ANÁLISE POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS E HIDROQUÍMICOS DE FATORES CONDICIONANTES DO POTENCIAL HÍDRICO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS - ESTUDO DE CASOS NO QUADRILÁTERO FERRÍFERO (MG)

ANÁLISE POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS E

HIDROQUÍMICOS DE FATORES CONDICIONANTES DO

POTENCIAL HÍDRICO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS -

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Reitor

João Luiz Martins

Vice-Reitor

Antenor Barbosa Júnior

Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação

Tanus Jorge Nagem

ESCOLA DE MINAS

Diretor

Antônio Gomes de Araújo

Vice-Diretor

Marco Túlio Ribeiro Evangelista

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

Chefe

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Nº 240

ANÁLISE POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS E HIDROQUÍMICOS

DE FATORES CONDICIONANTES DO POTENCIAL HÍDRICO

DE BACIAS HIDROGRÁFICAS - ESTUDO DE CASOS NO

QUADRILÁTERO FERRÍFERO (MG)

Fernanda Martineli Costa

Orientador

Luis de Almeida Prado Bacellar

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito

parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciências Naturais, Área de Concentração:Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais

OURO PRETO

Universidade Federal de Ouro Preto – http://www.ufop.br Escola de Minas - http://www.em.ufop.br

Departamento de Geologia - http://www.degeo.ufop.br/

Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais Campus Morro do Cruzeiro s/n - Bauxita

35.400-000 Ouro Preto, Minas Gerais

Tel. (31) 3559-1600, Fax: (31) 3559-1606 e-mail: pgrad@degeo.ufop.br

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ISSN

Depósito Legal na Biblioteca Nacional Edição 1ª

Catalogação: http://www.sisbin.ufop.br

Catalogação:

sisbin@sisbin.ufop.br

Análise por métodos hidrológicos e hidroquímicos de fatores condicionantes do potencial hídrico de bacias hidrográficas

[manuscrito]: Estudo de casos no Quadrilátero Ferrífero (MG) / Fernanda Martineli Costa. – 2005.

xxiii, 147f.: il. , grafs. , tabs.; mapas.

Orientador: Prof. Dr. Luís de Almeida Prado Bacellar.

Área de concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Programa de pós-graduação em evolução Crustal e Recursos Naturais.

1.Geologia - Teses. 2. Bacias hidrográficas. - Quadrilátero Ferrífero (MG) - Teses. 3. I. Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas.

Departamento de Geologia. Programa de pós-graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. II. Título.

Registro aqui, sinceros agradecimentos aos que contribuíram para o presente trabalho, seja diretamente ou por meio de uma palavra verdadeira de incentivo.

Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais pela oportunidade e pela confiança. Ao Departamento de Geologia da Escola de Minas da UFOP, pela infra-estrutura disponibilizada e, em especial, ao Laboratório de Geoquímica Ambiental (LGqA). Agradeço aos funcionários do departamento, em particular aos secretários Edson e Aparecida.

Sinceros agradecimentos ao Prof. Dr. Luis de Almeida Prado Bacellar, pela marcante orientação, pelas discussões e todos ensinamentos e, também, pelo apoio e amizade. Aos professores Dr. Hermínio Nalini Júnior, Dr. Issamu Endu e Dr. Antenor Barbosa, pelas discussões valiosas e, em especial, ao Prof . Dr. Marco Antonio Fonseca, sobretudo pela confiança.

Agradeço ao projeto “Instituto do Milênio: Água uma visão mineral” pelo apoio financeiro à pesquisa e ao CNPq pela bolsa de estudo concedida.

A todos colegas que me acompanharam e me ajudaram nos campos, em especial para os “bolsistas voluntários”, alunos da engenharia geológica da UFOP, Eder Fonseca Silva e Gustavo E. A. Prado (Grilo), também pelas ajudas em escritório. Aos monitores de campo, pelo compromisso e responsabilidade na medição de dados.

Um agradecimento muito carinhoso às amigas Ariana C. S. Almeida, Adriana Trópia A. Guimarães, Janice Cardoso, Cristina Martins, Aline Kelly, Luciana Vetel, Maria Inês Bonaccorsi, Maria Carolina, Pamella Schefer e Letícia Drumond, pela amizade e sabedorias compartilhadas. À Janice, Cristina, Luciana e, em especial, Adriana, agradeço também pelos ensinamentos em hidrogeoquímica. Agradeço aos colegas Zé Augusto e Charles pelas dicas valiosas. Agradecimentos também aos amigos da República Marragolo pelo apoio, desde o período da minha graduação.

Agradeço à minha irmã, Daviane Martineli Costa, pelas ajudas no campo e em escritório e pela imensa colaboração e apoio quando eu tanto precisei. Aos meus pais, por torcerem mais pelos meus sonhos que eu mesma e pelo apoio incondicional aos meus estudos.

Agradeço, imensamente, ao meu marido, Sávio F. Trindade, por tudo! Você é essencial em minha vida! E agradeço também ao meu filho, João Sávio, que mesmo tão pequenino despertou em mim os mais nobres sentimentos e uma energia “espontânea” para terminar este trabalho.

AGRADECIMENTOS... ix

LISTA DE FIGURAS... xv

LISTA DE TABELAS... xix

RESUMO... xxi

ABSTRACT... xxiii

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ... 1

1.1 – OBJETIVOS ... 2

CAPÍTULO 2 – ASPECTOS GERAIS DA REGIÃO ...5

2.1 – ASPECTOS GEOLÓGICOS ... 5

2.1.1 – Estratigrafia do Quadrilátero Ferrífero ... 5

2.1.1.1 – Complexo Metamórfico Bação (CMB)... 6

2.1.1.2 – Supergrupo Rio das Velhas (SgRV)... 6

2.1.1.3 – Supergrupo Minas (Sg Minas) ... 7

2.2 – GEOMORFOLOGIA DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO ... 8

2.3 – ASPECTOS DO CLIMA, VEGETAÇÃO, SOLO E USO/OCUPAÇÃO NO QF ... 9

2.4 – HIDROGEOLOGIA DO QUADRILÁERO FERRÍFERO ... 11

2.4.1 – Rochas ferríferas da Formação Cauê (Grupo Itabira) ... 13

2.4.2 – Quartzitos ferruginosos da Formação Cercadinho (Grupo Piracicaba) ... 13

2.4.3 – Dolomitos da Formação Gandarela (Grupo Itabira) ... 14

2.4.4 – Quartzitos da Formação Moeda (Grupo Caraça) ... 14

2.4.5 – Sistema aqüífero cristalino ... 14

2.4.6 – Sistema aqüífero superficial ... 15

2.5 – IMPACTOS SOBRE OS RECURSOS HÍDRICOS NO QF ... 15

CAPÍTULO 3 – FLUXOS HÍDRICOS E VARIÁVEIS DO REGIME HIDROLÓGICO 17 3.1 – CONCEITO DE MICROBACIA ... 17

3.2 – RELAÇÃO ENTRE ÁGUA SUBTERRÂNEA E SUPERFICIAL ... 18

3.3 – ANÁLISE DE HIDROGRAMAS ... 19

3.4 – COMPONENTES PRINCIPAIS DO FLUXO ... 20

3.4.1 – Fluxo Superficial ... 21

3.4.2 – Fluxo Subsuperficial ... 22

3.4.3 – Fluxo de Base ... 22

3.5 – ANÁLISE DO FLUXO DE BASE ... 23

3.5.1 – Recessão do fluxo de base ... 23

3.5.3 – Determinação do coeficiente de recessão ( ) ... 28

3.5.3.1 – Método “Correlação” ... 29

3.5.3.2 – Método “Matching Strip” ... 30

3.6 – DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS ... 31

3.7– FATORES QUE INTERFEREM NO REGIME HIDROLÓGICO/HIDROGEOLÓGICO 33 3.7.1 – Clima ... 33

3.7.2 – Geologia ... 34

3.7.3 – Geomorfologia ... 36

3.7.4 – Cobertura Vegetal ... 37

3.7.5 – Uso e ocupação do solo ... 38

3.8 – EVOLUÇÃO QUÍMICA DAS ÁGUAS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS ... 38

CAPÍTULO 4 - METODOLOGIA ... 41

4.1 – ETAPA 1: AQUISIÇÃO DOS DADOS BÁSICOS ... 41

4.2 – ETAPA 2: SELEÇÃO DAS BACIAS E MICROBACIAS ... 43

4.3 – ETAPA 3: OBTENÇÃO DE DADOS DAS BACIAS ... 44

4.3.1 – Instrumentação das microbacias... 44

4.3.1.1 – Dados de chuva... 44

4.3.1.2 – Dados de vazão ... 45

4.3.2 – Levantamento dos dados das bacias com séries hidrológicas históricas ... 48

4.4 – ETAPA 4: MONITORAMENTO DOS DADOS NAS MICROBACIAS ... 49

4.4.1 – Dados hidrológicos ... 49

4.4.2 – Dados hidrogeoquímicos ... 50

4.5 – ETAPA 5: TRATAMENTO DOS DADOS ... 52

4.6 – ETAPA 6: INTEGRAÇÃO/ INTERPRETAÇÃO E CONCLUSÕES ... 52

CAPÍTULO 5 – CARACTERIZAÇÃO DAS BACIAS DE DRENAGEM ... 55

5.1 – MICROBACIAS INSTRUMENTADAS ... 55

5.1.1 – Seleção das microbacias para monitoramento ... 55

5.2 – BACIAS COM SÉRIES HISTÓRICAS ... 61

5.3 – GEOLOGIA ... 62

5.3.1 – Microbacias monitoradas ... 62

5.3.1.1 – Unidade Gnáissica ... 62

5.3.1.2 – Unidade Máfica Intrusiva - Anfibolitos ... 63

5.3.1.3 – Grupo Nova Lima (SgRV) – quartzo-mica xistos ... 63

5.3.1.4 – Unidade Ultramáfica/metaultramáfica ... 63

5.3.1.5 – Unidade Granitóide ... 63

5.3.1.6 – Sg Minas – Grupo Piracicaba (indiviso)... 64

CAPÍTULO 6 – APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS ...71

6.1 – REGIME PLUVIOMÉTRICO E FLUVIOMÉTRICO DAS MICROBACIAS ... 71

6.1.1 – Dados pluviométricos ... 71

6.1.2 – Dados fluviométricos ... 73

6.2 – REGIME FLUVIOMÉTRICO DAS BACIAS COM DADOS HISTÓRICOS ... 77

6.3 – SEPARAÇÃO DE HIDROGRAMAS E QUANTIFICAÇÃO DO FLUXO DE BASE .. 78

6.3.1 – Microbacias ... 78

6.3.2 – Bacias com dados hidrológicos históricos ... 82

6.4 – COEFICIENTE DE RECESSÃO ( ) ... 86

6.4.1 – Microbacias ... 86

6.4.1.1 – Matching Strip ... 86

6.4.1.2 – Correlação ... 87

6.4.2 – Bacias com dados fluviométricos históricos ... 90

6.4.2.1 – Matching Strip eCorrelação... 90

6.4.2.2 – Método de Barnes ... 91

6.5 - ANÁLISES HIDROQUÍMICAS ... 92

6.5.1 – Controle de qualidade dos resultados das análises hidroquímicas ... 92

6.5.2 – Conteúdo iônico das águas das microbacias ... 93

6.5.3 – Diagrama de Piper ... 96

CAPÍTULO 7 – DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...99

7.1 – PADRÃO DE FLUXO DAS MICROBACIAS ... 99

7.1.1 – Padrão hidroquímico das microbacias ... 102

7.1.1.1 - Análise das assinaturas hidroquímicas e as litologias ... 102

7.1.1.2 – Análise das assinaturas hidroquímicas e a vazão ... 105

7.2 – PADRÃO DE FLUXO DAS BACIAS COM DADOS HISTÓRICOS ... 108

7.3 – DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS... 109

7.4 – CONDICIONANTES DO REGIME HIDROLÓGICO... 111

7.4.1 – Condicionantes Geológicos ... 112

7.4.2 – Condicionantes Geomorfológicos ... 115

7.4.3 – Condicionantes Antrópicos ... 116

7.4.3.1 - Influência da voçoroca na dinâmica hidrológica/hidrogeológica de microbacias... 117

CAPÍTULO 8 – CONCLUSÕES ... 121

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 125

ANEXO I – Definição de altura pluviométrica e Métodos de determinação de vazão em

pequenas drenagens... 131

ANEXO II – Vertedores portáteis utilizados nas microbacias... 137

ANEXO III – Planilhas de monitoramento... 139

ANEXO IV – Balanço iônico nas microbacias... 141

ANEXO V – Variação iônica e parâmetros físico-químicos das microbacias... 143

Figura 2.1 - Coluna estratigráfica do QF... 07

Figura 2.2 - Mapa das unidades hidroestratigráficas do Alto rio das Velhas... 12

Figura 3.1 - Hidrograma tipo com os três segmentos básicos... 20

Figura 3.2 - Rotas de fluxo em encostas ... 23

Figura 3.3 - Modelo conceitual proposto por Boussinesq em 1877... 24

Figura 3.4 - Determinação do coeficiente de recessão pelo método de Barnes ... 25

Figura 3.5 - Técnicas de separação de hidrogramas... 26

Figura 3.6 - Método gráfico de Barnes de separação das componentes do fluxo ... 27

Figura 3.7 - Típica curva de recessão mestra (CRM) obtida pelo método Correlação ... 30

Figura 3.8 - Típica curva de recessão mestra (CRM) obtida pelo método Matching Strip... 31

Figura 4.1 - Fluxograma metodológico do desenvolvimento da pesquisa ... 42

Figura 4.2 - Pluviômetros instalados nas microbacias B3 e B4 ... 45

Figura 4.3- Vertedores portáteis instalados nas microbacias ... 47

Figura 4.4 - A = Método volumétrico; B = Régua para leitura da carga hidráulica... 48

Figura 4.5 - A = Multiparâmetro utilizado em campo ... 50

Figura 4.6- Determinação de A = alcalinidade; B = cloreto; C = sulfato ... 51

Figura 5.1 - A = Vertedor na microbacia B7; B = canal assoreado da microbacia B7 ... 57

Figura 5.2 - Microbacia B8: sem processo erosivo; Microbacia B8.1: com voçoroca ... 59

Figura 5.3 - Localização das microbacias monitoradas ... 60

Figura 5.4 - Localização das duas bacias monitoradas pela parceria CEMIG/IGAM ... 61

Figura 5.5 - Mapa geológico correspondente a cada microbacia ... 65

Figura 5.6 - Mapa de Domínios Geomorfológicos da BRM com localização das microbacias . 67 Figura 5.7 - Representação gráfica das formas de uso e ocupação do solo em cada microbacia.70 Figura 6.1 - Hietograma com a precipitação mensal de cada microbacia... 71

Figura 6.2 - Hietograma com a precipitação média diária das microbacias... 72

Figura 6.4 - Correlação entre os dados de vazão pelo vertedor e método volumétrico (B5)...73

Figura 6.5 - Variação da vazão ao longo do dia na microbacia B4 ... 74

Figura 6.6 - Hidrogramas das microbacias com vazão específica diária... 76

Figura 6.7 - Hidrogramas com médias mensais das bacias com dados hidrológicos históricos.. 77

Figura 6.8 - Hidrogramas com médias mensais do rio Maracujá e Alto rio das Velhas ... 77

Figura 6.9 - Hidrogramas com vazões diárias do rio Maracujá e Alto rio das Velhas... 78

Figura 6.10 - Hidrogramas com separação do fluxo de base pela técnica smoothed minima... 80

Figura 6.11 - Hidrogramas das bacias (41150000, 41180000, 56631000) com a separação do fluxo de base pelo método de Barnes ... 83

Figura 6.12 - Hidrogramas das bacias (56632000, 41152000, 41163000) com a separação do fluxo de base pelo método de Barnes ... 84

Figura 6.13 - Hidrogramas com separação do fluxo de base pela técnica smoothed minima das bacias Alto rio das Velhas e Maracujá ... 85

Figura 6.14 - Método Matching Strip aplicado à microbacia B8 ... 87

Figura 6.15 - Método Correlação aplicado à microbacia B8 ... 88

Figura 6.16 - Técnica Matching Strip aplicada às Bacias Alto Rio das Velhas e Rio Maracujá. 90 Figura 6.17 - Técnica Correlação aplicada às Bacias Alto Rio das Velhas e Rio Maracujá ... 90

Figura 6.18 - Teor de alcalinidade ao longo do ano nas microbacias ... 94

Figura 6.19 - Teor de cloreto ao longo do ano nas microbacias... 94

Figura 6.20 - Variação dos cátions fundamentais ao longo do ano nas microbacias ... 95

Figura 6.21 - Variação na concentração iônica média entre as microbacias ... 95

Figura 6.22 - Diagrama de Piper com a classificação das águas das microbacias ... 97

Figura 7.1 – Gráfico evidenciando a correlação inversa entre coeficiente de recessão e BFI... 100

Figura 7.2 – Gráfico do coeficiente de recessão em relação ao FBE ... 100

Figura 7.3 – Fluxo de base específico das microbacias com destaque para as respostas de recarga dos aqüíferos ... 101

Figura 7.4 – Relação inversa entre a concentração dos íons principais e a razão rK/rNa ... 103

Figura 7.5 – Variação da concentração química ao longo do ano com a vazão ... 106

Figura 7.6– Não-correlação encontrada entre o BFI e a concentração iônica média ... 108

Figura 7.9– Gráfico do índice de compacidade x coeficiente de recessão... 116

Figura 7.10 – Correlação entre coeficiente de recessão e porcentagem de mata e pastagem ... 117

Figura 7.11 – Variação no coeficiente de recessão e BFI em conseqüência da voçoroca ... 117

Figura 7.12 – Microbacias B8 e B8.1 com nítida diferença na morfologia dos canais... 118

Figura 7.13 – Perfil esquemático A = microbacia B8, com lençol freático no regolito; e

B = microbacia B8.1, com o lençol rebaixado para a rocha alterada ... 119

Tabela 3.1 - Comparação entre bacias de drenagem em diferentes escalas ... 18

Tabela 4.1 - Tipos de vertedores empregados nas microbacias ... 48

Tabela 4.2 - Erro admissível no balanço iônico segundo Custodio & Llamas (1976) ... 51

Tabela 5.1 - Síntese das características das microbacias monitoradas ... 58

Tabela 5.2 - Localização das microbacias e dos respectivos vertedores ... 60

Tabela 5.3 - Localização, período de monitoramento e área das bacias com dados históricos... 62

Tabela 5.4 - Litologias das microbacias... 64

Tabela 5.5 - Litologias das bacias com dados hidrológicos históricos... 66

Tabela 5.6 - Índices morfométricos das microbacias ... 68

Tabela 5.7 - Uso e ocupação do solo das microbacias ... 69

Tabela 6.1 - Equação de correlação entre as vazões pelo vertedor e método volumétrico ... 73

Tabela 6.2 - Cálculos referentes à técnica smoothed minima para a microbacia B4... 79

Tabela 6.3 - BFI das microbacias calculado por meio da técnica smoothed minima... 81

Tabela 6.4 - Fluxo de base específico (FBE) anual das microbacias. ... 82

Tabela 6.5 - BFI’s e FBE’s anuais das bacias com dados hidrológicos históricos... 86

Tabela 6.6 - Exemplos de calculados a partir de curvas com sutil diferença na inclinação... 89

Tabela 6.7 - Coeficiente de recessão das microbacias pelo Matching Strip e Correlação ... 89

Tabela 6.8 - Coeficientes de recessão das bacias com dados hidrológicos históricos ... 91

Tabela 7.1 - Razões iônicas médias definidas para as microbacias ... 104

Os meios hídricos superficiais e subterrâneos estão em dinâmica interação e, conseqüentemente, eventuais interferências em um meio são refletidas, a curto ou longo prazo, em todo o sistema, o que justifica a necessidade de gerenciamento integrado. Esta interconexão possibilita ainda a análise das condições dos aqüíferos a partir de informações hidrológicas por meio dos métodos indiretos de caracterização hidrogeológica, fundamento da presente pesquisa. Trata-se de investigações baseadas, em especial, na análise das taxas de recessão do fluxo de base, ou seja, na capacidade do aqüífero produzir água e contribuir para a vazão das drenagens superficiais. Com este método, a partir do conhecimento do regime hidrológico das bacias, é possível analisar as variáveis que participam da definição do potencial hídrico de uma região. Ressalta-se que tais variáveis, além numerosas, atuam de forma integrada, tendo geralmente seus efeitos superimpostos. Neste trabalho, as variáveis consideradas foram: geologia, geomorfologia e uso e ocupação do solo, em especial a presença de voçorocas.

Foram analisadas nove microbacias de drenagem com características preferencialmente homogêneas em toda a sua extensão e que se diferenciavam entre si por alguma particularidade pré-definida. Buscou-se assim avaliar o efeito deste atributo diferencial no potencial hídrico da bacia, que foi determinado pelos métodos hidrológicos e hidroquímicos (métodos indiretos). A maioria das microbacias localiza-se no Complexo Metamórfico Bação, sendo duas estruturadas em rochas do Supergrupo Minas, ambas unidades localizadas no Quadrilátero Ferrífero – MG.

No monitoramento destas microbacias, com duração de um ano hidrológico, foram utilizados pluviômetros alternativos com resultados satisfatórios. Na determinação da vazão utilizou-se vertedores portáteis de placa de metal semelhantes aos sugeridos pelo USGS, de baixo custo, altamente confiáveis e de grande praticidade.

O índice hídrico “coeficiente de recessão” foi determinado por meio de técnicas pouco divulgadas em âmbito nacional e de grande utilidade por necessitar de séries fluviométricas relativamente curtas. Trata-se dos métodos da “Correlação” e “Matching Strip”, sendo que, para os dados disponíveis, o segundo apresentou melhores resultados. Para a separação dos hidrogramas, determinação do fluxo de base (utilizando-se, em especial, o índice BFI: percentual do fluxo de base em relação ao fluxo total) e de outros índices foi aplicada a técnica “Smoothed Minima”, que gerou resultados igualmente coerentes. Foi aplicado também o tradicional método de Barnes, em especial nas bacias com dados fluviométricos históricos. A partir dos preceitos de Maillet e Rorabaugh, foi estimada, ainda, a difusividade (transmissividade/coeficiente de armazenamento) das microbacias e indicados alguns valores possíveis da transmissividade.

As surface water and groundwater are continuously interacting, any external influence is able to affect them in the long or short term. Because of this interconnection, aquifer information can be obtained by the analysis of drainage flow pattern (hydrological approach). This approach is based on the analysis of baseflow recession, i.e., the study of the aquifer ability to yield water and to maintain the stream flow. This approach can be used to analyze the variables that affect the hydrological potential of a basin. It should be stressed that there are many variables which can act together in the flow pattern, sometimes with superimposed effects. In this work the following variables were analyzed: geology, geomorphology, and land degradation, especially by gullies.

Nine small catchments were selected, with similar characteristics, but with some pre-defined differences. This research aims to analyze the role of the above mentioned variables in the catchment hydrological potential through indirect (hydrological and hydrogeochemical) methods. The catchments are located in the Quadrilátero Ferrífero region, two of them in rocks of Minas supergroup and the other ones in the Bação Metamorphic Complex.

Some alternative monitoring equipments (pluviometers and portable steel weirs, USGS type) were used and they showed very goods results at low operating costs.

Some larger hydrographic basins of the region were simultaneously analyzed, in order to compare the results.

INTRODUÇÃO

A água, como recurso natural, tem sido cada vez mais foco de atenção de pesquisadores, governantes e da própria população, uma vez que seu consumo segue uma tendência crescente enquanto ocorrem quedas na sua disponibilidade, em geral, associadas às variações climáticas e/ou práticas não adequadas de uso e ocupação do solo. Medidas imprescindíveis diante deste cenário consistem no uso racional da água e na adoção de medidas conservacionistas, atitudes que podem ser potencializadas com a evolução dos conhecimentos.

Na busca do melhor entendimento sobre os recursos hídricos é fundamental a compreensão dos meios subterrâneos e superficiais como um sistema integrado, dinâmico e complexo (Castany 1971, Winter et al. 1998). Tal conexão deve ser considerada nos estudos e planejamentos de recuperação e preservação dos recursos hídricos, uma vez que interferências em um meio afetam todo o sistema. Adicionalmente, esta interconexão pode fornecer subsídios para caracterização do meio hídrico subterrâneo a partir de informações do meio superficial. Como exemplo, têm-se os métodos indiretos de caracterização hidrogeológica (Castany 1971, Trainer & Watkins Jr. 1974, Custodio & Llamas 1976, Feitosa & Manoel Filho 1997, USAE 1999), que constituem o fundamento desta pesquisa. Essa possibilidade é de grande interesse em especial para regiões onde os dados hidrogeológicos obtidos de forma direta, geralmente mais onerosa, são escassos. Em contrapartida, em grande parte do território nacional estão disponíveis extensas séries hidrológicas históricas que podem fornecer importantes informações sobre as condições dos aqüíferos locais.

A presente pesquisa é desenvolvida na bacia do Alto rio das Velhas, importante tributário do rio São Francisco. Esta bacia é responsável por cerca de 50% do abastecimento de água da rede metropolitana de Belo Horizonte, além de demandas com minerações e abastecimento de cidades menores (Golder Associates 2001). O conhecimento das condições hídricas desta bacia constitui, assim, elemento essencial em programas locais de gerenciamento dos recursos hídricos.

Foram selecionadas para monitoramento, microbacias representativas do Complexo Metamórfico Bação (região central do Quadrilátero Ferrífero – MG), uma unidade do embasamento cristalino com limitados recursos hídricos e ainda pouco estudados. Em termos gerais, esta pesquisa pode também contribuir para a evolução do entendimento dos sistemas aqüíferos cristalinos, que embora abranjamcerca de 62% das reservas de águas subterrâneas no Brasil, são aindarelativamente pouco conhecidos (Rebouças 1980).

A escala de microbacias assegura uma maior homogeneidade do meio físico e das condições bioclimáticas. As microbacias estudadas possuem formas e dimensões semelhantes com áreas de até cerca de 1km2_{. Na Europa e América do Norte, diferentemente da América Latina, pequenas bacias}

(1-10 km2_{) como estas são amplamente usadas em estudos hidrológicos e ambientais (Moldan &}

Cerný 1994).

Bacias maiores com dados fluviométricos históricos envolvendo diferentes unidades geológicas do Quadrilátero Ferrífero também foram analisadas visando complementar a investigação.

1.1 – OBJETIVOS

Os objetivos gerais desta pesquisa consistem na caracterização das condições dos fluxos hídricos subterrâneos por métodos hidrológicos e hidroquímicos e, a partir destas informações, verificar e por vezes confirmar as variáveis potencialmente influenciadoras na produção de água em bacias hidrográficas. As variáveis consideradas referem-se à geologia (em especial à litologia), à geomorfologia e ao estado de preservação da bacia. Em particular, pretende-se avaliar os potenciais impactos de voçorocas no regime hídrico, assunto ainda pouco enfocado na literatura.

Os objetivos específicos são:

» Verificar a aplicabilidade dos vertedores portáteis semelhantes aos sugeridos pelo USGS (Rantz 1982);

» Aplicar métodos alternativos de determinação do coeficiente de recessão (matching

» Estimar o índice de fluxo de base (BFI) e fluxo de base específico (FBE) por meio da técnica smoothed minima;

» Determinar os índices coeficiente de recessão, BFI e FBE por meio do método gráfico de Barnes (Custodio & Llamas 1976);

» Medir o impacto das atividades antrópicas, especialmente voçorocas, na dinâmica hidrológica e, considerando que estas são freqüentes na região, verificar possíveis efeitos cumulativos no Alto rio das Velhas,

ASPECTOS GERAIS DA REGIÃO

Neste capítulo apresenta-se uma caracterização geral da região em termos de seus aspectos físicos relevantes para o entendimento do comportamento hidrológico/hidrogeológico.

A região estudada localiza-se na porção centro-sul do estado de Minas Gerais e pertence à bacia do rio das Velhas, importante afluente da margem direita do Alto rio São Francisco. As microbacias analisadas situam-se, especificamente, na bacia do rio Maracujá, afluente esquerdo do Alto rio das Velhas.

Geologicamente a área está inserida no Quadrilátero Ferrífero (QF), unidade localizada no extremo sul do Cráton São Francisco. A pesquisa tem enfoque em áreas do embasamento cristalino, concentrando-se no Complexo Metamórfico Bação, porção central do QF. Foram definidas também algumas bacias de diferentes dimensões em outras unidades com o objetivo de balizar os resultados.

2.1 - ASPECTOS GEOLÓGICOS

O Quadrilátero Ferrífero é uma unidade mundialmente conhecida por seus depósitos minerais e amplamente estudada, com vários trabalhos desenvolvidos na tentativa de esclarecer a sua constituição e evolução geológica (e.g. Dorr 1969, Carneiro et al. 1995, Endo 1997, Alkmin & Marshak 1998).

2.1.1 - Estratigrafia do Quadrilátero Ferrífero

A primeira coluna estratigráfica do QF foi proposta por Harder & Chamberlain em 1915, a qual foi sendo reformulada e atualizada com a evolução dos conhecimentos. Uma versão clássica foi elaborada por Dorr (1969), na ocasião do mapeamento na escala 1/25.000 realizado pelo convênio DNPM/USGS, e uma contribuição mais recente foi proposta por Alkmin & Marshak (1998). O QF é constituído por 3 unidades litoestratigráficas fundamentais (Figura 2.1):

- Complexos Metamórficos, que constituem o embasamento cristalino de idade Arqueana;

- Seqüências vulcano-sedimentares Arqueanas - greenstone belt (Supergrupo Rio das Velhas);

Têm-se ainda, de ocorrência mais restrita, bacias sedimentares terciárias (bacias do Gandarela, Fonseca e Gongo-Soco) e sedimentos quaternários.

A seguir, apresenta-se uma descrição sumária destas seqüências, sendo que entre os complexos metamórficos será abordado apenas o Bação, por constituir o foco desta pesquisa.

2.1.1.1 - Complexo Metamórfico Bação (CMB)

O Complexo Metamórfico Bação apresenta forma aproximadamente circular e área de cerca de 385km2_{. Segundo Johnson (1962), esta unidade seria relativamente homogênea, representada por}

rochas granito-gnáissicas indiferenciadas, apresentando lentes de rochas do Supergrupo Rio das Velhas e alguns diques de anfibolitos, migmatitos e granitóides. Estudos posteriores, em escalas de maior detalhe, possibilitaram sucessivas descobertas sobre sua constituição geológica. Em particular, destaca-se o mapeamento geológico na escala 1/10.000 realizado no âmbito dos Trabalhos de Graduação (TG’s) de alunos do Departamento de Geologia da UFOP (e.g. Ferreira 1999, Franco 1999, Martins 1999, Martins 2001). A partir deste mapeamento, ficou evidente uma maior heterogeneidade desta unidade, em termos estruturais e especialmente litológicos (descrições no capítulo 5).

Em geral os afloramentos são escassos, muitas vezes intemperizados, havendo espesso manto de intemperismo que atinge até 50m de espessura. Nestes terrenos observam-se concentrações de voçorocas e ravinas de grandes dimensões (Sobreira 1998, Sobreira & Bacellar 1999, Bacellar 2000, Costa & Sobreira 2000, Costa & Sobreira 2001).

2.1.1.2 - Supergrupo Rio das Velhas (SgRV)

O Supergrupo rio das Velhas é dividido, da base para o topo, em dois grupos:

- Grupo Nova Lima - Possui grande extensão sendo composto pelas unidades: Metavulcânica (rochas entre as quais: ultramáficas, metatufos, serpentinitos, esteatitos, filitos grafitosos e metascherts - correspondentes ao Grupo Quebra Ossos, definido por Schorscher (1978)); Unidade metassedimentar química (xistos carbonáticos, metacherts, formação ferrífera do tipo Algoma e filitos grafitosos); Unidade Metassedimentar Clástica (quartzo-xistos, filitos e quartzitos e metaconglomerados).

Figura 2.1 - Coluna estratigráfica do QF (Modificada de Alkmin & Marshak 1998)

2.1.1.3 - Supergrupo Minas (Sg Minas)

- Grupo Caraça - constituído por metaconglomerados e quartzitos (Formação Moeda), que passam a metassedimentos mais pelíticos (filitos sericíticos e grafitosos) da Formação Batatal.

- Grupo Itabira - constitui a seqüência de metassedimentos químicos do Sg Minas. A Formação Cauê, constituída essencialmente por itabiritos, representa os depósitos de minério de ferro do QF. Acima tem-se a Formação Gandarela, representada principalmente por mármores dolomíticos com intercalações de itabirito, filitos e filitos dolomíticos.

- Grupo Piracicaba - na base deste grupo tem-se a Formação Cercadinho, constituída por quartzitos e filitos ferruginosos e dolomito subordinado. Acima encontra-se a Formação Fecho do Funil com filitos, filitos dolomíticos e dolomitos. A Formação Taboões engloba quartzitos finos e maciços, e no topo ocorrem filitos e filitos grafitosos da Formação Barreiro.

- Grupo Sabará - composto por clorita-xistos, metatufos, grauvacas, quartzitos e metaconglomerados.

- Grupo Itacolomi – engloba quartzitos, quartzitos conglomeráticos e lentes de conglomerado com seixos de itabirito, filito, quartzito e quartzo de veio.

2.2 - GERMORFOLOGIA DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO

O Quadrilátero Ferrífero é caracterizado por feições geomorfológicas singulares, conseqüências de controles estruturais e paleoclimáticos e resistência intempérica diferencial dos litotipos. Nas bordas têm-se porções com altimetria elevada e na parte central o relevo encontra-se rebaixado (dissecado).

A bacia do rio Maracujá tem sua cabeceira em rochas supracrustais e o restante em rochas do CMB e, portanto, apresenta no mínimo dois compartimentos geomorfológicos distintos. Em estudo de maior detalhe, Bacellar (2000) distinguiu quatro domínios geomorfológicos. No domínio 1 têm-se terrenos com relevo suave, com pequeno desnivelamento topográfico. Onde o relevo apresenta maiores desnivelamentos, distingue-se o domínio 3, englobando rochas do embasamento e do Supergrupo Rio das Velhas. O domínio 2 corresponde ao relevo com características intermediárias entre os domínios 1 e 3. Onde afloram as rochas do Supergrupo Minas (Alto rio Maracujá), com relevo típico das supracrustais, definiu-se o domínio geomorfológico 4.

2.3 - ASPECTOS DO CLIMA, VEGETAÇÃO, SOLO E USO/OCUPAÇÃO NO QF

O clima no QF é classificado nos tipos CWa e CWb de Köppen. O primeiro predomina na área do CMB, sendo caracterizado por temperatura média de 27,9º, com chuvas concentradas nos meses de outubro a março. O CWb, comum nas áreas mais altas onde se têm as supracrustais, é marcado por um maior índice pluviométrico, correspondendo ao clima tropical de altitude (RADAM BRASIL 1983).

Os registros da pluviosidade média anual para a região do Complexo Metamórfico Bação, em particular para a Bacia do rio Maracujá, é de 1550mm considerando dados do início do século XX (Freiberg 1934 in Johnson 1962). Na estação da Fazenda Maracujá (localizada no Baixo rio Maracujá - referente à bacia 41163000 analisada neste trabalho), os dados obtidos pela CEMIG/IGAM para os anos de 2001 e 2002 indicam uma pluviosidade de 1256mm. Em estação próxima (Barragem de Rio de Pedras) a média é de 1348 mm para a década de 90. Para as regiões mais elevadas onde afloram supracrustais, a média pluviométrica é de 2100mm (Freiberg 1934 in Johnson 1962). A evaporação anual média obtida na área da mina de Capão Xavier (mineração de ferro da MBR), região norte do QF onde afloram rochas do Supergrupo Minas, é de 963mm anuais (Amorim et al. 1999).

O solo mostra-se em grande variedade no QF conforme a diversidade litológica existente. Em geral, pode-se considerá-lo mais desenvolvido sobre rochas granito-gnáissicas e delgado em rochas supracrustais, em especial sobre aquelas que apresentam maior resistência ao intemperismo, como itabiritos e quartzitos (Franco 1999, Bacellar 2000, Martins 2001). Porém, sobre mesma unidade litológica, o manto de intemperismo pode apresentar espessuras muito variáveis conforme diferenças composicionais e estruturais, como constatado por Bacellar (2000) em saprolitos do gnaisse Funil no CMB. Especificamente neste complexo predominam os latossolos e, secundariamente, solos podzólicos e cambissolos, em geral espessos e com ocorrência freqüente de camada de colúvio. Em setores com rochas mais resistentes pertencentes aos supergrupos Minas e Rio das Velhas, incluindo porções com granitóides no próprio CMB, têm-se solos litólicos. O solo da região do CMB é também condicionado por aspectos geomorfológicos, sendo em geral mais espesso (freqüentemente maior que 50m) em setores com relevo mais suave e à montante dos níveis de base locais (Bacellar 2000).

Conquanto existam as variações entre cambissolos, latossolos e solos podzólicos, em ambientes bem drenados estes podem ser considerados relativamente homogêneos em relação às propriedades hidráulicas (Santos 1997 in Bacellar 2000). Em geral, solos derivados de gnaisses apresentam baixa permeabilidade, em torno de 10-4cm/s (Lambe 1996 in Bacellar 2000). Especificamente para o saprolito dos gnaisses do CMB, os valores da condutividade hidráulica variam entre 2,3 x 10-5 _{e 3,7 x 10}-6_{cm/s, segundo dados de Bacellar (2000). Nos colúvios, os valores foram}

em média da ordem de 10-4_{cm/s e, portanto, apresentam-se mais permeáveis que os saprolitos.}

Atualmente, na região do QF, destaca-se a intensa atividade minerária e uma crescente expansão urbana, decorrente especialmente da proximidade da região metropolitana de Belo Horizonte. Dentre as atividades minerárias, a produção do minério de ferro é a mais notável, dada a sua importância econômica, infra-estrutura associada e amplitude do volume explotado, representando atualmente cerca de 96% de toda produção mineral da área (Coppedê Jr. & Boechat 2002).

2.4 - HIDROGEOLOGIA DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO

Em termos de disponibilidades hídricas superficiais e subterrâneas, Golder Associates (2001), em diagnóstico realizado no Alto rio das Velhas, classificaram as unidades estratigráficas do Quadrilátero Ferrífero como: alto, médio, baixo e muito baixo potencial (Figura 2.2). Segundo estes autores, as zonas aqüíferas dos Grupos Piracicaba (quartzitos Cercadinho) e Itabira (Fm Gandarela e, em especial, Fm. Cauê) apresentam o maior potencial de armazenamento e disponibilização de água subterrânea. As rochas do Complexo Metamórfico Bação e do Grupo Nova Lima foram consideradas, respectivamente, de baixo e baixo a muito baixo potencial hídrico. Silva et al. (1994) também consideram que os principais aqüíferos do QF correspondem aos Grupos Piracicaba, Itabira, incluindo também o G. Caraça com a Fm Moeda. A partir das considerações dos autores acima citados, pode-se, simplificadamente, estabelecer a seguinte tendência de classificação em termos de potencial hidrogeológico das rochas do QF:

» Xistos e filitos (em especial quando pouco fraturados) --- muito baixo

» Granito-gnaisses (Complexos Metamórficos) --- baixo

» Quartzitos --- baixo a médio

» Formações Ferríferas (Fm Cauê) e Metadolomitos (Fm Gandarela) ---- médio a alto

Unidades Hidroestratigráficas (Potencial hídrico)

Unidade I (médio)

Zona Aquífera do G. Itacolomi

Unidade II (médio e alto)

Zonas Aquíferas dos G Piracicaba e Itabira

Unidade III (muito baixo e médio)

Zonas Aquíferas do G Caraça (Fm Moeda) e aquitardo (Fm Batatal)

Unidade IV (muito baixo e baixo)

Zonas Aquitarda do G Nova Lima com zonas aquíferas intercaladas

Unidade V (médio)

Zonas Aquífera do G. Maquiné

Unidade VI (baixo)

Zonas Aquífera do Complexo Bação

0 10 20 km

Figura 2.2 - Mapa das unidades hidroestratigráficas do Alto rio das Velhas (Modificado de Golder Associates

Cabe ressaltar que, além das unidades aqüíferas a seguir detalhadas, outros estudos sugerem diferentes compartimentações das unidades hidroestratigráficas do QF. Mas, em geral, estas distinções correspondem a singularidades do local estudado ou simplesmente diferença nas nomenclaturas (e.g. Silva et al. 1994, Sobreira Neto et al. 2001, Amorim et al. 1999).

2.4.1 - Rochas ferríferas da Formação Cauê (Grupo Itabira)

As hematitas e itabiritos da Formação Cauê representam o principal reservatório de água subterrânea do QF, apresentando, em geral, valores elevados de capacidade de armazenamento e condutividade hidráulica. Dado ainda sua ampla área de ocorrência e sua espessura saturada média (da ordem de 400m), esta unidade possui elevado potencial para água subterrânea (Silva et al. 1994, Coppedê Jr. & Boechat 2002, Sobreira Neto et al. 2001, Bertachini et al. 2004, Golder Associates 2001). Por coincidir, muitas vezes, com os depósitos econômicos de minério de ferro, detalhadamente caracterizado pelas mineradoras, atualmente é a unidade aqüífera mais bem conhecida do QF. Os valores de transmissividade e coeficiente de armazenamento são muito variáveis entre as minas, refletindo a própria anisotropia e heterogeneidade do minério, que se apresenta desde compacto (com porosidade de fraturas) a pulverulentos (meio granular), com predomínio do tipo intermediário. Estas variações são conseqüências da própria gênese do minério. Onde a lixiviação foi mais intensa, tem-se a porosidade intersticial melhor desenvolvida e, conseqüentemente, maiores valores de armazenamento (armazenamento específico em torno de 0,002 a 0,15). Onde predominam as hematitas e itabiritos compactos e fraturados tem-se baixa capacidade de armazenamento, mas elevada permeabilidade, chegando a valores de 10 m/dia (Bertachini 1994, Cruz 1995, Golder Associates 2001, Bertachini et al. 2004). Os itabiritos podem ainda comportar-se como barreiras impermeáveis quando são de fácies argilosa, compactos e não fraturados (Amorim et al. 1999). Silva et al. (1994) citam valores de transmissividade de 50m2/dia na Mina do Cauê (CVRD) a 1500m2/dia na mina da Mutuca (MBR), sendo que o alto valor neste último caso, segundo os autores, indica aqüífero do tipo fraturado. Para o coeficiente de armazenamento foram encontrados valores variando entre 0,15 a 1,7x10-6_{, refletindo, respectivamente, presença de aqüíferos livres e confinados nas diversas minas}

analisadas. (Bertachini 1994, Silva et al. 1994, Cruz 1995, Amorim et al. 1999, Golder Associates 2001).

2.4.2 - Quartzitos ferruginosos da Formação Cercadinho

(Grupo Piracicaba)

2.4.3 - Dolomitos da Formação Gandarela (Grupo Itabira)

Constitui um aqüífero do tipo cárstico fissural, apresentando-se heterogêneo e anisotrópico. Provavelmente possui baixo potencial de águas subterrâneas, dado o baixo grau de carstificação e a colmatação de condutos e fraturas por argilas. A vazão específica é baixa, girando em torno de 0,02m3_{/h/m, segundo medidas em poço em Belo Horizonte (Silva et al. 1994, Bertachini 1994, Rubio}

et al. 1997).

2.4.4 - Quartzitos da Formação Moeda (Grupo Caraça)

Apresentam baixa permeabilidade assim como pequena capacidade de armazenamento. Sua permeabilidade primária é praticamente nula, mas comumente apresenta circulação de água devido às fraturas, sendo caracterizado como aqüífero do tipo fraturado. Tem pequeno potencial, mas os poços tubulares nele perfurados são produtores, provável reflexo da concentração de fraturas (Silva et al. 1994, Rubio et al. 1997). Os valores de transmissividade encontrados variam de 86 a 864m2_{/dia e o}

coeficiente de armazenamento de 0,10 a 0,002 (Silva et al. 1994).

2.4.5 - Sistema aqüífero cristalino

Corresponde aos complexos metamórficos, que apesar das diferenças estruturais, constituem sistemas aqüíferos similares. Os poços possuem, em geral, produtividade baixa a muito baixa, sendo que a alta produtividade está normalmente relacionada ao sistema de fraturas ou à boa interconexão com fontes de recarga superficial.

O Complexo Metamórfico Bação, foco desta pesquisa, é constituído pelo aqüífero fissural na rocha sã e alterada e pelo aqüífero poroso da porção saturada do regolito. Em analogia com regiões de geologia semelhante, tem-se que a porção subjacente, condicionada pelas fraturas, apresenta normalmente maiores valores de condutividade e coeficientes de armazenamento menores que a porção sotoposta, que constitui o aqüífero granular local (Deere & Patton 1971, IBRAM 2003) (vide item 3.7.2). O aqüífero fissural pode ser considerado como heterogêneo, anisotrópico, com espessura variável, mas geralmente com baixa produtividade. A profundidade das captações dos poços tubulares varia entre 80 e 100m, sendo a vazão específica da ordem de 0,300 m3_{/h/m (Golder Associates 2001).}

Para a região de Cachoeira do Campo, Cruz (1995) encontrou grande variação na vazão específica, de 0,0252 a 0,648 m3_{/h/m , variação freqüente em aqüíferos fraturados. Os poços tubulares profundos nos}

aqüíferos fraturados nesta unidade (CMB) apresentam vazões inferiores a 4 m3_{/h, o que, segundo}

Golder Associates (2001), o caracteriza como baixo potencial hídrico. Silva et al. (1994) citam valores de transmissividade de 25m2_{/dia. Para esta mesma região, Fernandes (1990) encontrou dois padrões de}

2.4.6 - Sistema aqüífero superficial

Formado pelo regolito, constituem os aqüíferos superficiais do QF, de caráter granular livre e permeabilidade e armazenamento variáveis (ver item 3.7.2). Este sistema tem grande importância ao promover a conexão entre a superfície e os aqüíferos profundos subjacentes, facilitando sua recarga (Bacellar 2000, Sobreiro Neto et al. 2001, Golder Associates 2001, IBRAM 2003). São fortemente influenciados pelas condições climáticas e, conseqüentemente, possuem pronunciada variação sazonal de vazões, diferentemente dos aqüíferos supracitados (Rubio et al. 1997, Amorim et al. 1999).

Nas unidades supracrustais (SgRV e SgM), em geral formada por rochas menos intemperizáveis, este sistema aqüífero é normalmente menos desenvolvido.

Nos terrenos granito-gnáissicos do QF, o clima úmido no passado geológico recente possibilitou a formação de espesso regolito, que constitui o aqüífero granular superficial local. Este, muitas vezes, funciona como aquitarde dos aqüíferos fraturados subjacentes (Sobreiro Neto et al. 2001, IBRAM 2003), uma vez que tem alta capacidade de armazenamento mas menor capacidade de transmitir a água que a rocha alterada (Deere & Patton 1971, IBRAM 2003) (vide item 3.7.2).

Pesquisas desenvolvidas em terrenos similares (cristalinos) na África constataram que a espessura do regolito é o principal fator na produção de poços tubulares profundos (Chilton & Foster 1995), evidenciando quão importante pode ser este sistema na produção de água de uma bacia. Similarmente, em região de embasamento na zona da mata mineira, Gonçalves (2001) justificou altos valores no armazenamento, não condizentes com sistema fissurado, pela presença de regolito espesso.

2.5 - IMPACTOS SOBRE OS RECURSOS HÍDRICOS NO QF

recursos hídricos. Por tais razões, a preocupação em relação à quantidade e qualidade dos recursos hídricos tornou-se eminente.

Outra questão a ser considerada é que parte das unidades de alto potencial hidrogeológico coincide com os depósitos minerais de interesse econômico, em particular as jazidas de ferro, que são as mais expressivas na região do QF (e.g. Rubio et al. 1997, Coppedê Jr. & Boechat 2002). Neste contexto, surge então o questionamento em relação aos impactos que as atividades minerárias poderiam causar sobre o sistema hídrico.

FLUXOS HÍDRICOS E VARIÁVEIS DO REGIME HIDROLÓGICO

O regime hidrológico de um rio é reflexo da interação de processos naturais complexos atuantes em superfície e subsuperfície (Custodio & Llamas 1976, Smakhtin 2001), estando ainda sujeito a variações em conseqüência das atividades antrópicas (Lima 1986, Luk et al. 1997, Costa & Bacellar 2003, Costa & Bacellar 2005). Cada bacia de drenagem pode ser dominada por um processo particular, conforme o clima prevalecente e suas características físicas, em especial a geologia (Moldan & Cerný 1994).

Previamente às discussões a respeito dos fluxos hídricos e das variáveis que interferem no regime hidrológico, serão feitas algumas considerações a respeito da escala e sua possível influência na resposta hidrológica.

3.1 -

CONCEITO DE MICROBACIA

A classificação de uma bacia a partir de seu tamanho é questionável. Não existe um enquadramento baseado em dimensões pré-estabelecidas, embora alguns autores definam como microbacias aquelas cuja área não ultrapassam 5km2 _{(Moldan & Cerný 1994). Muitas vezes, o}

conceito de bacia grande e pequena é fundamentado nos fatores dominantes na produção do deflúvio, existindo na literatura várias tentativas de definição. Em geral, considera-se microbacias aquelas que respondem mais sensivelmente à intensidade da chuva e ao uso e ocupação do solo; e as bacias maiores aquelas em que estes dois fatores perdem importância frente às características da rede de drenagem, como, por exemplo, a capacidade de armazenamento ao longo dos canais (e.g. Lima & Zakia 2000).

Neste trabalho considera-se microbacias aquelas constituídas preferencialmente por drenagens de 1a _{e 2}a _{ordem (classificação de Strahler), com áreas de até aproximadamente 1km}2 _{e relativamente}

homogêneas.

Atualmente, microbacias experimentais têm sido amplamente utilizadas em estudos hidrológicos/hidrogeológicos em vários países. Estas, quando instrumentadas, constituem verdadeiros laboratórios naturais (e.g. Moldan & Cerný 1994).

Tabela 3.1 – Comparação entre bacias de drenagem em diferentes escalas considerando aspectos do comportamento do fluxo

Microbacia Bacias maiores

Vazão no

exutório A vazão no exutório é representativa da vazão a montante A vazão no exutório pode não ser representativa das condições à montante (Langbein 1938, Snyder 1939) por receber água de várias partes e os fatores que causam variações nunca afetam por igual toda a bacia (Custodio & Llamas 1976)

Controle das condições na área da bacia

Tem-se amplo controle sobre as condições encontradas à montante, como barragens, retiradas d’água e outras que podem interferir na vazão

Quanto maior a bacia, mais difícil é controlar a presença de estruturas que podem interferir no volume do fluxo

Homogeneidade das características

Consegue-se com maior facilidade definir microbacias homogêneas.

Com a amplitude areal, aumentam-se as possibilidades de variações nas características físicas.

Tempo de

concentração Baixo Alto

Fluxos Em geral, não apresenta fluxos regionais

mais profundos. Há maiores possibilidades de se detectar fluxos hídricos profundos Hidrogeoquímica Concentração iônica tende a ser baixa, uma

vez que os fluxos tentem a ser mais rasos Apresenta maiores concentrações iônicas, considerando que fluxos profundos apresentam maior tempo de residência

O chamado “efeito escala” ocorre quando a dimensão pode influenciar na resposta hidrológica. Alguns parâmetros obtidos em escala de detalhe podem não refletir todas as características do fenômeno hidrogeológico envolvido em escala regional. Por exemplo, grandes falhas geológicas podem gerar efeitos distintos quando se trabalha em escala menor. O tempo de concentração de eventos chuvosos também é altamente dependente da escala e da forma da bacia. Assim, quando se almeja estimar o potencial hidrológico em bacias não monitoradas e/ou comparar bacias de drenagem, deve-se buscar trabalhar com índices adimensionais (Zecharias & Brutsaert 1988, Lacey & Grayson 1998).

3.2 - RELAÇÕES ENTRE ÁGUA SUBTERRÂNEA E SUPERFICIAL

Esta simulação representa os processos de recarga e descarga do manto aluvial durante um evento de chuva e expressa a interatividade entre os meios aquosos superficiais e subterrâneos. Em especial nos casos de aqüífero não confinado, como ocorre na região estudada, estes dois meios estão em interação dinâmica tanto em questões quantitativas quanto qualitativas. De fato, como definido por Winter et al. (1998), “a água superficial e subterrânea são simplesmente duas manifestações de um só recurso integrado”.

Dada esta conexão entre o meio aquoso superficial e subterrâneo, é possível inferir índices e definir as características de um aqüífero através de parâmetros hidrológicos (Trainer & Watkins Jr. 1974, USAE 1999, Dewandel et al. 2003).

3.3 - ANÁLISE DE HIDROGRAMAS

Hidrograma (hidrógrafa ou fluviograma) é o gráfico da variação da vazão em função do tempo (Q = f (t)), podendo a escala do tempo variar consideravelmente, representando, por exemplo, algumas horas ou vários anos. Quando construído com médias mensais em um ano hidrológico é denominado hidrograma anual.

Os hidrogramas podem ser divididos em três segmentos básicos (Figura 3.1). De fato, com um evento chuvoso, a vazão tende a aumentar progressivamente em decorrência da geração do escoamento superficial, definindo a curva de concentração (ou curva de acumulação) do hidrograma, a partir do ponto A. A vazão máxima caracteriza o pico de cheia do hidrograma (ponto C), a partir da qual o fluxo diminui com o término do período chuvoso, definindo então a curva de decaimento (ou curva de depleção). Quando o escoamento superficial se encerra e todo o escoamento é teoricamente proveniente dos aqüíferos (ponto B), a curva, que continua decrescendo porém mais sutilmente, recebe o nome de curva de esgotamento ou curva de recessão (curva de depleção do escoamento de base). Neste estágio, o fluxo é chamado de fluxo de base (Custodio & Llamas 1976).

Cur va d

e

conc entr

ação

C urv

a d e de

ca_im

en_to

Curva de recessão

tempo A

Q

tempo B

C

Figura 3.1 - Hidrograma tipo com os três segmentos básicos (Modificada de Custodio & Llamas 1976).

A vazão é uma função das características da precipitação e suas interações com os atributos físicos e bióticos do meio. Assim, cada bacia apresentará um hidrograma de formato singular conforme suas peculiaridades, mesmo para idênticos eventos de chuva. Como descrito por Custodio & Llamas (1976), hidrograma é uma “expressão das características físicas e climáticas que governam as relações entre precipitação e o escoamento em uma bacia”. É importante observar que tal afirmativa vale apenas para fluxos não regularizados, pois nestes casos o hidrograma não será reflexo das condições naturais da bacia (Castany 1971).

A análise de hidrogramas possibilita interpretar várias singularidades da bacia. Entre os índices que podem ser definidos e que tem potencial interesse para hidrogeologia e que serão discutidos posteriormente tem-se: coeficiente de recessão, volume do fluxo de base e BFI (índice do fluxo de base).

3.4 - COMPONENTES PRINCIPAIS DO FLUXO

3.4.1 – Fluxo Superficial

O fluxo superficial (escoamento superficial direto ou runoff) representa a água que cai diretamente nos canais e a que escoa superficialmente. Este componente do fluxo é importante em especial durante e logo após os picos de chuva quando causa o aumento rápido da vazão, caracterizando os picos de cheia nos hidrogramas.

Os mecanismos e caminhos pelos quais o fluxo é gerado a partir da chuva têm sido alvo de vários estudos. Para que ocorra o fluxo superficial, o volume precipitado deve excedero volume de água retido nas depressões superficiais e interceptado pela vegetação e outros obstáculos e ainda superar a capacidade de infiltração do solo. Após suprir estas demandas iniciais, a água pode fluir como uma fina lâmina sobre a superfície do terreno, sendo este tipo de fluxo conhecido como Fluxo Superficial Hortoniano (FSH) (Figura 3.2). Porém, mecanismos de geração deste tipo de fluxo não são tão freqüentes na natureza, ocorrendo preferencialmente em superfícies pouco permeáveis (como afloramento rochosos), em vertentes com solos pouco espessos e pouco vegetados ou ainda em regiões áridas, especialmente após chuvas de grande intensidade. Em bacias muito degradadas, onde o solo se encontra compactado e encrostado, o FSH também pode ser expressivo (Castany 1971, Chorley 1980, Dunne 1980, Fetter 1988, Lima & Zakia 2000). Atualmente, sabe-se que grande parte do fluxo superficial em bacias não degradadas provém do “Fluxo Superficial de Saturação” – FSSa (saturation

overland flow), que ocorre preferencialmente nos segmentos topograficamente mais baixos da

paisagem. Nestes locais, como o lençol freático normalmente é mais raso, o solo se satura rapidamente com a elevação do lençol até a superfície, impedindo a infiltração. O fluxo superficial por saturação é a soma das águas que então se exfiltram (fluxo de retorno) mais a precipitação que cai nesta área saturada (Figura 3.2). As áreas potenciais para formação deste fluxo compreendem, no início da chuva, as margens de rios, várzeas, exutórios, áreas de solo raso e fundo de vales. Com o prosseguimento da chuva, estas áreas de contribuição se expandem, atingindo inclusive áreas de cabeceiras, e posteriormente se retraem com o fim da chuva. As expansões e contrações se dão conforme a duração e intensidade da chuva e as condições antecedentes de umidade no solo, sofrendo assim variação sazonal. Este fenômeno é conhecido como “área de contribuição variável de fluxo superficial”, dinâmica no espaço e no tempo (Hewlett & Hibbert 1967 in Moldan e Cerný 1994, Chorley 1980, Dunne 1980, Lima & Zakia 2000).

Tradicionalmente, considera-se que a água nova seja a fonte dominante do runoff. Modelos mais recentes, utilizando-se da tecnologia dos traçadores, mostraram que a água velha é a que domina a vazão imediatamente após o início das chuvas. Assim, o mecanismo de pistão, onde a água nova da chuva “empurra” a água velha em direção ao canal, tem se mostrado correto (Moldan e Cerný 1994).

O escoamento superficial é função principalmente do tipo de precipitação (intensidade, duração) e de características da bacia tais como: área, forma, relevo, permeabilidade e capacidade de infiltração do solo, além da umidade antecedente do solo e de fatores antrópicos.

3.4.2 – Fluxo Subsuperficial

O fluxo subsuperficial ou hipodérmico (interflow ou throughflow) corresponde ao fluxo que ocorre apenas nas camadas mais superficiais do solo, se restringindo à zona não saturada. Uma condição para a geração deste tipo de fluxo é a existência de uma zona não saturada homogeneamente permeável, onde a água percola verticalmente até encontrar uma camada subjacente menos permeável, passando então a escoar lateralmente em direção ao canal (Figura 3.2). Este fluxo pode exfiltrar na baixa encosta antes de chegar no rio (fluxo de retorno) que, somado à precipitação sobre a área exfiltrante, constituirá o fluxo superficial de saturação. O fluxo hipodérmico pode representar até 80% da vazão total de uma bacia de vertentes suaves com solos cultivados ou florestados contendo espessa camada de húmus (Castany 1971, Dunne 1980, Fetter 1988).

3.4.3 – Fluxo de Base

A água subterrânea liberada como fluxo de base é meteórica em quase totalidade dos casos, ou seja, corresponde à água de chuva infiltrada. A medida que ocorre infiltração, o lençol freático ascende e como conseqüência, nas proximidades do rio, mais água subterrânea é liberada. O volume do fluxo de base é diretamente proporcional ao gradiente hidráulico em direção ao rio (Fetter 1988) e ocorre quando a superfície potenciométrica (ou nível do lençol freático) encontra-se acima do nível do canal (USAE 1999), situação que caracteriza o rio como efluente. Ao contrário, quando a carga hidráulica do aqüífero é menor, têm-se rios influentes.

3

1

4

2

2 = Fluxo Superficial por Saturação

3 = Fluxo Subsuperficial

4 = Fluxo de Base Lençol Freático

PRINCIPAIS ROTAS DE FLUXO DA ÁGUA

EM ENCOSTAS

Figura 3.2 - Rotas de fluxo em encostas (Modificado de Dunne (1980) e Chorley (1980)).

3.5 - ANÁLISE DO FLUXO DE BASE

A análise do fluxo de base pode ser extremamente útil na avaliação das reservas dos aqüíferos, capacidade de armazenamento, estudo do regime de rios e gerenciamento de bacias hidrográficas uma vez que representa a contribuição do aqüífero para o fluxo superficial, ou seja, a interação entre estes dois meios.

3.5.1 - Recessão do fluxo de base

Tomando-se por princípio que há uma relação linear entre a taxa de fluxo e a carga hidráulica, a recessão obedecerá a uma equação exponencial, como a equação inicialmente proposta por Boussinesq em 1877 (1). Trata-se de uma solução analítica aproximada onde foram assumidas várias simplificações, entre elas: aqüífero poroso, não confinado, homogêneo e isotrópico com limite inferior côncavo com uma profundidade b (Figura 3.3). Esta equação foi tratada por Maillet em 1905 por meio de um modelo análogo mais simples e assim se tornou conhecida como “Fórmula de Maillet”. Porém, sabe-se que a recessão muitas vezes decresce seguindo uma equação quadrática, devido a não linearidade da taxa de fluxo subterrâneo com a carga hidráulica, sobretudo nos estágios iniciais de recessão (Dewandel et al. 2003). Contudo, a equação exponencial de Maillet (1) tem sido mais utilizada por ajustar relativamente bem às recessões e por sua maior simplicidade quanto ao tratamento matemático, mesmo fornecendo melhores resultados para os períodos finais de recessão (Custodio & Llama 1976, Nathan & McMahon 1990, Mwakalila et al. 2002, Dewandel et al. 2003).

t o

t Q e

Q −α

= (1)

Onde: Qt (m3/s) = vazão no tempo t

Qo (m3/s) = vazão no início da recessão

= coeficiente de recessão (ou coeficiente de esgotamento)

t = tempo (dias) desde o início da recessão

e = base do logaritmo neperiano = 2,71828

Camada impermeável b

h (x,t)

K S L

Q (t)

Legenda

Q (t) = vazão no tempo t K = condutividade hidráulica S = coeficiente de armazenamento L = largura do aquífero

b = profundidade do aquífero h (x,t) = carga hidráulica

Figura 3.3 = Modelo conceitual proposto por Boussinesq em 1877 para descrever taxas de fluxo de aqüíferos

(Modificado de Dewandel et al. 2003)

O coeficiente de recessão ( ) é expressado em dias-1 _{e corresponde à inclinação da curva de}

recessão em gráfico semilogarítmico (figura 3.4). É um índice característico para cada bacia de drenagem, sendo função principalmente da geologia, tipo de solo e geomorfologia (Castany 1971, USAE 1999). A sua determinação é feita numericamente e, com maior precisão, usando-se a fórmula abaixo, obtida a partir da equação (1) em forma logarítmica:

e

t

Q

Q

log

log

log

=

−

α

t Q Q t 4343 , 0 log

log ₀ −

=

α

A Q ( /s ) - es ca la lo ga rí tm ic a m 3 Tempo (dias) B C Coeficiente de recessão E Qo Recessão do aquífero Qt log e Legenda A C E B

Pico de cheia

Início da curva de concentração

Ponto de inflexão

Fim do escoamento superficial (escoamento é mantido teoricamente apenas pelo fluxo de base)

Figura 3.4 – Determinação do coeficiente de recessão pelo método de Barnes (Modificado de Custodio &

Llamas 1976)

Em muitos trabalhos (e.g. Anderson & Burt 1980), dá-se o nome de coeficiente de recessão (ou fator de depleção) a variável adimensional simbolizada pela letra k, que corresponde a e- _{. Desta}

forma, a equação (1) assume a seguinte forma comumente encontrada na literatura:

t

t Q K

Q = ₀ (4)

3.5.2

–

Separação do fluxo de base em hidrogramas