Modelagem de água subterrânea no aquífero aluvionar do rio Palhano na localidade de Chile, Ibicuitinga-CE, utilizando o software PMWIN

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARA

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL

CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS

E INFRAESTRUTURA HIDRÁULICA

NELSON PAIVA RAULINO DE SOUZA

MODELAGEM DE ÁGUA SUBTERRÂNEA NO AQUÍFERO

ALUVIONAR DO RIO PALHANO NA LOCALIDADE DE CHILE,

IBICUITINGA-CE, UTILIZANDO 0 SOFTWARE PMWIN

FORTALEZA 2008

NELSON PAIVA RAULINO DE SOUZAQ

MODELAGEM DE AGUA SUB1 ERRANEA NO AQUÍFERO ALUVIONAR DO RIO PALHANO NA LOCALIDADE DE CHILE, IBICUITINGA-CE, UTILIZANDO 0

SOFTWARE PMWIN

Monografia submetida à Coordenação do Curso de Pos-Graduação em Engenharia Hidráulica e Aplicada da Universidade Federal do Ceará como requisito parcial para a obtenção do grau de especialista em Recursos Hídricos e Infraestratura Hidráulica

Orientador Prof Dr Marco Aurélio Holanda de Castro

FORTALEZA 2008

S716m Sows, Nelson Paiva Raulino de

Modelagem de agua subterrânea no aqiiffero aluvionar do rio Palhano na localidade de Chile, 1bicuitinga-CE, utili7ando o software PMWIN [manuscrito] / Nelson Paiva Raulino de Souza, 2008.

42 f. : ii

Orientador: Prof. Dr. Marco Aurelio Holanda de Castro Area de concentração: Recursos Hidricos

Monografia (especialização) — Universidade Federal do Ceara, Depto. de Engenharia Hidráulica e Ambiental, Fortaleza, 2008.

Recursos Hidricos — gestão. 2. Modelagem. 3. Aguas subterrâneas. I. Castro, Marco Aurélio Holanda de (orient.). II. Universidade Federal do Ceará — Curso de Especializaçao em Gestão de Recursos Hidricos e Infra-estrutura Hidráulica. JU. Titulo.

NELSON PAIVA RAULINO DE SOUZA

MODELAGEM DE AGUA SUBTERRÂNEA NO AQUiFERO ALUVIONAR DO RIO PALHANO NA LOCALIDADE DE CHILE, IBICUITINGA-CE, UTILIZANDO 0

SOFTWARE PMWIN

Monografia submetida à Coordenação do Curso de Pós-graduação em Engenharia Hidráulica e Aplicada da Universidade Federal do Ceara, como requisito parcial para a obtenção do grau de Especialista Gestão de Recursos Hídricos e Infraestrutura Hidráulica

Aprovada em 07 / 02 / 2008

Prof. Dr. Marco Aurélio a de Castro (orientador)

(

Prof. Dr. Horst Frischkom

rcT

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer:

• Ao convênio SRH/UFC que proporcionou a realização deste curso de especialização;

• A todos que contribuíram, direta e indiretamente, para a elaboração da minha monografia, em particular, a Profa. Ticiana, ao Prof Marco Aurélio, a Edjane e aos colegas Ary, Mauro e Vinicius;

• Aos meus pais, Newton e Fernanda, pela minha iniciação no mundo do aprendizado e transmissão de conhecimentos.

RESUMO

Esse trabalho tem por objetivo a realização da modelagem computacional de um aqiiifero aluvionar localizado na comunidade de Chile, no município de Ibicuitinga-CE, modelagem esta em que não foram utilizadas etapas de campo, e sim, única e exclusivamente dados do levantamento bibliográfico. A Area do levantamento tem uma dimensão de 4200 m, na direção leste-oeste, por 1200 m, na direção norte-sul, e cortada pelo Rio Palhano na sua dimensão longitudinal. Geologicamente, é formada por sedimentos inconsolidados de um aluvião que recobre o embasamento cristalino. 0 aluvião em questão possui uma profundidade variando entre 2,60 a 5,60m, condutividade hidráulica de 44,7 m/d, uma porosidade efetiva de 25%, vazão especifica de 1,624 m2/d e é submetido a um período de recarga de fevereiro a maio e bombeado de junho a janeiro. A montante do aluvião (oeste) existe uma barragem superficial (elemento de carga constante) e na extremidade esquerda (leste) uma barragem subterrânea. Durante o período de estiagem, o aluvião pode ser explotado com uma vazão de até 27 mil L/h no final do período seco. 0 software utilizado na modelagem foi o PM WIN (Processing ModFlow for Windows).

ABSTRACT

This work has na objective of doing a computational modelling of alluvial aquifer in Chile Comunity, District of Ibicuitinga-CE. In this modeling, it was used only bibliographic data and no field survey was done. The research area has 4200 meters, in East-West direction, and 1200 meters, in North-South direction, where Palhano River passes through. Geologically, it is composed by unconsolidated sediments over crystalline basement. The alluvium has the depth ranging from 2,60 to 5,60 meters, a 44,7 m/d hydraulic conductivity, a 25% effective porosity and a 1,624 m2/d specific yield. It is also submitted to a four-month recharge period (feb-may) and a eight-four-month pumping period (jun-jan) with no rain (dry season). In west part of the area, there is a surface dam and, in the east part, a subsurface dam. During the dry season, the alluvim was subjected to a maximum pumping rate of 27000 L/h until the final of the period. Beyond this value, the well became dry. The modeling was done with PMWIN software.

Lista de Figuras Fig 01 — Localização e acesso da área de estudo

Fig 02 — Representação da carga hidráulica em aqüíferos confinados e livres Fig 03— Experimento de Darcy

Fig 04— Desenho esquemático da transmissividade para aqüífero livre Fig 05 — Desenho esquemático do armazenamento especifico

Fig 06 — Altimetria da superficie do aluvião (a- superior) e da topografia do embasamento (b - inferior)

Fig 07 — Dados pluviométricos da regido do levantamento (média mensal A. esquerda e média anual à direita)

Fig 08 — Desenho esquemático da situação do Rio Palhano durante 12 meses de simulação Fig 09— Desenho esquemático dos elementos do modelo

Fig 10— Menu Principal do PMWIN

Fig 11 — Janela de definição da malha do modelo Fig 12 — Propriedade do leito

Fig 13 — Condições de contorno de carga constante em azul Fig 14 — Utilizando o interpolador de dados

Fig 15 — Carregando o arquivo da topografia

Fig 16 — Preenchendo a matriz de condutividades hidráulicas com um único valor Fig 17— Janela de entrada de parâmetros do Pacote Barreira

Fig 18— Janela de execução do modelo Fig 19 — Janela de visualização dos resultados

Fig 20 — Janela de configuração dos parâmetros de tempo Fig 21 — Janela Temporal

Fig 22— Caixa de mensagem Processing Modflow para pacotes ativos Fig 23 — Caixa de diálogo dos parâmetros do dreno

Fig 24 — Pacote Dreno com o trecho do rio digitalizado. 0 dreno ativo está em azul Fig 25— Caixa de diálogo do pacote Well (poço)

Fig 26— Caixa de diálogo "Import Results"

Fig 27 — Caixa de diálogo de "configuração de visualização"

Fig 28 — Valores predefinidos da caixa de diálogo "Output Control"

Fig 29 — Cargas hidráulicas em regime estacionário, com recarga e com as cargas dos furos de sondagens variáveis

Fig 30 — Cargas hidráulicas em regime transiente: fim do período chuvoso (superior) e fim do período seco (inferior) — Q=19,2 m3/d

Fig 31 — Cargas hidráulicas em regime transiente: fim do período chuvoso (superior) e fim do período seco (inferior) — Q=60 m3/d

Fig 32 — Cargas hidráulicas em regime transiente: fim do período chuvoso (superior) e fim do período seco (inferior) — Q=480 m3/d ;Carga hidráulica (poço) = 72,62 m

Fig 33 — Cargas hidráulicas em regime transiente no fim do período seco: 548 m3/d (esquerda) e 572 m3/d (direita)

sumisauct

1. INTRODUÇÃO 8 2. JUSTIFICATIVA 8 3. OBJETIVO 8 4. AREA DE ESTUDO 10 5. METODOLOGIA 11 6. BASE CONCEITUAL 11 6.1 PMWIN 12 6.2 Carga hidráulica 14

6.3 Lei de Darcy, Condutividade Hidráulica e Permeabilidade 15

6.4 Transmissividade 17

6.5 Coeficiente de Armazenamento e Armazenamento Especifico 17 6.6 Equaçâo Diferencial de Fluxo Subterrâneo 17

7. ELEMENTOS DO MODELO 19

7.1 Elementos Geológicos 20

7.2 Elementos Hidrológicos 22

7.3 Elementos Artificiais 24

8. ALIMENTAÇÃO DO PM WIN 26

8.1 Regime de Fluxo Estacionário 26

8.2 Regime de Fluxo Transiente 31

9. RESULTADOS 35

10. CONCLUSÕES 41

1. INTRODUÇÃO

0 fato da água ser um fator primordial para a sobrevivência do ser humano e indispensável para a promoção do progresso, tem motivado as nações a se organizarem na gestão e preservação desse importante bem mineral. Nesse sentido, o Estado do Ceara, a partir de 1994 com a criação da Companhia de Gerenciamento de Recursos Hidricos - COGERH, iniciou uma fase de gestão dos recursos hidricos do Estado onde a tomada de decisão ficou bem mais fácil devido ao grande volume de informação advinda, principalmente, de atividades de monitoramento. Atualmente, existem no estado cerca de 4000 açudes de propriedade da União e do Estado, sendo 126 monitorados pela COGERH. Uma atividade pioneira de monitoramento de aluvião de grande porte é realizada pela COGERH em Morada Nova.

Mesmo com o aprimoramento das atividades de gestão dos recursos hídricos, o Estado do Ceara ainda passa por períodos onde os efeitos da falta d'água são bastante sentidos. 0 aprimoramento da gestão se deveu principalmente a um aprendizado de convivência com os períodos de estiagem. Dentro desse processo de aprendizado, hoje se conhece melhor as atividades que utilizam agua e qual o volume que cada uma precisa. Baseado nessas necessidades, a COGERH, durante as reuniões de operação dos reservatórios dos comitês de bacias, define qual a vazão a ser liberada dos reservatórios monitorados. A irregularidade espacial e temporal das chuvas ainda continuam mas as águas acumuladas nos açudes têm um destino bem mais eficiente.

A Regido do Semi-Árido do nordeste brasileiro, com sua irregularidade na distribuição de chuva tanto espacial como temporal, torna muito difícil a convivência do homem do campo nessas regiões. 0 sertanejo, acostumado a utilizar a água proveniente das chuvas e condicionado a crenças seculares, não vislumbra o fato da utilização de um depósito de água que as vezes está bem próximo da sua residência que é a agua subterrânea acondicionada nas aluviões.

2. JUSTIFICATIVA

0 processo de gestão de agua praticado no Ceara esta fortemente baseado em águas condicionados em reservatórios estrategicamente construidos para fins de abastecimento humano, principalmente. Todo esse processo de gestão baseado em águas superficiais conta com dois aspectos desfavoráveis que representam perdas: a evaporação da água dos açudes e dos leitos dos rios e a perda por infiltração. Se por um lado a perda por infiltração representa um fator que desfavorece a utilização dessa água diretamente, a infiltração impede a perda por evaporação e contribui para a recarga de aqüíferos, principalmente os aluvionares. E essa água acumulada na aluvião poderia também ser gerenciada e submetida a processos de gestão em regiões onde no período da estiagem o rio desaparece completamente. Embora já exista uma tentativa de outorga com conseqüente cobrança de água subterrânea pela COGERH, essa pratica ainda está bastante longe de ser largamente aplicada pela falta do conhecimento de vários parâmetros inerentes ao próprio aqüífero. Um dos principais é a quantificação do volume, informação de suma importância no processo

de outorga do direito de uso para garantir o volume outorgado durante o tempo requerido pelo usuário. Por definição, a outorga deve garantir ao outorgado um determinado volume de água por determinado período e muitas incertezas são geradas quando não se conhece o volume de água subterrânea disponível. Quantificado esse volume, outra informação de interesse é a velocidade de migração da água subterrânea quando submetida a bombeamentos, informação essa ligada a um parâmetro hidrogeológico chamado Transmissividade. De posse dessa informação, é possível montar cenários e prever como estaria o aqüífero logo após a estação chuvosa e no final da estação seca, por exemplo, quando o mesmo é submetido a uma determinada taxa de bombeamento.

0 processo de captação e utilização de água subterrânea com relativo sucesso atualmente em uso no Estado do Ceará ocorre grosseiramente naquelas Areas onde a infiltração se dá com maior facilidade, mais precisamente nos terrenos sedimentares da Chapada do Araripe, Chapada do Apodi, Chapada da Ibiapaba e Zona Litorânea (Dunas e Barreiras). Como aproximadamente 75% da superficie do estado é representada por terrenos cristalinos, as águas subterrâneas que ocorrem nas aluviões sobrepostas ao embasamento cristalino poderia também ser consideradas. Embora a área aflorante das aluviões seja bem menor que a dos outros terrenos sedimentares, já existem experiências bem sucedidas no cenário local e nacional quando aliadas a barragens subterrâneas.

Não são raros os casos de conflitos pelo uso de águas superficiais dentro dos comitês de bacias onde determinado usuário ou grupo de usuários deseja uma demanda diferente de outro grupo. Embora a lei 9433/92 e a lei 11996/92 estabeleça as prioridades e os critérios de utilização, tal conflito poderia ser amenizado pela utilização de uma parcela das Aguas subterrâneas.

Por fim, esse trabalho pretende contribuir com o conhecimento de uma determinada área onde exista uma aluvião apresentando uma metodologia capaz de explorar racionalmente esse corpo hídrico e que, mediante a distribuição, possa também contribuir para o processo de outorga, futuramente.

3. OBJETIVO

Este trabalho tem por objetivo principal realizar uma modelagem de água subterrânea em um aqüífero aluvionar apresentando os cenários no começo e no final da estação seca utilizando o software PMWINT (Processing ModFlow For Windows) e, dessa forma, contribuir para a exploração racional e eficiente desse importante corpo hidrico.

Os resultados dessa simulação poderiam estimular a elaboração de um sistema de distribuição de água para pequenas comunidades do Semi-Árido do nordeste do Brasil a partir de água subterrânea contida em aluviões.

Como objetivos específicos, visa elaborar diferentes cenários temporais quando o aluvião for a diferentes taxas de bombeamento, apresentar a proposta adequada para a extração de água subterrânea baseada na taxa de explotação e na localização do poço.

Fig 01 — Localização e acesso da area de estudo QUIXO4Dik CE 138 ( It B/CU NGA "' 5 CE 371 '-iijARETAMA 4. AREA DE ESTUDO

A área de estudo fica localizada no município de Ibicuitinga, na comunidade Chile, cuja localização e acesso pode ser visualizada na figura 01 logo abaixo: A escolha dessa área foi devido A. existência de um estudo prévio de interesse do autor deste projeto e da paritidade de dados que acredita-se ter para que o objetivo venha a ser atingido. A área possui 4200 metros de extensão na direção E-W e 1200 metros na direção N-S.

ACESSO it AREA

9461500 ACUCIE CHILE 9461000 Zs CANA LEGENDA _.,..-, 9460500 I ANviSo — a nto PAL"A"' 1 Coordenadas UTM 1 — Io ow 400 WO Soon 559500 1 560000 550500 561000 561500 562000 562500 563000 563500 (mE)

5. METODOLOGIA

Tendo identificado um problema relacionado com a quantificação e a distribuição espacial de água subterrânea o que, se resolvido, poderia contribuir para aumentar a oferta de água da população difusa local, o autor abordou esse problema com a metodologia descrita a seguir.

Inicialmente, foi feito um levantamento bibliográfico de fontes relacionadas com o tema e a área do levantamento. Merecem destaque as publicações de Miyasaki (2006) e Leite

(1999). Com não era previsto a geração de novos dados com idas a campo, o levantamento de dados bibliográficos serviu para alimentar o software responsável pela modelagem, ou seja, o PMWIN. Passada a fase de levantamentos de dados, foi necessária a familiarização com o software. Para a aquisição de conhecimentos nessa etapa foi utilizada a bibliografia

de Chiang (2005). A alimentação do PMWIN com os parâmetros adequados será comentada a posteriormente em detalhes. Após essa etapa de alimentação, o modelo foi rodado e algumas tentativas foram feitas para ajuste dos parâmetros calculados, como as cargas hidráulicas por exemplo. A grosso modo, a modelagem é feita em duas etapas. Primeiro, roda-se o PMWIN no regime de fluxo estacionário e, segundo, o arquivo de cargas hidráulicas geradas no regime estacionário é utilizado como valores iniciais para se rodar PMWIN no regime de fluxo transiente.

0 custo envolvido no projeto foi devido principalmente a deslocamento para as instituições para levantamento bibliográfico já que não se pretende gerar novos dados com levantamentos de campo, e sim, trabalhar com os já existentes, e para a utilização do software PMWIN na UFC. Softwares e computadores disponíveis para realização do projeto estiveram disponíveis e de fácil acesso nos laboratórios da UFC/DEHA e FUNCEME sendo que o principal software (PMWIN) é de domínio daquela instituição. 6. BASE CONCEITUAL

Modelos são descrições conceituais ou aproximações que descrevem os sistemas fisicos utilizando equações matemáticas, as quais não são representações exatas desses sistemas ou processos (Miyasaki, 2003). Dito de outra forma e de maneira mais simples, modelos são representações da realidade, representações estas que podem ser traduzidas em desenhos ou

equações matemáticas. Muitas vezes o significado das equações matemáticas é melhor compreendido quando expresso através de um desenho.

As equações matemáticas que tentam representar um modelo, muitas vezes são bastante complexas de modo que sua resolução analítica pode não se atingida ou por falta de técnicas conhecidas da matemática ou por falta de parâmetros (valores) para serem introduzidos na equação. Através de suposições ou limitações impostas ao problema real (tecnicamente chamadas de "condições de contorno"), uma equação complexa passa a ter uma forma mais simples a qual as técnicas matemáticas conseguem resolvê-la. As suposições feitas, inicialmente, à equação original afastam o modelo do problema real. Ao fmal do processo, o modelo precisa ser testado para verificar se a situação o qual representa está aceitável em relação A. realidade. Tal etapa é chamada de validação do modelo. Ao impormos restrições a um modelo real, temos um maior controle da variação dos parâmetros introduzidos no modelo o que permite prever a mudança de um determinada

propriedade fisica (velocidade da partícula, por exemplo) com o tempo.Conhecendo-se essa variação, podemos elaborar cenários futuros, uma das principais utilidades do modelamento.

Em relação à Agua subterrânea, os modelos tentam descrever o fluxo hichico e os processos de transporte de contaminantes utilizando equações matemáticas que estão baseadas em certas suposições simplificadas. Estas suposições normalmente envolvem o conhecimento da carga hidráulica (que, por sua vez, determinam as direções de fluxo), geometria do aqui fero, condutividade hidráulica (que, por sua vez, tem a ver com a heterogeneidade e anisotropia dos elementos hidrogeológicos — fluido, sedimentos, etc), mecanismos de transporte, reações químicas e, por fim e não menos importante, o tempo de ocorrência do processo. A Area do modelo não se constitui em um sistema fechado e muitas vezes troca água com o meio exterior através de precipitação, recarga/infiltração, evaporação e bombeamento.

6.1 PM WIN

A história do Processing Modflow (PM) representa uma continuidade da história do MODFLOW e seu nascimento e desenvolvimento está intimamente ligado à formação dos pesquisadores Wen-Hsing Chiang e Wolfgang Kinzelbach. Em 1987, Wolfgang liderava um grupo de pesquisadores na Alemanha que desenvolvia um modelo de águas subterrâneas baseado num código de elementos finitos 2D (FINEM) para a simulação de fluxo transiente e de transporte. Apesar dos pesquisadores terem acesso a supercomputadores, os recursos computacionais vigentes na época eram bem diferentes de hoje de modo que o grande fator limitante era o tempo de computação na construção do modelo. Pela experiência adquirida como membro da equipe de Wolfgang, Chiang desenvolveu um código que suportava a entrada de dados do FINEM e produzisse resultados gráficos o qual chamou de FEMNET. Em 1989, Chiang iniciou o doutorado na Universidade de Kasel (Alemanha) sempre visando o aprimoramento da interface gráfica. Surge então a primeira versão do Processing Modflow como suporte o MODFLOW-88. Em 1994, uma versão do Processing Modflow para Windows foi preparada trazendo junto com ela vários códigos que tornavam o ambiente de simulação mais compreensível. Entre esses códigos estava o PMPATH e vários outros modelos de transporte de soluto. Em 2001, foi liberado o Processing ModFlow versão 5.0 que além de suportar o MODFLOW, suportava também modelos de transporte (MT3D, MT3DMS e MOC3D) e dois códigos inversos (PEST e UCODE). A atual versão 7.0 é chamada de Processing Modflow Pro (PMW11•1 Pro) e apresenta vários melhoramentos além de incluir suporte aos módulos RT3D, MT3D99 e ao MODFLOW-2000.

O MODFLOW é um software para modelamento 3D de águas subterrâneas baseado em "Diferenças Finitas" e foi originalmente concebido para simular o fluxo de águas subterrâneas 3D em meios porosos. Como sua concepção não incluía a resolução de equações além da "equação do fluxo subterrâneo", vários códigos computacionais foram desenvolvidos por diversos pesquisadores para esse fim. A versão atual, o MODFLOW 2000, incorpora a resolução de várias equações num único código. Esse "código único" é

dividido em "entidades", tecnicamente chamadas de "processos". A habilidade da versão MODFLOW 2000 para calcular a matriz Jacobiana usando o método da "equação da sensibilidade" resulta num cálculo de derivadas mais rápido e preciso que outros softwares de estimação (PEST-ASP ou UCODE) baseados em diferenças finitas

Os principais processos utilizados pelo MODFLOW são: Processo relacionado com o fluxo de água subterrânea (GWF — Groundwater Flow), Capacidade de Estimação de Parâmetros, Processo de Observação (OBS — calcula valores simulados para serem comparados com valores medidos), Processo de Sensibilidade (SEN — resolve a equação da sensibilidade para as cargas hidráulicas) e Processo de Estimação de Parâmetros (PES — resolve a equação modificada de Gauss-Newton para minimizar um função objetivo para encontrar os valores ótimos dos parâmetros).

Muitos códigos computacionais foram desenvolvidos para serem usados com o MODFLOW. Esses códigos são comumente chamados de pacotes (packages), modelos (models) ou simplesmente programas (programs). Os pacotes são integrados com o MODFLOW e dizem respeito a (1) uma técnica particular para a solução de uma sistema de equações ou (2) uma característica especifica do sistema hidrológico para ser simulada. Já um modelo ou programa não são inseridos no MODFLOW mas se comunicam através de arquivos de dados. Entre os vários pacotes integrados no MODFLOW estão: Direct Solution (promove a solução direta usando a eliminação Gaussiana com um esquema de numeração de equações diagonais alternadas (alternating diagonal equation-numbering scheme), Horizontal-Flow Barrier (simula feições geológicas delgadas, de baixa permeabilidade vertical e que impede o fluxo horizontal das águas subterrâneas), Interbed-Storage (simula trocas de armazenamento entre camadas a partir da compactação elástica e inelástica em camadas de granulometria fina, compressiveis, devido à remoção de água subterrânea), Reservoir (simula a fuga entre um reservatório e um sistema de água subterrânea subjacente quando a água do reservatório se contrai e expande em resposta às mudanças no corpo do reservatório), Streamflow- Routing (diz respeito à quantidade de fluxo em riachos e simula a interação entre o leito do riacho e a água subterrânea) e Time-Variant Specified Head (esse pacote foi desenvolvido como parte do pacote "interbed storage" para permitir que células de carga constante tomassem valores diferentes a cada incremento de tempo). Alguns pacotes serão abordados com mais detalhes no decorrer do trabalho.

Já entre os programas/modelos merecem destaque para o objetivo deste trabalho o PMPATH que calcula e anima as linhas de percurso da água subterrânea tanto para frente quanto para trás, no fluxo transiente ou estacionário, PEST e UCODE que tem a finalidade de dar assistência à interpretação de dados e à estimação de parâmetros, e o WA 1.ER BUDGET CALCULATOR / ZONEBUDGET que calcula o balance hidrico de águas subterrâneas de subregiões especificadas pelo usuário e a troca de fluxo entre essas regiões. Detalhando o pouco o PMW1N Pro, ele representa urna versão melhorada do PMWIN e suporta todos os modelos e pacotes citados anteriormente. Pode individualizar até 1000 períodos de stress, 300 camadas e um milhão de células (1000 linhas x 1000 colunas). Possui ferramentas gráficas poderosas e as especificações dos parâmetros do modelo

podem ser introduzidas "célula a célula", "por zonas" ou "por poligonais". Os resulados podem ser apresentados em planta baixa (plan view) ou em seções transversais (cross-sectional view). Utiliza vários pacotes de resolução de equações (Direct Solution, Geometric Multigrid Solver, Slice Sucessive Overrelaxation, Strongly Implicit Procedure). Quanto A apresentação dos resultados imprime cartas de alta resolução, coloridas, em qualquer impressora e plotter e exporta os modelos da tela para formatos gráficos, tais como, AutoCAD (*.dxf) ou Windows Bitmap (*.bmp) (Chiang, 2005).

Desde a criação do modelo até a geração dos primeiros resultados, são utilizadas 05(cinco) etapas:

• Definição do nome e localização do modelo;

• Definição das características geométricas da malha/grid do modelo; • Definição das características hidrológicas do modelo;

• Mandar rodar o modelo; • Observação dos resultados

6.2 Carga Hidráulica

A energia mecânica de um fluido em movimento é composta basicamente por 03(três) componentes: energia cinética (Ec), energia potencial gravitacional (Eg)e energia de pressão (Er), dadas por:

E = —1 Mv2

Eg = M.g.z

E, = P.V

c 2 onde M — massa da partícula (kg) v — velocidade da partícula (m/s) g — aceleração da gravidade (m/s2)

z — altitude da partícula em relação a um plano de referência (m) P — pressão (N/m2)

V — volume (m3)

Como costuma-se trabalhar com a energia por unidade de massa, dividindo-se cada termo pela massa temos

P

—

Em

.-

1

v

2

+

g.z+—

M

2

p

pois p=M/V é a massa especifica.

Como as velocidades da Agua subterrânea são muito pequenas (da ordem de alguns centímetros por dia), o termo da energia cinética pode ser desprezado. A energia mecânica por unidade de massa passa a ser chamada de "potencial hidráulico (4)" e igual a:

Ar Ar 13/7 Nível _{Potenciomehico} mmmmm aquifer° livre aquifer° coufmado MIMI MI IN II poco E=3 • Nível Terra Potencioinéhico Terra N.R N.R = g.z +- 10 h= — = z + = z + — g g•P (dividindo-se por "g")

que é a expressão da carga hidráulica "h" para aqüíferos confinados. 0 primeiro termo do somatório é chamado de "carga de elevação" e, o segundo, "carga de pressão". Em aqui feros livres, como é o caso de uma aluvião rasa, a pressão P não existe e

(em metros)

Portanto, para o presente trabalho, a carga hidráulica representa a cota do topo da coluna d'água a partir de um nível de referência (Feitosa, 1997).

Fig 02— Representação da carga hidráulica em aqüíferos confinados e livres

6.3 Lei de Darcy, Condutividade Hidráulica e Permeabilidade

Em 1856, em Dijon (França), Henry Darcy realizou um experimento que se baseava em despejar água através de tubos cheios de sedimentos para ver a quantidade que fluia por eles durante um certo intervalo de tempo (Q = volume por unidade de tempo).

h=z

Nr,

Fig 03 — Experimento de Darcy

i) 0 fluxo aumenta na direção contrária ao aumento da coluna de água "h" (carga hidráulica);

ii) 0 fluxo é proporcional ao aumento de All= h2 — hi .; iii) 0 fluxo é inversamente proporcional a distância Al;

A constante de proporcionalidade de da Lei de Darcy é a condutividade hidráulica (K) . Do experimento, obteve a seguinte relação:

Q=—K.A.i

onde "i" é o gradiente hidráulico (Ah / Al) , ou ainda, o gradiente hidráulico pode ser visto como o decréscimo que ocorre na "carga hidráulica" (altura da coluna de água) quando nos movemos 1 metro na direção do fluxo. Chamou a relação entre o fluxo e a Area da seção transversal do tubo de "descarga especifica" (q = Q / A) o que também pode ser visto como o volume que atravessa uma área unitária por unidade de tempo. Se o gradiente hidráulico é unitário, então,

(em m/s) A

Darcy também notou que o fluxo de agua variava com o tipo de material que era colocado no interior do tubo. Essa propriedade que reflete a dificuldade (ou facilidade) com que o fluido passa através do meio poroso é chamada de permeabilidade intrínseca do meio proso (k). A relação entre aK eké dada por

K =k.p.g 11

onde "µ" é a viscosidade absoluta (Feitosa, 1997).

Material Cond. Hidráulica (cm/s)

Argila 10-7 - 104

Silte ; silte arenoso 104 - 10-2

Areia argilosa

le

_10-2

Areia siltosa ; areia fina 10-3 - 10-1 Areia bem distribuída 10 -1 — 101 Cascalho bem distribuído 10 ° -10 2

Tabela 01 — Faixa de valores de condutividade hidráulica para materiais não consolidados modificada (Fetter, 1988, in Feitosa, 1997)

Numa sequência multicamadas, ocorre um fluxo de Agua também na vertical de modo que o valor da condutividade na horizontal é maior que o valor na direção vertical.

6.4 Transmissividade

A transmissividade T corresponde A quantidade de água que pode ser transferida horizontalmente por toda a espessura saturada (b) do aqüífero. Com base na Lei de Darcy,

pode-se conceituá-la como a taxa de escoamento de água através de uma faixa vertical do aqüífero com largura unitária submetida a um gradiente hidráulico unitário. Como para aqüíferos livres a espessura saturada muda com

o tempo, é mais aplicada para aqüiferos confinados (Feitosa, 1999).

T = b.K (em m2/s)

Fig 04 — Desenho esquemático da transmissividade para aqüífero livre

6.5 Coeficiente de Armazenamento e Armazenamento Especifico

A capacidade de um aqiiifero armazenar e transmitir Agua depende das propriedades da Agua (densidade, viscosidade e compressibilidade) e das propriedades do meio poroso (porosidade, permeabilidade intrínseca e compressibilidade).

0 armazenamento especifico (Ss) de um aqiiffero saturado é definido como o volume de água liberado por volume unitário do aqüífero submetido a um decréscimo unitário de carga hidráulica.

V a

S s = agua (m ' )

Vaquifero .All

0 coeficiente de armazenamento (S), por sua vez, é definido como

S =b.S s (adimensional) Fig 05 — Desenho esquemático do _{armazenamento especifico} A variação do Ss é de 3,3 x 10-6 m-1, para rochas, a 2,0 x 10-2 m-1, para argilas plásticas.

6.6 Equação Diferencial do Fluxo Subterrâneo

A equação geral do fluxo subterrâneo tem suas origens na Equação da Conservação da Massa ou Equação da Continuidade, que diz que "Agua não pode ser criada nem destruída,

e sim, transportada de um ponto a outro e armazenada". Dito de forma matemática, esses dizeres se traduzem em:

at

aOhgvr) a(77,0v,) _ a(77,0)

ax ± ay + az at

onde ri é a porosidade efetiva, p é a densidade, v a velocidade da partícula de água e "div" o "operador divergente" aplicado à função velocidade (v = v(x,y,z)). Nesta equação, o lado esquerdo da igualdade representa a quantidade de água que chega a um determinado ponto nas direções dos eixos cartesianos enquanto o lado direito representa a variação do armazenamento local.

Aplicando a Lei de Darcy na equação da continuidade e utilizando o conceito de armazenamento especifico temos a equação geral do fluxo subterrâneo. Essa equação passa a ter a forma

div(K.grad h)+W = Ss

—

ah

at a

K aor + a ( _Kyyaor aY a ( a(h

+ K

az " az

+W =

S

a(h)

,

- at

onde os imicos parâmetros novatos são W que representa o fluxo externo (fonte ou sumidouro, positivo ou negativo, respectivamente ) por unidade de volume e "grad" que representa o operador vetorial "gradiente". A condutividade é vista como um tensor (uma entidade matemática mais genérica que um vetor) e assume-se que as principais direções de propagação são as dos eixos cartesianos (com essa informação, os elementos do tensor não pertencentes A. diagonal principal são nulos — 0 para i#j).

Em 1863, Dupuit verificou que nos escoamentos de água subterrânea a declividade da superfície fredtica é geralmente muito pequena e o escoamento pode ser considerado praticamente horizontal. Isso anula a dimensão vertical ou "z" do problema. Para fluidos não confinados em meios porosos isotrópicos, verifica-se que para declividades da superficie piezométrica de até 10%, o erro relativo cometido no cálculo da velocidade é de apenas 1% (Feitosa, 1999).

No aqüífero livre não existe camada superior impermeável e, portanto, atua a pressão atmosférica. Como geralmente a o nível do fredtico não vai até a superfície, admite-se que existe uma interface de separação entre a zona saturada e a zona superior seca. Aplicando-se a aproximação de Dupuit (baixa declividade, escoamento praticamente horizontal), e levando-se em conta que ao longo da superfície livre atua a pressão atmosférica, "h" pode ser considerada como a espessura saturada do aqüífero. Multiplicando-se ambos os lados a equação geral do fluxo subterrâneo por "h", temos

a 7

a(h)

a 7

+

K .h.

ao)`

+ =

W S

a (h)

K. h.

' ax

/ YY aY I

at

ax

_a3'

que é a Equação Bidimensional de Fluxo Subterrâneo para Aqüíferos Livres. Infelizmente, essa equação não é linear e pode ser ainda simplificada adotando-se a condutividade hidráulica como constante (Kxx = Kyy = K, meio isotrópico) por meio da substituição abaixo:

ah

h

ah

=

1 a(h2)

e

h = 1

0(h2)

ax

2

ex

ay

2

0y

A equação do fluxo subterrâneo passa a ter a forma

1<- [ a

r

h. a (11) + a

r

h. a (h)\

+W =

s

a(h)

a x )

aY J_

at

ax

ay

K a ( a(h2)`

a

+

w s a (h)

ex j r

8021

\.

ay , h

h at

2

ex

ey

(

a2(h2)`

(

a2(h2)`

2.W 2.S

ao)

+

+

=

ax2 , , ay2 , K .h K .h at

A relação "K.h" é geralmente substituida por "T". Se o problema é tratado como regime de fluxo permanente, o lado direito da equação acima é zero, a equação pode ser tratada como linear e os métodos de solução da equação diferencial são relativamente simples. Se o problema é tratado em regime de fluxo transitório, devido ao fator 1/h a equação não é linear e a equação pode ser resolvida por métodos numéricos. Os dois métodos mais comuns são o das "diferenças finitas" e dos "elementos finitos".

7. ELEMENTOS DO MODELO

O modelo que se pretende gerar é constituídos de elementos relacionados com a geologia e hidrologia local, os quais foram agrupados em elementos geológicos e hidrológicos, respectivamente, e elementos artificiais. Os elementos geológicos incluem basicamente a litologia enquanto os hidrológicos, além de parâmetros da hidrogeologia, incluem também a hidrologia superficial (recarga, reservatórios, etc). 0 conhecimento das características desses elementos é fundamental para a alimentação do software PMWIN. 0 modelo possui ainda 03(três) elementos artificiais que são a barragem do Açude Chile, a barragem subterrânea e um poço de bombeamento.

7,1 ELEMENTOS GEOLÓGICOS

Embasamento Cristalino

A área que se pretende modelar encontrar-se 100% encaixada no embasamento cristalino, constituído, por sua vez, de rochas igneas e metamórficas sãs, de baixíssima porosidade, aflorantes ou com cobertura de solo muito pequena (não ultrapassando 1 metro) e localmente recobertas por uma aluvião. A contribuição desse elemento para o software PMW1N é que ele não possui fluxo subterrâneo (a carga hidráulica é zero) e nem recarga. Toda água advinda de precipitação escorre superficialmente para a aluvião.

Aluvião

Uma aluvião é formada por sedimentos retrabalhados pelo movimento das águas do rio e, por ocasião da perda de força de transporte, tecnicamente chamada de "competência", estes sedimentos são depositados. Uma aluvião nos rios do nordeste do Brasil é bastante influenciada pelo regime de chuvas. Como esse regime é bastante variável de ano para ano, as aluviões representam uma mistura de sedimentos finos a grosseiros, interdigitada, onde geralmente na base está uma camada de cascalhos. E nesse elemento do modelo que se dará o fluxo e o armazenamento de agua e a carga hidráulica deverá ser calculada pelo software ponto a ponto.

Feitosa (1997) sugere os seguintes valores para armazenamento especifico e porosidade efetiva: Material Ss Argila mole 2 x le a 2,6 x 10-3 Argila dura 2,6 x le a 1,3 x 10-3 Argila média 1,3 x 10-3 a 9,2 x 104 Areia inconsol. 1 x le a 4,9 x 104 Areia densa 2 x 10-4 a 1,3 x 104 Cascalho lx lea 4,9 x 10-5 Rx fissurada 6,9 x 10 a 3,3 x 10-6 Rx sff < 3,3 x 10-6 Material _(t)EF Argila 0 a 0,05 Argila arenosa 0,03 a 0,12 Silte 0,03 a 0,19 Areia fina 0,10 a 0,28 Areia média 0,15 a 0,32 Areia grossa 0,20 a 0,35

Areia com cascalho 0,20 a 0,35

Cascalho fino 0,21 a 0,35

Cascalho médio 0,13 a 0,26

Cascalho grosso 0,12 a 0,26

Tabela 02- Faixa de variação de annazenamento especifico (Domenico, 1972 in Feitosa, 1997)

e porosidade efetiva (Johnson, 1967 in Feitosa, 1997) para diferentes materiais

Parâmetro Valor Kx = Ky = Kz 5,176 X 10-2 CM/S Ss 3,345 x 10-2 /cm Sy 1,88 X 10-1 (I) efetiva 25 % 4) total 37,5%

Tabela 03- Parâmetros obtidos para a aluvião do Rio Palhano

Estudos conduzidos por pesquisadores (Leite et al, 1999; Castro et al, 2000; Ceci, 2001) na área permitiram definir os valores para condutividade hidráulica (K), armazenamento

Codrnadas UTZ

LEGENDA

Cdgva de noel da superbcie 9'615:10 (mN) 9461000 , 9460500 - 560000 560500 561000 561540 SMODD 552500 553000 553500 (mE) 559500 550000 560500 LEGENDA

Coroa de noel da bast do al.do

561500 617150 56350D 560000

559500 561051 563500 (mE)

a

Cddrdenadas 0151 41:1 fACI CC?.

especifico (Ss), vazão especifica (Sy), porosidade (4)) a partir de testes de bombeamento e "slug testes" (tabela XX)

As figuras abaixo apresentam a topografia do embasamento e da superficie onde pode-se observar que a área tem uma altimetria variando desde 82,88m , próximo A. montante do Açude Chile, e 73,90 m , próximo àjusante da barragem subterrânea

Fig 06— Altimetria da superficie do aluvião (a- superior) e da topografia

do embasamento (b - inferior)

A base da aluvião possui profundidade média de 4,35 m, uma máxima de 5,60 m e uma minima de 2,60 m.

Furos a trado realizados pela FUNCEME (Leite, 1999), detectaram os níveis estáticos (níveis de Agua — NA) apresentados na tabela XX.

O aluvião é um importante elemento do modelo que recebe a recarga e sobre o qual corre o Rio Palhano, elementos estes descritos posteriormente.

Posto de Boa Água. Morada Nova (CE) 500 - 2' 400 E .9, 300 ' 1_. 2002 -Ac- 2003 2004 Media 200 e 100 o. 0 1 . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Mes

Posto de Boa Ague - Morada Nova (CE) Média = 811 rem 1200 Is 1000 E 800 a 600 I 400 a- 200 0 Sèrie1 I 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Furo Leste Oeste Ct Superf NA COL UN

5 560214.9 9461031 80.92 78.16 30 50 12 560883.2 9460548 80.69 76.89 56 18 13 561358.3 9460557 78.85 76.58 75 18 14 561752.8 9460829 78.77 75.77 91 36 15 561646.1 9460976 78.19 75.64 87 46 16 562268 9461022 76.09 73.69 112 49 17 562287.3 9460916 76.76 74.76 112 42 18 562774.8 9461176 75.2 72.88 132 59 20 563014.7 9461207 74.43 72.77 142 61 21 563031.5 9461130 74.57 72.82 142 56 22 563253.4 9461194 74.74 73.14 151 61 23 563202.6 9461224 74.16 72.71 149 63 25 563474.5 9461327 74.35 72.77 160 69 26 560663.1 9460787 80.76 77.9 48 33 28 561997 9460963 77.1 75.41 101 45

Tabela 04 - Furos a trado com os respectivos níveis de água obtidos de Março-Maio/1999

7.2 ELEMENTOS HIDROLOGICOS

Reservatório

O reservatório aqui mencionado é o Açude Chile, construido para (1) armazenar água no período chuvoso e distribuí-la lentamente na tentativa de regularizar uma vazo minima e manter um filete de água ao longo do leito do Rio Palhano e (2) abastecer a comunidade local no período de estiagem. No período de simulação do modelo que é de 12 meses, considera-se a variação do volume é bastante pequena. Mantendo-se a coluna de água praticamente a mesma, considera-se que a carga hidráulica é constante e aproximadamente igual a 80,50 metros.

Precipitação e Recarga

A Area que se deseja realizar a modelagem situa-se no semi-árido do Estado do Ceará onde estatisticamente o primeiro semestre é tido como chuvoso e o segundo como praticamente seco. Estações meteorológicas de domínio da FUNCEME nas proximidades da área mostraram um comportamento semelhante, conforme pode ser visto na figura 07.

Tomando com base a média desse posto pluviométrico no período de 2001-2006, o ano de 2002 pode ser considerado como um "ano acima da média" (média = 811 mm/ano) enquanto o ano de 2003 será considerado um "ano abaixo da média". 0 ano de 2004 é considerado um ano atípico pois tem um comportamento diferente dos valores médios mensais esperados. Chover "811 mm" significa dizer que é a altura da coluna de água que se forma após uma chuva durante um certo intervalo de tempo sobre "um metro quadrado de Area". Parte dessa chuva infiltra onde uma quantidade alimenta a vegetação e outra o lençol fredtico; parte escorre superficialmente e parte evapora. A parte que alimenta o lençol fredtico (Aguas subterrâneas) é chamada de "recarga". Miyasaki (2003) considerou a precipitação de 761 mm e a precipitação média histórica segundo o banco de dados da FUNCEME/Posto de Morada Nova é de 740 mm. 0 período chuvoso pode ser considerado de Fevereiro a Maio pela figura 07.

O balanço hidrico calculado por Miyasaki (op cit) apresentou um valor de 156,25 m3/dia para toda a Area (A= 1200m x 4200m = 5.040.000 m2) o que equivale a 3,1 x 10-5 m3/dia sobre uma área de "um metro quadrado". Transformando as unidades para "ano" e "milímetro" para fms de comparação, equivale dizer que dos 811 mm que choveram em "um metro quadrado" apenas 11,31 mm recarregaram o lençol fredtico. Na simulação de Myiasaki (op cit), a recarga ou infiltração efetiva em uma célula especificada do modelo (25m x 15m = 375 m2) foi de, inicialmente, 27 mm/ano e, após várias simulações, de 40 mm/ano. Considerando a Area do aluvião que é de 1.239.869,26 m2 , a recarga passa a ser de 1,26 x 104 m/dia (a unidade "metro" resulta da divisão de " m3/m2 ").

Evapotranspiragdo

Já que uma parte da água que infiltra é retida pelas plantas e dai retorna à atmosfera através do processo de "transpiração", cabe a quantificação desses volumes para a identificação do que realmente fica armazenado. 0 balanço hídrico executado por Miyasaki (op cit) resultou nos seguintes valores como médias anuais:

Parâmetro Valor (mm/ano)

Precipitação 761,4

Evapotrans. Potencial 1822,1

Evapotrans. Real 718,2

Deficiência Hidrica 1087,6

Infiltração Efetiva 27

Tabela 05— Parâmetros do balanço hídrico

A evapotranspiração possui a característica de ser máxima na superficie e diminuir linearmente com a profundidade até zerar, profundidade esta que chamamos de "profundidade de extinção". A quantidade máxima de água que o solo pode reter (capacidade de campo) foi estabelecida em 60 mm. Como a Area é constituída de uma vegetação de pequeno a médio porte, parte dela adaptada para perder pouca água para resistir aos longos períodos de estiagem, a evapotranspiração foi desprezada.

Julho - Janeiro

rivd f re4k5o ram s.turada

I t

2013 Sala= seimarfolfe ¡undo

Fevereiro - Maio Junho

Rio Palhano

0 Rio Palhano é um corpo d'água superficial que permanece seco a maior parte do ano apresentando algum volume de Agua apenas em parte do período chuvoso e extinguindo-se logo após dele. Devido a essa intermitência no volume de água do leito, duas situações podem ser descriminadas. A primeira, quando a superficie do fredtico fica acima da cota do fundo do rio estando este com Agua e parte da água subterrânea migra para o rio. Nessas condições o rio é tratado como um dreno. Na segunda, este elemento deixa de atuar pois a água que corre em seu leito é efêmera e se extingue com rapidez, situação esta que perdura por todo o segundo semestre.

Fig 08— Desenho esquemático da situação do Rio Palhano durante 12 meses de simulação

Na condição de "dreno", Miyasaki (2003) utilizou os seguintes parâmetros:

Parâmetro Valor

Cota do ponto inicial 80,50 m

Cota do ponto final 73,40 m

Largura do dreno (rio) 2 m

Espessura média do sedimento de fundo

0,20 m

Condutância pt. inicial 1120 m2/dia

Condutáncia pt. Final 1120 m2/dia

Condutividade Hidráulica dos

sedimentos de fundo 4,47 m/dia

Tabela 06 — Parâmetros do Rio Palhano para utilização como dreno

7.3 ELEMENTOS ARTIFICIAIS

Barragem do Açude Chile

Segundo Cruz (1996, in Miyasaki 2003), valores típicos de condutividade hidráulica para solos compactados situam-se entre 10-6 a

le

cm/s, variação essa em função do percentual de material silte-argiloso. Para a barragem do Açude Chile, considerou-se o menor valor, ou sej a, Kx = Ky =10'7 cm/s . A espessura média da barragem é de 5 metros.

Bar Sup CH1 CH2, Precipt 111' At: Chile Evapotransp CH 3 I CH4 ' Ri 0 Barragem Subterrânea

Segundo Monteiro (1988, in Miyasaki 2003), o valor da condutividade hidráulica da barragem subterrânea pelo projeto de construção mesma é de Kx = Ky =10-6 cm/s . A espessura média da barragem é de 2,5 metros.

Poço de Bombeamento

Após a simulação do modelo em regime estacionário (permanente), foi introduzido um poço de bombeamento para ver como se comporta a carga hidráulica do aqüífero atuando apenas no período de estiagem. Como já foi dito anteriormente, a primeira etapa da modelagem foi feita regime permanente para que os valores de condutividades hidráulicas, etc pudesse servir de alimentação inicial para a simulação em regime de fluxo temporário (transiente). Para fins práticos, considera-se um poço seco quando sua vazão esta abaixo dos 800 litros/hora (19,2 m3 /dia). Para fins de comparação, estudos realizados no ceará mostraram uma vazão média para poços no cristalino de 2500 litros/hora (60 m3 /dia). Esses valores serviram para nortear as estimativas iniciais das taxas de bombeamento do modelo.

Bar Subt

Fig 09 — Desenho esquemático dos elementos do modelo

Parâmetro Valor

Condutividade Hidráulica (cristalino) 0 m/d Condutividade Hidráulica (aluvião) 44,7 m/d Condutividade Hidráulica (barr superf) 8,64 x 10-5 mid Condutividade Hidráulica (barr subt) 8,64 x 104 m/d Condutividade Hidráulica (sedimentos de

fundo do leito do rio — riverbed)

4,47 m/d

Porosidade efetiva 0,25 (25%)

Largura (barr subt) 2,5 m

Largura (barr superf) 5,0 m

Fluxo de Recarga 1,26 x 10-4 m/d

Vazão especifica 1,624 m2 /d

Model Grid] Coordinate System 1 - Layer (K Dimension)

Number of Layers:

Model Thickness: Model Top Elevation: lo 11 - Row (I Dimension) Number of Rows ₁₈₁₃ Model Extent 11200 Column li Dimension) Number of Columns 1168 Model Extent 14200 - Cross-Sectional Display Vertical Exaggeration: 120

iii Model Grid and Coordinate System

Load... Help 1 Cancel OK 1

8. ALIMENTAÇÃO DO PMWIN

Do exposto nos itens anteriores, o modelo foi alimentado com os valores apresentados na tabela 07. A alimentação dos parâmetros do modelo para que o mesmo fosse rodado foi dividida em 02(dois) grandes passos, conforme já mencionado anteriormente. Apenas para fins de organização, a introdução de dados obedeceu uma seqüência lógica ditada pelos itens do menu principal (e seus subitens) da esquerda para a direita.

•:' ARPALHANO.PM5 - Processing Modflow Pro

Fig 10— Menu Principal do PMWIN File Grid Parameters Models Tools Help

Todo modelo deve começar com a criação do mesmo através da opção FILE/NEW MODEL. E criado um arquivo com extensão *.pm5 e posicionado em uma determinada pasta aonde serão armazenados os outros arquivos de apoio do modelo.

8.1 Regime de Fluxo Estacionário

a) Defmição da malha do modelo (GRID/MESH SIZE)

Nessa primeira grande etapa, o trabalho foi iniciado pela definição da malha de trabalho. Para a área do levantamento, cujas dimensões são de 4200 m x 1200 m, foram definidas 168 colunas por 80 linhas o que cria uma célula de 25 metros na direção Leste por 15 metros na direção Norte.

Os parâmetros de espessura do modelo seed() definidos através de arquivos contendo a topografia da superficie e do embasamento, posteriormente. No entanto, o modelo terá uma camada sedimentar.

Fig 11 — Janela de definição da malha do modelo

Definida a malha do modelo, um mapa base foi introduzido por baixo da malha ao ativarmos a guia "Coordenate System". As etapas de introdução do mapa base encontra-se em Chiang (2005). Após a realização de uma etapa de tarefas do modelo, os dados devem

Transmissivity Layef Type Horizontal _Anisotropy Vertical _Anisotropy

I VK

1: Unconfined Calculated Fbw Package-. Block Centered Flow (BCF)

(E)

ser salvos clicando-se no icone especifico EDITOR.

b) Definindo as propriedades do leito (GRID/ LAYER PROPERTIES)

Nessa etapa foi informado se o aqüífero considerado é ou não confinado. No modelo em questão o aluvião é composto de uma única camada não confinada. Basta clicar na coluna "Type" e uma lista suspensa cairá para se escolher a opção "Unconfined"

ou através do caminho FILE/LEAVE

Fig 12 — Propriedade do leito

c) Definindo as condições de contornos (GRID/Cell Status/IBOUND)

Para auxiliar A. resolução das equações diferenciais devem ser fornecidas as condições de contorno. No caso dos modelos de água subterrâneas, 03(três) tipos de condições de contornos são especificados através da informação dos valores "-1" (carga constante), "0" (sem carga e, conseqüentemente, sem fluxo) e "1" (carga calculada). As células que representam o embasamento cristalino foram alimentadas com uma condição de contorno tipo "0" e o aluvião com "4". As células dos furos de sondagens (tabela 04) foram definidas como de carga constante.

Fig 13 — Condições de contorno de carga constante em azul.

d) Definindo a topografia do topo do modelo (GRID/Top of Layers)

Para que a topografia da superficie do modelo fosse representativa, a figura 06 foi digitalizada através do Surfer. Após a digitalização, o arquivo foi modificado manualmente para que possuísse o formato XYZ do PMWIN. Estando nesse formato ele pode ser importado para representar a topografia. No entanto, com a digitalização não cobre todas as células, esse arquivo deve sofrer antes a ação do "interpolador de campo" (Field

Browse Matrix

Palm-eater C.olumn Width

I Elevation of the Layer Top 114

OK I Cancel I H OK I Cancel I Help I Ophons (7. Replace r Add Solotact mapty C Divide Fde: - Start Position Column f J ): Flow (I) 11 11 Maximum Numbers: Layer= 1; Roem 80; Column= 168

o o O O o o O o 2 0 ,o 4 0 5 0 6 0 -7- - 0 8 0 -9- 0 fo- o 11 o 12 0 13 0 14_ 0 -L5 0 2 o 13 4 1t Load Matrix

Interpolator) para que sejam gerados os valores das outras células. Agora sim, o arquivo está pronto para representar a topografia (arquivo tipo ASCII Matrix).

Arquivo tipo XYZ Field Interpolator Arquivo ASCII Matrix

A C

1 2

3391 _{Field Interpolator}

-6,12 401,896 82,5

3 61,401333 473 ,9W.J.3 82,5 _{Files 1 Grid Position] SearchiGriddino Methodl} 4 119,81867 536,93867 82,5

5 187,34 595,356 82,5 6 245,75733 644,66333 82,5

7 313,27867 703,08667 82,5 _{PMWIN Model: la monografia\altaviao rio palhano\ar palhanapm5 (23} 367,144 739,50267 82,5

9 439211.3i 770,608 82,5 _{Input File: lalhanoVormeto pmwin topo super_aluy_chile.dat} 10 497,63467 784,264 82,5

11 529,49867 811,576 82,5 _{Output File: aluvieo rio palhano\topo superf interpolada.det} 12 538,60267 856,33733 82,51 13 533,610267 914,75467 825 14 515,84267 991,38 82,5 15 48.4,73733 1049,7973 82,5 16 448,32133 1099,1107 82,5 17 40056 1148,424 82,5 18 363,35067 11802 82,5 _Help Close I GO 19 331,48667 12068413 82,5 20 250,30933] 10,424 21 282,17333177,946333 82 82

Fig 14- Utilizando o interpolador de dados

e) Definindo a topografia do embasamento (GRID/Bottom of Layers)

Todo o processo de preparação para que o arquivo pudesse representar a topografia do embasamento que foi utilizado no item "d" foi também utilizado no item "e". Detalhando apenas o um pouco mais a leitura do arquivo com os dados de topografia, basta clicar no botão "load" da janela característica para procurar e informar o nome do arquivo que guarda os valores de altitude.

Fig 15- Carregando o arquivo da topografia

f) Definindo os parâmetros de tempo (PARAMETERS/TIME)

Como estamos trabalhando inicialmente no regime de fluxo estacionário, o que acontece em um determinado instante é semelhante o que acontece no próximo instante, seja o

Reset Matrix

Horizontal Hydr. Conductivity [UT1: 03§ Parameter Number [-I 10

Select 'Apply to the entire model" to set the values to all cells of the model Select "Apply to the current layer" to set the values to all cells of the current layer.

r Apply to the entire model

a'. Apply to the current layer OK Cancel 11 Help {

Fig 16— Preenchendo a matriz de condutividades hidráulicas com um 'Calico valor

intervalo de tempo de 1 segundo ou 1 ano, por exemplo. Portanto, o comprimento do período (Period Length) não é relevante. No entanto, devemos especificar a unidade, que no caso foi "dias" e deixar ativada a opção "steady state".

g) Definindo as cargas hidráulicas iniciais

(PARAMETERS/ INITIAL&PRESCRIBED HYDRALIC HEADS)

No item "c" foram discutidas as condições de contorno. Nas células aonde as cargas foram definidas como fixa, é nessa etapa que deve ser informado o seu valor. Ao longo do açude, foi informada a carga de 81 m, na extremidade direita o valor de 72 m e, nos furos de sondagem, de acordo com a tabela 04.

h) Definindo as condutividades hidráulicas horizontais

(PARAMETERS/ HORIZONTAL HYDRALIC CONDUCTIVITY)

Cinco (05) são os elementos que devemos informar a condutividade hidráulica: embasamento cristalino, barragem superficial, aluvião, barragem subterrânea e sedimentos de fundo do leito do rio (riverbed). As condutividades hidráulicas das barragens foram obtidas dos projetos das mesmas. Embora tenham sido feitos "Slug testes" e testes de bombeamento no aluvião, optou-se por utilizar o valor do teste de bombeamento por ser mais abrangente (Miyasaki, 2006). 0 valor dos sedimentos de fundo do leito do rio foram estimados.

Para agilizar a introdução desses valores, deve-se preencher o arquivo de condutividades hidráulicas com o valor 44,7 (As cargas fixas e inativas não serão afetadas por esse procedimento). Pode-se fazer isso utilizando o caminho VALUE/RESET MATRIX.

A tarefa agora é definir a condutividade hidráulica ao longo do leito do rio e das barragens, segundo os valores da tabela 07.

i) Definindo a porosidade efetiva

(PARAMETERS/ EFFECTIVE POROSITY)

Visto que a porosidade efetiva é um parâmetro que influencia a condutividade hidráulica e não foi calculada, através de valores da bibliografia foi inferido um valor de 25 %(0,25). Para atribuir um valor único a toda a matriz de porosidade efetiva, utilize o caminho VALUE/RESET MATRIX.

j) Definindo as barreiras

7 Horizontal-Flow Barrier Package

Barrier Direction (1 -4): 110 (Hydrauk conductivity Thickness) of the Barrier [1/T1: I 0

Directions — Current Position (CoJunin, Row) = (17.19)

1 - —2 0= No Barrier

OK Cancel I Help I

Fig 17— Janela de entrada de

parâmetros do Pacote

Barreira

Result Selection

Select a model and the type of resuk that you want to display, than cick OK MODFLOW 1 MOC301 MT3D I MT3DMS 1 RT3ID

Result Type: 'Hydraulic Head

OK Cancel

Fig 18 — Janela de execução do modelo

Fig 19— Janela de visualização dos resultados

No presente modelo, a barragem superficial do Açude Chile e a barragem subterrânea foram definidas com estruturas delgadas

que reduzem a velocidade de fluxo da água subterrânea. Dessa maneira, podem ser tratadas como "barreiras" e o PM WIN possui um pacote especifico para analisar a sua influência no fluxo de água subterrânea. Essas barreiras estarão presentes tanto no regime de fluxo estacionário como no transiente.

No pacote para tratamento da célula como barreira foram introduzidos 02(dois) parâmetros: a condutividade hidráulica equivalente da espessura da barreira (TDW) e a face da célula que deve ser considerada como barreira. A TDW é calculada pela condutividade hidráulica dividida pela espessura da barreira (tabela 07) e a direção de fluxo, no nosso caso, é geralmente "1" ou "2".

TDW (superf) = 1,728 x 10-5 /d

TDW (subter) = 3,456 x 10-5 /d

• o dpath Nets. aii)

Modflow Versiorr MODFLOW96 *INTERFACE TO MT3096AND LATER Generate Description P" I Basic PacKage • 'Block-Carib:4W Flow [BCF12) • Output Control • 'Wel P 'Recharge P 'Solver - PCS2 • !Modpath Vers te)

Destination File

cAmanualprneekisuarioskr rautecOaluv_estac_c cAmanualpmerin%usuarios‘netion raufinolaluv estac_c 'almarrualprrrekiWroarios1relson tad.° akre_estac_c cArnanualpmeedursuarioeir raufindolue estac_c cArnanualpmininWsuarioAnelson raulino akiv_estw_c a ‘manualprnoriksuaricisninelson raufrno aluv_estac_c c:lmanualpmerirAusuarios '‘ nelson raulino due estac_c c:lmanuatirnmeursuanoeinelson raulaialaluv_estac_c

k) Rodando o modelo no regime de fluxo estacionário

(MODEL / MODFLOW / Run)

Options

r Check node' data

P Dail generate MO DPATH files anyotay.

I— Regenwateafleputlileo

r Generate input files only, don't start MODFLOW OK Cancel I Help I

Utilizando o caminho descrito abaixo da linha do "item k", aparecerá a caixa ao lado. Deixe marcada a caixa "Check model data" pois ela criará um arquivo de mensagens de erro gerados durante a execução do modelo. Antes a execução poderá aparecer uma mensagem pedindo para confirmar os valores de porosidade efetiva, caso não tenha sido informado. Durante a execução, aparecerá uma janela no modo DOS (tecle qualquer tecla para

Period Acte Period Length No. of Tine _Steps MuItfier _(Flow) Transport _{Stepsim Transport Steps} Man. No. of _It 12i II F.-0 1 120 41 11 01 500001 1 r 1 240 e 1i 01 500001 1 E ! 1.157407E-05 1 11 01 500001 1 E ' 1.157407E-05 1 11 01 500001 E I 1.157407E-05 11 11 _{CI I} 500001 E 1.157407E-05 11 11 01 500001 17 1.157407E-05 11 11 01 500001 E 1.157407E-05 11 11 (II 50000l E 1.157407E-05 11 11 _i 01 500001 4 1 I' I 1157407E435 11 11 01 5001ill I,

Simulation Tine Unit Simulation Flow Type IdaYs

W. Auto Update Period Length

(;- steadystate Transient _{_} Total Penod Number = 1

T dal Time Steps = 4

Total Simulation Time = 1.20E-12 days

Load... _j Save As... I OK I Cancel I

To edit the model data for a specific stress period, select a period from the table below then press "Edit Data".

Edit Data Period I Data I Use

13 Copy Data . 2 JQ o Leave Editor Cancel Help

Fig 21 — Janela Temporal

fechá-la).

1) Visualizando os resultados (TOOLS / 2D Visualization)

Utilizando o caminho descrito na linha abaixo do "item 1", aparecerá a caixa ao lado onde o tipo de resultado a visualizar será "Hydraulic Head".

8.2 Regime de Fluxo Transiente (não Estacionário)

Uma das funções dos passos anteriores é gerar um arquivo de cargas hidráulicas iniciais (em regime estacionário) para ser importado para o regime de fluxo transiente.

a) Definindo os parâmetros de tempo (PARAMETERS / TIME)

0 primeiro passo nesse novo regime de fluxo em que foi rodado o modelo é construir os períodos do modelo. Conforme já foi dito anteriormente, no primeiro período (4 meses) atuarão a recarga e o dreno (rio) e, no segundo (8 meses), o bombeamento, enquanto os outros deixarão de existir. Os períodos foram definidos confoline a figura ao lado onde a opção "Transient" deve estar ativada.

Fig 20— Janela de configuração dos parâmetros de tempo

b) Definindo a recarga

(MODEL/MODFLOW/ Flow Packages / Recharge)

Segundo Miyasaki (2006), a recarga para toda a Area do modelo foi de 156 m3 /d. 0 pacote de recarga necessita do fluxo de recarga (Recharge Flux), ou seja, a recarga por metro quadrado. Como a área do aluvião, calculado pelo AutoCAD, é de 1.239.869,26 m3 , fluxo é de 1,26 x 104 m/d. Como suposição, admitiu-se que a recarga é aplicada apenas 6. camada da superfície.

? Processing Mo df low

The selected package is active. You can edit the data or deactivate the package. The existing data will not be lost, if the package is deactivated.

Edit Deactivate I Cancel

Após informado o valor do fluxo, o PMW1N pede para que ser informado sobre o período aonde o "pacote" (no caso, a recarga) irá atuar. Posicione o ponteiro em "1" da coluna "period" e clique no botão "Edit Data". Note que na barra de status no inferior do video mostra o texto "Period 1". A opção VALUE / RESET MATRIX é utilizada para informar o valor do fluxo de recarga para todas as células da camada atual do modelo. Mude para o "período 2" e forneça o valor 0 (zero).

Fig 22 — Caixa de mensagem

Processing Modflow para

pacotes ativos

Toda vez que for entrar um pacote do PMW1N já utilizado, aparecerá esta mensagem. 0 bad() "Edit" deve ser pressionado toda vez que quisermos modificar os parâmetros já informados. Já o botão "Deactivate" é utilizado para desativar o pacote.

c) Defmindo o dreno (rio)

(MODEL/MODFLOW/ Flow Packages / Drain) Construção do elemento dreno

Como o pacote dreno só atua no primeiro período, entre no pacote dreno através da utilização do caminho abaixo da linha "item c" e posicione-se no "período 1", conforme já foi mencionado no item b (recarga). 0 dreno foi construido por meio de poligonais (polyline) e através das seguintes etapas:

• Clique na célula mais acima que representa o leito do rio para ancorar o primeiro vértice. Cada vez que definir um trecho, dê um clique;

• O último vértice da polilinha deve ser definido com um clique duplo;

• Quando quiser apagar um vértice recém-criado, clique com o botão direito. Qnando quiser apaga-lo, coloque o cursor sobre o dreno e pressione "Del";

• Desenhe a polilinha de montante para jusante (fio abaixo). Informando os valores

• Coloque o cursor sobre o primeiro vértice da polilinha. Note que a polilinha muda de cor para azul;

• Clique com o botão direito do mouse e aparecerá a caixa de diálogo ao lado; • Informe a condutividade hidráulica e a

elevação do dreno (Tabela 07). Todas as células compreendidas nesse trecho da polilinha terão essas características;

Drain Parameters

, Layer Option (apply to the selected pohrline) - Assign layer number. manual},

Parameters (apply to the selected vertex) 17 Active

Equivalent Hydrauic Conductivity ILITI:1100

Elevabon of the Drain [L]: 11 5 AU_ ] Parameter Number RIO

Layer Number 1-1:11

OK I Cancel I Help I

Fig 23 — Caixa de diálogo dos parâmetros do dreno

ft Cell Value

Recharge Rate of the Well r3/T]: 101 Parameter Number Ft ICI 1Current Position [Layer, Row, Column) = [1.15.152)

C.

rjf,to tl OK Cancel Help

• Clique em OK e vá para o último trecho posicionando o cursor sobre o peniiltlimo vértice;

• Informe a condutividade hidráulica e a elevação do dreno (Tabela 07). Todas as células compreendidas nesse trecho da polilinha terão essas características;

• Clique em OK.

File Value Options Help

Fig 24— Pacote Dreno com o trecho do rio digitalizado. 0 dreno ativo está em azul.

Do mesmo jeito que foi feito para a recarga, dentro de cada período informar a condutividade hidráulica (condutividade hidráulica do segundo período é zero). A mudança do "período de stress" pode ser feita através do icone abaixo: _tg-44

o

(Change stress period) d) Definir o bombeamento

(MODEL/MODFLOW/ Flow Packages / Well)

O poço de bombeamento foi posicionado na célula (col, lin) = (135,28). Para definir a taxa de bombeamento basta clicar com o botão esquerdo do mouse para ativar a célula e depois clicar com o botão direito para abrir a taxa caixa de diálogo abaixo. Foram testados vários valores desde 19,2 até 572 m3/d. Vale lembrar que um bombeamento significa saída de Agua do sistema e o valor informado deve ser negativo.

Fig 25 — Caixa de diálogo do pacote Well (poço)