RAZÕES IÔNICAS E ÍNDICES DE LANGELIER E LARSON
NO ESTUDO HIDROGEOQUÍMICO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS
NO MUNICÍPIO DE QUIXERÉ - CEARÁ
Michel Lopes Granjeiro1a; Maria Marlúcia Freitas Santiago1b; Carla Maria Salgado Vidal Silva1c;
Horst Frischkorn2; Zulene Almada Teixeira3 & Josué Mendes Filho1d
RESUMO --- A Chapada do Apodi é a segunda maior reserva de água subterrânea do Estado do Ceará, onde é desenvolvida agricultura irrigada; o município de Quixeré, com área na Chapada é um dos maiores produtores de melão do Estado. Como as águas subterrâneas estão em áreas de calcário e conseqüentemente apresentam dureza elevada, foi utilizado neste trabalho o índice de Langelier para diagnosticar a capacidade de incrustação, o índice de Larson que dá uma estimativa da agressividade natural da água e razões iônicas para estudar o comportamento hidrogeoquímico. Para calcular as razões e os índices foram realizadas medidas hidroquímicas em 31 amostras no período chuvoso e 29 amostras do período seco. Dos resultados obtidos pode-se concluir que a maioria dos poços amostrados contém águas continentais que sofrem influência de terrenos dolomíticos, todos os poços têm de água doce e as águas analisadas apresentam tendência à incrustação e à corrosão.
ABSTRACT --- The Apodi Plateau houses the second largest groundwater resources of Ceará State, being used for irrigation; the township of Quixeré, with part of its área on the Plateau, is one of the greatest producers of melons of the State. As groundwaters of the area come from limestone aquifers and present elevated hardness, we used Langelier index for a diagnosis of calcarious deposition capacity, Larson index to avaluate natural aggressiveness of the water, and íon ratios to study its hydrochemical behavior. For the determination of these indexes and ratios, hydrochemical analyses were made on 31 samples taken during the rainy season and 29 during the dry one. Results show that all wells produce fresh water, in the majority of samples, marked by dolomite dissolution and presenting tendency to precipitation.
Palavras-chave: Chapada do Apodi, Razões iônicas, Índices de Langelier e de Larson.
_______________________________________
1) Departamento de Física da UFC, Caixa Postal 6030, Cep. 60455-760, Tel.: (0xx) 85 3366.9913, Fax: (0xx) 85 3366.9450; e-mail: (a) [email protected]; (b) [email protected]; (c) [email protected], (d) josué@fisica.ufc.br
1-INTRODUÇÃO
Uma das áreas no Ceará onde é desenvolvida agricultura intensiva, em larga escala, é na Chapada do Apodi, uma formação montanhosa com altitude máxima de 400 m, localizada na divisa dos Estados do Ceará e Rio Grande do Norte, com a produção de frutas tropicais.
A atividade de agricultura irrigada na parte cearense da Chapada do Apodi começou no final da década de 80 por meio de um projeto do governo federal, denominado Projeto Jaguaribe-Apodi da FAPIJA (Federação das Associações do Perímetro Irrigado Jaguaribe- Apodi), da Secretaria do Desenvolvimento Local e Industrial (SDLI, 2008) do Estado do Ceará. O perímetro irrigado Jaguaribe-Apodi localiza-se na parte cearense da Chapada do Apodi, no município de Limoeiro do Norte. O suprimento hídrico deste projeto é assegurado pelo Rio Jaguaribe, perenizado pelas águas do Açude Orós com derivação através da Barragem Pedrinhas, que está localizada no braço do Jaguaribe denominado Rio Quixeré.
Nas áreas não contempladas pelo Projeto, a irrigação é feita através de água subterrânea, proveniente dos aqüíferos Açu e Jandaíra, sendo este último o mais explorado.
Como as águas subterrâneas estão em áreas de calcário e, conseqüentemente, apresentam dureza elevada, foi utilizado neste trabalho o índice de Langelier para diagnosticar a capacidade de incrustação e o índice de Larson, que dá uma estimativa da agressividade natural da água.
2-ÁREA
Para entender melhor a área estudada, falaremos de sua localização, clima e vegetação, solos e geologia.
2.1-Localização
A área estudada localiza-se na Chapada do Apodi, porção leste do Estado do Ceará, na divisa entre os Estados do Ceará e Rio Grande do Norte, Nordeste do Brasil (Figura 1) e está distante cerca de 200 km da capital Fortaleza.
2.2-Clima e Vegetação
O clima na Chapada do Apodi é muito quente e seco (IPECE, 2004) com distribuição de chuvas irregular no tempo e no espaço e precipitação média anual de aproximadamente de 679 mm. Devido à baixa altitude, a temperatura apresenta-se sem grande variação anual, com temperatura média em torno de 27,5 °C, sendo dezembro o mês mais quente, com média de 28,8 °C, e Julho o mês mais frio, com média de 26,5 °C. (Maia et al. 1998). A umidade relativa do ar chega a
Figura 1 - Localização da área de estudo (Fonte: COGERH).
O tipo de vegetação que predomina é a caatinga que decorre da deficiência hídrica originada pela baixa pluviosidade, alta evapotranspiração potencial e distribuição irregular das chuvas (Albuquerque & Andrade, 2002).
2.3-Solos
Os solos da Chapada do Apodi são de origem calcária; são encontrados diversos tipos, destacando-se o cambissolo, o podzólico vermelho-amarelo e o litólico eutrófico, com predominância de cambissolos (Albuquerque & Andrade, 2002).
Os solos do tipo cambissolo são rasos, situados em relevos planos com fertilidade natural alta, com grande potencial para uso agrícola. O podzólico vermelho-amarelo é de origem calcária com mistura de sedimentos arenosos e apresenta baixa fertilidade natural em relevo suave e ondulado. O litólico eutrófico tem fertilidade alta, e relevo plano.
2.4-Geologia
fina a média, e calcário dolomítico cinzento ou amarelo de granulação geralmente mais grosseira (Mota et al. 2007). É um aqüífero livre, predominantemente cárstico, no qual a circulação de água
se faz nas fraturas e em outras descontinuidades que resultaram da dissolução do carbonato na água, produzindo uma topografia característica oriunda da dissolução destas rochas.
A Formação Açu assenta-se sobre as rochas do embasamento cristalino, sendo seu contato com a Formação Jandaíra de forma gradativa. É um aqüífero livre na faixa de afloramento que circunda a Bacia Potiguar, e um aqüífero confinado, na parte recoberta pela Formação Jandaíra.
Áreas de calcário estão sujeitas a formação de: (i) dolinas, que são buracos formados na superfície do terreno, porque o solo migrou ou está migrando para cavidades dos rios subterrâneos e podem ser de varias dimensões; (ii) cavernas que são buracos formados no interior da Terra através da dissolução das rochas carbonáticas pela água da chuva; (iii) sumidouros, que acontecem quando um rio desaparece na superfície do terreno porque a água percola abaixo da terra. (iv) colapsos causados pelo afundamento brusco, que pode ocorrer na superfície do terreno devido ao desmoronamento nas cavidades subterrâneas. Contaminação destas áreas ocorre quando poluentes são lançados nesses terrenos, pois infiltram rapidamente, podendo contaminar as águas subterrâneas.
3-METODOLOGIA
Para classificar as águas foram utilizadas razões iônicas, para avaliar a tendência para incrustação utilizamos o índice de Langelier e a agressividade natural das águas foi verificada através do índice de Larson.
Esses parâmetros foram calculados através de medidas de cálcio, magnésio, sódio, potássio, cloretos, bicarbonatos, sulfatos, carbonato, pH, temperatura, sólidos totais dissolvidos e dureza em 31 amostras de água subterrânea coletadas no período chuvoso e 29 amostras coletadas no período seco no município de Quixeré. As análises foram realizadas no Laboratorio de Hidroquimica do Departamento de Fisica da Universidade Federal do Ceará.
3.1-Razões Iônicas
Quadro 1- Principais razões iônicas e seus significados (Modificado de Hem, 1985).
3.2-Índice de Langelier
A capacidade de incrustação da água está diretamente associada ao seu pH. Uma das maneiras de verificar a tendência incrustante que a água apresenta em relação ao carbonato de cálcio é através do Índice de Langelier (Tratamento de água potável, 2009). Esse índice compara o pH da água de interesse com o pH da água de saturação (pHs) para o carbonato de cálcio. A determinação do pHs é feitaconhecendo os seguintes parâmetros: temperatura, sólidos totais dissolvidos (STD), dureza e alcalinidade total. O índice de Langerier é expresso por:
LSI = pH - pHs (1) onde, pH é o pH da água medida e pHs é o pH de saturação. O pH de saturação é calculado pela equação:
pHs = 9,3 + A + B – C – D Onde, A = 0,1 . log (STD) – 1
B = -13,12 . log (T + 273) + 34,55 C = log (dureza) – 0,4
D = log (alcalinidade)
A, B, C e D são grandezas que dependem respectivamente da quantidade de sólidos totais dissolvidos na amostra (em mg/L), da temperatura T (em °C), da dureza (em mg/L) e da alcalinidade total.
Razão Iônica Variações Teóricas
Significado
+
+ 2
2
rMg rCa
0,33 - 1,5 > 0,9
± 5
Águas continentais
Possível influência de terrenos dolomíticos Água do mar
+
− rNa
rCl
< 0,0876 < 0,7 > 0,7
Água do mar
Precipitação de sais de Na+
Fluxo através de rochas cristalinas ou vulcânicas
−
− 3 rCl rHCO
0,5 0,4 - 0,5
20 - 50
Fluxo normal para rochas cristalinas Águas continentais
A interpretação dos resultados foi feita com base no quadro 2, que mostra a tendência de diferentes águas em função dos valores do índice de saturação de Langelier.
Quadro 2- Faixas do Índice de Langelier.
ISL Possível tendência da água
3 Incrustação extremamente severa 1 Incrustação severa
0,5 Incrustação moderada 0 Estável
-0,5 Sem incrustação, leve tendência para dissolver -1 Sem incrustação, tendência moderada para dissolver -3 Sem incrustação, tendência muito forte para dissolver
Índice de Larson
A agressividade natural da água pode ser verificada através do índice de Larson (IL). Esse índice dá uma indicação do poder de corrosão da água, que está diretamente ligado à sua alcalinidade. Águas com IL próximo a 0,1, em geral, não apresentam tendências corrosivas. O índice de Larson é obtido a partir da concentração de cloretos, sulfatos e a alcalinidade total, sendo calculado pela fórmula:
IL =
2 4
Cl SO
Alcalinidade
− −
+
(2)
onde as concentrações, devem ser expressas em mg/L; a alcalinidade total foi obtida desprezando-se a concentração de [H+] e de [OH-] por serem muito baixas.
4-RESULTADOS E DISCUSSÕES
Tabela 1 - Hidroquímica de águas subterrâneas amostradas em Quixeré no período chuvoso (abril/08). STD: Sólidos Totais Dissolvidos. LD: Limite de detecção.
No Amostra Concentrações (mg/L)
pH STD Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Cl- SO
42- CO32- HCO3-
Tabela 2 - Hidroquímica de águas subterrâneas amostradas em Quixeré no período seco (setembro/2008). STD: Sólidos Totais Dissolvidos. LD: Limite de detecção.
No Amostra Concentrações (mg/L)
pH STD Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Cl- SO
42- CO32- HCO3-
1 COG/QUE/0211 8,5 968,7 124,0 40,1 115,4 3,4 255,7 30,3 38,9 340,3 2 COG/QUE/0033 8,5 479,2 62,0 13,4 62,5 3,4 153,4 21,8 8,6 137,0 3 COG/QUE/0081 8,7 608,6 52,0 36,4 94,9 5,1 258,1 24,8 17,2 96,2 4 COG/QUE/0083 8,5 568,9 54,0 31,6 90,6 3,4 233,8 28,9 8,6 116,6 5 COG/QUE/0043 8,4 784,1 64,0 57,1 117,7 5,1 355,6 31,3 14,3 113,7 6 COG/QUE/0046 8,5 954,2 78,0 66,8 136,4 5,1 414,0 40,9 11,5 125,4 7 COG/QUE/0030 8,6 508,3 64,0 14,6 76,1 3,4 160,7 30,7 14,3 142,9 8 COG/QUE/0220 8,2 1105,2 156,0 48,6 90,6 3,4 267,9 49,2 11,5 110,8 9 COG/QUE/0212 8,6 1289,8 120,1 72,9 152,1 3,4 443,2 150,9 11,5 58,3 10 COG/QUE/0227 8,8 733,9 124,0 34,0 99,3 3,4 316,6 48,0 14,3 93,3 11 COG/QUE/0236 8,6 663,7 128,0 10,9 80,1 3,4 272,8 29,7 8,6 119,5 12 COG/QUE/0243 8,5 777,1 126,0 26,7 106,1 3,4 348,3 30,8 11,5 116,6 13 COG/QUE/0064 8,5 773,8 52,0 58,3 115,4 3,4 336,1 32,4 11,5 125,4 14 COG/QUE/0066 8,4 1067,4 130,0 64,4 148,1 3,4 513,9 45,7 11,5 105,0 15 COG/QUE/0105 8,5 1004,0 102,0 54,7 108,4 6,8 238,7 34,2 23,4 411,5 16 COG/QUE/0104 7,7 1208,2 162,0 54,7 144,2 6,8 409,1 34,6 46,7 316,5
17 COG/QUE/0147 - - - -
18 COG/QUE/0148 8,1 1176,0 142,0 53,5 140,2 6,8 358,0 37,4 31,1 379,9 19 COG/QUE/0131 7,1 1236,0 130,0 72,9 160,2 6,8 394,5 19,8 < LD 411,5 20 COG/QUE/0132 8,3 1090,8 138,0 52,2 144,2 10,1 341,0 32,7 15,6 284,9
21 COG/QUE/0133 - - - -
4.1-Razões Iônicas
A Tabela 3 mostra os valores das principais razões iônicas nas águas amostradas no período chuvoso e no período seco. E a figura 2 mostra os histogramas dessas razões também para os períodos chuvoso e seco. A partir do quadro 1, verifica-se que a razão rMg2+/rCa2+ indica que a maioria dos poços contém águas continentais que possivelmente sofrem influência de terrenos dolomíticos, o que é de se esperar, pois as águas estão armazenadas em região de rochas carbonáticas como CaMg(CO3)2.
A razão rNa+/rCl- em todas as amostras nas duas coletas foi sempre maior que 0,09 indicando que os poços contem água sem influência do mar, e a razão rK+/rNa+ também em todas as amostras das duas coletas está na faixa de 0,004 < rK+/rNa+ < 0,28, indicando água doce.
De acordo com a figura 2 podemos observar que a razão iônica rMg2+/rCa2+ é maior no período chuvoso do que no período seco; no período seco a dissolução de calcita aumenta a concentração de Ca2+ e diminui a razão. A razão iônica rNa+/rCl-, com exceção de 01 poço no período seco, se mantém aproximadamente constante. O Cl- é conservativo e em áreas de calcário minerais de Na+ são menos abundantes; assim, as razões permanecem aproximadamente constantes. A razão iônica rCl-/rHCO3- é menor no período chuvoso do que no período seco, pois as água de chuva são bicarbonatadas diminuindo essa razão iônica.
4.2-Índice de Langelier
Os valores do índice de Langelier nas amostras de água subterrânea coletadas no período chuvoso e no período seco estão mostrados na Tabela 4 e nas Figuras 3 e 4.
A Figura 3 mostra que a maioria das águas coletadas no período chuvoso tinha Índice de Langelier entre 0,5 e 1,0, indicando água que pode causar incrustação moderada a severa. Cinco amostras, com índice entre 0 e 0,5, tinham tendência de incrustação moderada a estável, uma única água não causa incrustação (do poço 23), e o maior valor encontrado para este índice foi de 2,07 (poço 19), indicando que a água pode incrustar de maneira muito severa, podendo entupir tubulações e canos.
Tabela 3 - Razões iônicas dasamostras coletadas nos períodos chuvoso e seco.
Período Chuvoso Período Seco
Poço +
+ 2 2 rMg rCa + − rNa rCl − − 3 rCl rHCO + + 2 2 rMg rCa + − rNa rCl − − 3 rCl rHCO
1 0,45 0,46 1,70 0,53 0,069 1,29
2 0,03 0,61 0,48 0,35 0,62 1,92
3 0,84 0,56 1,20 1,15 0,56 4,61
4 1,12 0,62 0,95 0,96 0,59 3,45
5 1,98 0,47 1,70 1,46 0,5 5,38
6 0,37 0,48 1,46 1,4- 0,5 5,68
7 0,93 0,51 1,16 0,37 0,72 1,93
8 0,11 0,46 1,5 0,51 0,52 4,10
9 1,27 0,62 1,17 0,99 0,52 13,08
10 1,20 0,54 1,32 0,45 0,48 5,83
11 1,33 0,48 1,00 0,14 0,45 3,92
12 3,18 0,42 1,45 0,34 0,46 5,14
13 2,00 0,49 1,88 1,84 0,52 4,60
14 0,29 0,43 1,97 0,81 0,44 8,40
15 2,99 0,64 0,97 0,88 0,70 0,99
16 1,70 0,5 4,42 0,55 0,54 2,22
17 2,45 0,46 1,93 - - -
18 4,36 0,61 1,12 0,62 0,44 1,62
19 1,17 0,61 3,55 0,92 0,62 1,64
20 0,56 0,47 2,54 0,62 0,65 2,05
21 0,36 0,47 2,93 - -
22 0,68 0,54 2,29 0,70 0,65 1,41
23 1,49 0,43 3,72 0,54 0,54 1,20
24 1,70 0,6 1,14 0,64 0,66 0,95
25 0,06 0,4 0,90 0,56 0,53 6,06
26 0,64 0,31 1,21 0,08 0,44 3,84
27 3,30 0,60 1,27 1,01 0,71 1,30
28 2,02 0,61 1,50 1,04 0,69 1,25
29 2,52 0,61 1,36 0,92 0,68 1,35
30 2,02 0,53 1,33 0,99 0,75 1,68
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0 1 2 3 4 5 6 7 N
o d
e a m o s tr a s rMg2+ /rCa2+
Perí odo chuvoso
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
0 1 2 3 4 5 6 7 N
o d
e a m o s tr a s
rMg2+/rCa2+
Perí odo seco
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0 2 4 6 8 10 N
o d
e a m o st ra s rNa+ /rCl
-Perí odo chuvoso
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0 2 4 6 8 10 N
o d
e a m o s tr a s
rNa+/rCl
-Perí odo seco
0 2 4 6 8 10 12 14
0 2 4 6 8 10 12 14 N
o d
e a m o s tr a s
rCl-/rHCO-3
Perí odo chuvoso
0 2 4 6 8 10 12 14
0 2 4 6 8 10 12 14 N
o d
e a m o s tr a s rCl -/rHCO -3
Perí odo seco
Tabela 4- Índice Langelier (LSI) para os poços em Quixeré.
LSI LSI
Poço Período chuvoso
Período seco
Poço Período chuvoso
Período seco
01 0,45 1,88 17 1,06 -
02 0,43 1,13 18 0,43 0,58
03 0,49 1,37 19 2,07 0,58
04 0,54 1,16 20 0,42 1,63
05 0,61 1,24 21 0,12 -
06 0,48 1,43 22 0,54 1,93
07 0,55 1,29 23 -0,96 1,66
08 2,01 1,18 24 0,68 2,11
09 0,71 1,36 25 0,3 1,03
10 0,68 1,64 26 0,51 1,15
11 0,68 1,4 27 1,58 2,05
12 0,55 1,37 28 1,8 1,83
13 0,68 1,33 29 0,58 1,95
14 1,51 1,36 30 0,79 2,02
15 1,81 1,92 31 0,81 1,88
16 0,44 1,19
0 5 10 15 20 25 30 35
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
IL
S
Poço Período Chuvoso
0 5 10 15 20 25 30 35 -1,5
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
IL
S
Poço Período seco
P18 P19
P24
Figura 4- Índice de Langelier das águas amostradas no período seco.
4.3-Índice de Larson
Os valores para o índice de Larson nas amostras coletadas nos períodos chuvosos e secos estão mostrados na Tabela 5 e nas Figuras 5 e 6.
A Figura 5 mostra que durante a primeira coleta todas as águas tinham tendência à corrosão; o Larson era maior que 0,1; a maioria com valores entre 0,5 e 1,0 indica águas que pode causar corrosão significativa. O maior índice foi de 3,5 (poço 16) e o menor, 0,35, foi encontrado na água do poço P02.
Tabela 5- Índice Larson (IL) para os poços em Quixeré.
Poço IL Poço IL
Período chuvoso
Período seco
Período chuvoso
Período seco
01 1,13 0,68 17 1,22 -
02 0,34 1,13 18 0,75 0,89
03 0,82 2,16 19 1,81 1,00
04 0,64 1,46 20 1,62 1,18
05 1,13 2,71 21 1,80 -
06 0,99 3,06 22 1,55 0,81
07 0,77 1,11 23 2,40 0,90
08 1,04 2,36 24 0,78 0,62
09 0,72 7,30 25 0,62 2,80
10 0,88 2,99 26 0,80 2,12
11 0,66 2,21 27 0,83 0,69
12 0,95 2,71 28 0,89 0,68
13 1,25 2,48 29 0,93 0,71
14 1,32 4,37 30 0,88 0,83
15 0,60 0,59 31 0,71 0,86
16 3,15 1,08
0 5 10 15 20 25 30 35
0 1 2 3 4 5 6 7
IL
Poços Período chuvoso
P16
P02
0 5 10 15 20 25 30 3 0
1 2 3 4 5 6 7
Poço Período seco
P09
P15
Figura 6- Índice de Larson para os poços amostrados no período seco.
5-CONCLUSÕES
Das razões iônicas podemos concluir que:
- a maioria dos poços amostrados contém águas continentais que sofrem influência de terrenos dolomíticos;
- todos os poços são de água doce;
- a razão rMg2+/rCa2+ aumenta no período chuvoso por causa da dissolução de calcita e dolomita, que aumenta a concentração de Mg2+; a razão rNa+/rCl- não sofreu grandes variações porque o Cl- é conservativo e o Na+ não é abundante em região de calcário; a razão rCl-/rHCO3 -diminuiu no período chuvoso por causa da entrada de água de chuva que é bicarbonatada.
Do índice de Langelier podemos concluir que uma única amostra não causa incrustação e as demais são incrustantes, indicando que deve-se ter cuidados especiais nas tubulações que usam estas águas. O índice de Langelier foi mais alto no período seco.
Do índice de Larson podemos concluir que todas as amostras analisadas apresentam tendência à corrosão. O índice de Larson também foi mais alto no período seco.
AGRADECIMENTOS
BIBLIOGRAFIA
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TRATAMENTO DE ÁGUA POTÁVEL. Procedimento disponível em
