água subterrânea nos aqüíferos costeiros. Ambos os isótopos podem ser usados na forma convencional para “datar” a água subterrânea (Kalin, 2000) e para investigar processos de interação rocha-água afetando os aqüíferos carbonáticos e detríticos (Back e Hanshaw, 1984. Stüben et al., 1996; Sukhija et al., 1996). Como o trítio, quantidades pequenas de
14C também são produzidas naturalmente na atmosfera, e concentrações muito altas
de 14C são introduzidas na atmosfera por testes nucleares, sendo posteriormente
carreadas pela precipitação.
O carbono-14 constitui a ferramenta radiométrica clássica para “datar” águas subterrâneas velhas. O método é baseado na presença de uma pequena fração de 14
C cosmogênica do TDIC (Total Dissolved Inorganic Carbon). O conteúdo de 14C é
expresso como percentagem do chamado “carbono moderno”, o qual corresponde a
atividade de 14C de uma amostra de madeira crescida em 1890. O tempo de
meia-vida deste isótopo é 5730 anos, estendendo a gama de datas radiométricas pelo 14C
para aproximadamente 35.000 anos. Todavia a geoquímica complexa do carbono
requer o uso de modelos geoquímicos para corrigir a contribuição do 14C livre de
rochas carbonáticas para o TDIC. O cálculo das correções requeridas do isótopo
estável 13C e da análise química de amostras de água são incluídas nos modelos
(Araguás, 2003).
O carbono-13 é o isótopo estável pesado do carbono de interesse na
geoquímica, cuja abundância natural é ~1,1%. Os conteúdos de 13C nesse campo
são expressos em δ(desvio por mil com relação ao padrão internacional Vienna-Pee
Dee Belemnite – V-PDB). O padrão é um fóssil marinho carbonatado da idade Jurássica e portanto, a maioria das rochas carbonáticas de origem marinha na matriz
de muitos aqüíferos apresentam um valor de δ13C de 0 oo
o/
.
Águas continentais são mais leves devido aos efeitos de fracionamento do
carbono no CO2 das plantas (δ13C ~ 25 oo
o/
para as plantas) que contribui pela
metade do conteúdo de HCO3 nas terras ricas em carbonatos. Assim, verifica-se que
a água do mar é pesada em 13C e águas salgadas e salobras de origem continental
trocas isotópicas entre o carbono dissolvido e o carbono no sólido e fases gasosas dão algumas incertezas (Cotecchia e Custodio, 1987).
Complicações que podem ocorrer ao usar a análise de 14C: a) dissolução de
minerais carbonáticos ou oxidação de matéria orgânica pode adicionar carbono
“morto” (14C não detectável) a água, dando uma idade mais velha erroneamente. Já
existem inúmeras técnicas de correção; b) Mistura de águas do aqüífero. Um
conteúdo de 14C pode ser indicativo de água velha, ou uma mistura de água jovem e
água “morta”. Todavia, medidas baixas de 14C podem ser interpretadas para se obter
a idade da água subterrânea só em cenários de fluxo onde a mistura é insignificante (US Army, 1999).
Frischkorn e Santiago (2000) utilizaram o isótopo de carbono para caracterizar a origem das águas nas bacias sedimentares do Nordeste como sendo paleoáguas, águas provenientes de mudanças no paleoclima de cerca de 10000 anos atrás.
Isótopos em Enxofre Dissolvido: Enxofre-34 e Oxigênio-18 (34S e 18O)
Os isótopos de enxofre são uma ferramenta para investigação da origem do sulfato e outros sais dissolvidos nas águas subterrâneas em aqüíferos costeiros. Similarmente a outros isótopos estáveis pesados de elementos leves, o conteúdo de isótopos de enxofre é expresso como desvio por mil com relação a um padrão internacional. A razão de isótopos de interesse para a pesquisa geoquímica em
hidrologia e outros campos é 34S/32S. No caso do enxofre, o padrão é um mineral de
aço sulfúrico encontrado em um meteorito (Vienna-Canyon Diablo Troilite, V-CDT). A
gama de conteúdos de isótopos na natureza é bastante grande (~60-100 oo
o/
), devido ao grande número de espécies químicas e estados de valência nos quais o enxofre é encontrado (Araguás, 2003).
Além da razão do isótopo de enxofre no íon sulfato, a razão do isótopo de oxigênio pode ser precisamente medida e usada como parâmetro adicional para estudar a origem e evolução do enxofre no meio ambiente. Neste caso, a razão de isótopo é expressa com desvio por mil com relação ao V-SMOW.
A água do mar apresenta um conteúdo isotópico bastante constante: δ34S =
+21 oo
o/
, e δ18O = +9,5 oo
o/
. A composição de isótopos do sulfato dissolvido na água subterrânea é, na maioria dos casos, significativamente diferente, dependendo da
fonte do sulfato dissolvido. Se a origem está relacionada as rochas ígneas ou
magmáticas, os valores de δ34S são significativamente menores do que os valores
encontrados na água do mar. Nestes casos, elucida a contribuição do sulfato derivado de água marinha. Todavia, se a origem do sulfato está relacionada ao gesso derivado de depósitos de evaporação de origem marinha, a situação pode ser mais complexa, já que o conteúdo de isótopo original está mais próximo do valor de
δ34
S da água do mar. As diversas origens do sulfato dissolvido pode ser identificada por estes isótopos (Krouse e Mayer, 2000).
Frischkorn et al. (2002) com análises de oxigênio-18 e Sr-87 / Sr-86 conseguiram identificar que 30% da recarga do lençol freático de Fortaleza é proveniente de águas contaminadas de fossas sépticas.
2.2.5 Monitoramento de Multiníveis
O sistema de amostragem por multiníveis é utilizado para caracterizar a contaminação da água subterrânea. A migração da contaminação (por exemplo: salinização) nos sistemas aqüíferos é um processo complexo, e é caro e difícil caracterizá-lo. A amostragem e o monitoramento de alguns níveis em diferentes profundidades na subsuperfície permite identificar os potenciais e reais caminhos da migração do contaminante. Atualmente existem várias opções disponíveis para amostragem de água subterrânea em múltiplos níveis para o monitoramento de uma determinada área.
Os tipos de sistemas de monitoramento de multiníveis são: Múltiplos tubos;
Tubulação de multicanais contínuos (CMT); Sistemas de múltiplos níveis Waterloo; Sistema de múltiplas portas (MP).
A primeira opção denominada “múltiplos tubos” (multiple completions) envolve piezômetros “agrupados” (clustered), instalados individualmente em cada furo; e “aninhados” (nested), que é o conjunto de piezômetros instalados em um único furo. As outras opções são sistemas manufaturados de amostragem em múltiplos níveis; incluem sistemas de simples tubulação de multicanais contínuo e sistemas de
multiníveis com portas em diferentes posições. É importante lembrar que para o monitoramento multinível funcionar a contento é necessário uma instalação confiável das zonas selantes entre as várias zonas de monitoramento (CL:AIRE, 2002).
Algumas vantagens dos sistemas multiníveis fabricados são: permitir um detalhamento dos dados em três dimensões, melhorando o conhecimento das condições hidrogeológicas e do transporte de contaminantes; reduzir o custo de perfuração e instalação; obtém-se resultados com poucos furos e assim reduz-se distúrbios no local; evitar a possibilidade de mistura da água no furo, que pode ocorrer nos “múltiplos tubos”; minimizar a perda de volumes d’água, e redução dos custos de disposição e manipulação; ganho de tempo na execução e no monitoramento.
Múltiplos Tubos
Múltiplos Tubos no aqüífero envolve a perfuração e instalação de mais de um piezômetro em um simples furo (aninhados), ou em um número de piezômetros em um conjunto de furos (agrupados) como mostrado na figura 2.5. Cada furo tem o diâmetro de 150mm ou 200mm e são perfurados usando o método rotativo ou de percussão.
Tubulação de Multicanais Contínuos (CMT)
O sistema de múltiplos níveis Tubulação de Multicanais Contínuos (CMT – Continuous Multichannel Tubing) é um modo econômico de monitoramento de águas subterrâneas em multiníveis, pois consiste numa instalação típica com o benefício de preencher o espaço anelar com o material da escavação ou selar ao redor de um tubo simples. Cada sistema CMT dá a opção de até 7 zonas de monitoramento em um único tubo e pode ser rapidamente instalado em furos de 64mm ou maiores. De acordo com o fabricante o sistema CMT já foi instalado em profundidades de até 90m (Solinst, 2004).
O CMT é um tubo de polietileno de alta densidade de 7 canais prensados continuamente com 43mm de diâmetro externo. Possui os comprimentos padrões de 30m, 60m e 90m. Não há juntas no CMT, o que tira o risco de vazamento. Seções filtrantes e selantes podem ser colocadas precisamente nas profundidades desejadas e construídas no local. Os selos podem ser feitos com o preenchimento de bentonita ou por pacotes isolantes infláveis (packers).
As medições dos níveis d’água podem ser feitas com medidores de nível de diâmetros pequenos. Amostras de água podem ser coletadas utilizando amostradores especializados, válvulas de pé ou bomba peristáltica.
Sistema de Multiníveis Waterloo
O Sistema de Multiníveis Waterloo (WMS – Waterloo Multilevel System) é um sistema de múltiplos níveis modular o qual inclui um tubo de revestimento fechado de até 24 portas de monitoramento em cada furo de acordo com a configuração do sistema. O sistema pode ser instalado em vários ambientes hidrogeológicos em profundidades de até 230m. Esse sistema foi originalmente desenvolvido pelo Instituto de Água Subterrânea da Universidade de Waterloo em 1984. O sistema pode ser utilizado tanto para análise de intrusão marinha, como para o estudo de contaminação, sondagem de gás no solo, reabilitação/vazamento em barragens, aterros sanitários, etc (Solinst, 2004).
O sistema WMS consiste de componentes de monitoramento, os quais são instalados permanentemente ou temporariamente no furo. Tubos de pequenos diâmetros, que funcionam como poços miniatura, conectam cada porta de monitoramento isolada a superfície por dentro do revestimento, onde eles podem ser acessados para amostragem da água subterrânea, medidas de carga hidráulica e
