Estimativa experimental da taxa de recarga na zona de afloramento do Aqüífero Guarani, para a região de São Carlos - SP

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(1)Estimativa experimental da taxa de recarga na zona de afloramento do Aqüífero Guarani, para a região de São Carlos - S .P Autor: Alessandra Troleis da Cunha. Orientador: Prof Dr. Edson Cezar We11dland.

(2) ESTIMATIVAEXPERIMENTALDATAXADE RECARGANAZONADEAFLORAMENTODO AQÜÍFERO GUARANI, PARA A REGIÃO DE SÃO CARLOS- S P Servíço de Pós-Gradução EESC/USP. EXEMPLAR REVISADO Data de entrada no Serviço:.J.:?...t.{X;;..t.O.ô... Alessandra Troleis da Cunha. Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo , como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Hidráulica e Saneamento OIUENTADOR: Prof. Dr. Edson Cezar Wendland. São Carlos 2003.

(3) ,. cms:-n::~~k- - tt\.C Cutt.. .rf.52. T0111be. ({J1~l03. Sysno i315J]ti ··-. Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca - EESC/USP. C972e. Cunha , Al essandra Troleis da Estimat iva experiment a l da taxa de reca r ga na zona de afloramento do aqüífero Guarani , para a r egião de Sào Carlos- SP I Alessandra Troleis d a Cunha . -- São Carlos , 2003.. Dissertação (Mestrado) -- Escola de Engenharia de São Carlos- Universidade de São Paulo , 2003 . Area: Hidráulica e Saneamento. Orientador: Prof. Dr. Edson Cezar Wendland.. 1 . Aqüí fe ro Guarani . 2. Evapotranspiração. 3. Infiltração . 4. Lisímetro. 5. Recarga . I. Tít ulo ..

(4) FOLHA DE JULGAMENTO. Candidata: Engenheira ALESSANDRA TROLEIS DA CUNHA. Dissertação defendida e julgada em O1-04-2003 perante a Comissão Julgadora:. (UNESP/Campus de Rio Claro). Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia (Hidráulica e Saneamento) e Presidente da Comissão de Pós-Graduação.

(5) OfEREÇO ao meu pa i, José e min ha mãe Nilza. Ao vVaster, DEDICO..

(6) IV. AGRADECTlVlENTOS. Ao professor e dout or Edson Ceza r Wencllancl, pela ami zade e ori entação ao longo el o curso.. Às minhas irmãs, Adriana e Cri stianne, às am1gas Andréa e Claudia , pela atenção e ca rinho.. Ao meu namorado, Waster, pelas demonstrações ele dedicação, carinho e compreensão.. Aos professores José Jorge Gu im arães e Silvia Claudia Povinelli, pelas palavras de incentivo e estimulo.. Coordenadoria de Aperfeiçoam ent o de Pessoal ele Nível Superior - CAPES, pela bolsa de estudo concedida.. Ao técnico José Roberto Maramarque do Cent ro de Recursos H.ídricos e. Ecologia Aplicada - CRHEA, pelo auxili o na instalação e condução do experimento.. A todos os colegas, professo res c funcionári os do Departamento de Hidrúulica e Saneamento da EESCIUSP pela amizade..

(7) v. SUMÁRIO. LISTA DE FTGURAS .............. .............. ... ... ....... .... .. ........ ................. ....... ............... vii LISTA DE TABELAS................. ... .... ........ .... .......... ...................... ... .... ... ... .. .......... x LTSTADE SÍMBOLOS........... .. .... ......................... ..... .. ........................... ........ ......x i RESUMO ...... ... ....... ...... ..... .. ............... ..... ... ........ .... ........................ ....... .. ... ............. xiii. A RSTRA C"/'. ...... ........ ......... .. ................................................. .................................... xiv J lNTRODUÇÃO ....................................... ........................................... .................. Ol. I. I Objetivos ..... ...................................................... .... ............................................. 02 2 SfNTESE DA BIBLTOGRAFIAFUNDAMENTAL ... ....... ..................... .... ........ 03 2. 1 Aqüifero Guarani ....................... ................. ... ............................................. ...... @. 2. 1. 1 Locali zação e I-licl rogeologia .. ............................ ... ............. ............ ... .. ........ .. !03 2. 1.2 Recarga e DiSJ)Onibilidacl e I-lídrica .......... ........ .... .. ... .... ..... .... ........... .. ........... .06 2.2 Recarga de Aqüífero.. ... ...... ............ ........ ............ ....... ............. ................... ... .Qg ;~. 2.3 Infiltração .. ........... ...... ....... .. ... ... ............. ... ... ... .. ... ............................................... I1 1 2.3 .1 Escoamento em solos saturados................ .......... .. ..... ................................ ... 16 2.3.2 Escoamento em solos não-sa turados ............... ............ ... .. .............................. !? 2.4 Evapotranspiraçào .. ....... .......................... ............. .............................................. 18 2.4. 1 Método de Penman ............................ ......... ... ................................................. 19 2.4.2 Método de Thornthwaite ..................... ... ............... ......... ... .............................. 20 2.5 Lisí metro ... .. ................... ...... .......................... ...................... ........... .................. .2 1. 3 LOCAUZAÇAO DO ESTUDO EXl)ERfMENT AL ........... .......... .............. ........ 24 3 .I Bacia elo Ribeirão do Lobo................................... .......................... .. ................. 24 3.2 Área Ex perimental... ................................ .. ....... ..... ... ..... ... ............. ........ ............ 25. 4 MA TERTAl S E J\ti ÉTODOS......... ... ... .'...................... .. ... ..................... ................. 28 4. 1 Descrição do Lisímetro ...................................................................................... 28 4.2 Metodologia de trabalho .............................. .... ....... ........ ........ .. ............. ............ 3 1 4.2. 1 1\llontagem do equipamento ex perimental e coleta de clados ................ .......... 3 1 4.2.2 Caracterização do solo .............. .. ...... ....... ................. ...................................... 35 5 RESULTADOS E DTSCUSSÃ0 ............................... .......................................... .44 5. 1 Taxa de Tnfiltração .... .................. ............. ...... ... ..... ........... ...... .......................... .44 5.2 Variação de umidade no solo .................................... .... ........ .. ......................... .48. r 1 r/ , H, 1.

(8) VI. 5.3 Gradiente Hidráulico ..... .... ................... ....... ......... ......... .....................................57 5.4 Evapotranspiração ................................... ......... .......................... ........................ 72 6 CONCLUSÂ0 ................... ...... .. ....................... .. .................................................. 78 ANEXOS ..... ........... ... ................ ... .... ... ... ........ .. .... ...................... ...... ....................... 80. 1REFE RÊNCIAS BJBLIOGRÁFlCAS .................. .......... ................ ........ ............. Il J 8 BffiLTOGIW"l A CO'MPLEMENTAR ................ .. .............................................. ll 6.

(9) VIl. LISTA DE FIGURAS. Figura 1: Localização do Aqüífero Guarani ...... ... ... ........... .......... .......................... .04 Figura 2: Corte representativo do Aqüífero Guarani ....... ....... ... .... ......... .... .. .......... .06 Figura 3: Áreas de recarga elo Aq üífcro Guara ni .. .......... .......... ............. .... ... ... ....... .07 Figura 4: Distribuição da população elos estados brasileiros na região ocupada pelo aqüífero .... .. ..... ......................................................................................................... 09 Figura 5: Mecanismos de Recarga... ........ ..... .... .... .... .... .... ...................... ................. I I Figura 6: Esquema representativo do solo ............. ... ....... .. ........ ... ........................... l 5 f igura 7: Dacia do Ribeirão elo Lobo ....................... .... .. ............. ............................ 25 Figura 8: Estação Hidrometeorológica elo CRH EA e detalhe elo lisímctro ............. 26 Figura 9: Tensiômetros em campo ... .......... .... ........ ...... ....... .. ....... .................... ....... 27 Figura I0: Representação esC]u emática do abrigo subt errâneo .. ...... ..... ..... .......... .... 29 Figura ll: Vista ele perfil ela caixa principal e elo abrigo subterrâneo .. ... ............... 30 Figura 12: Foto de topo do tanque graduado com os ga lões...... .. .. ... ........ ..... ......... 3 1 Figura 13: Vista de topo após retirada elo solo e limpeza do li símetro .................... 32 Figura 14: Coleta do solo ............................... .................................................. ,...... .32 fi gura 15: Retirada ela amostra incl eformada ................. ......................................... .33 Figura 16: Preenchimento do lisímetro ........................................... .. ....................... 34 f<igura 17: Amostra indeformada após ser retirada da ca ixa e parafin ada ............... 36 Figura 18: Conjunto de Peneiras no vibrador...... ............ ...... ................. ... ..... ... ... ... 36 Figura 19: Proveta com a solução à esqu erda, e à direita com água destilada e o densímet ro ....... ......... ... ... .................... ..... ... .... ... .... ................................................... 37 Figura 20: Curva Gnmulométrica ela amostra retirada de campo ................ .......... ..38 Figura 2 1: Corte esquemático de um permeâmetro ................................... .. ............ 39 Figura 22: Processo de molcl agem de um corpo ele prova ............... .... ............. ... ... .41 Figura 23: Pesagem do papel fi ltro à esq uerda e do solo à direita .... ...... ................ 42 Figura 24: Curva ele Retenção do solo .................................. ... .. ..... ... ......... ............. 43 Figura 25: Histograma de precipitação e infi lt ração no lisímetro ........ ... ................ 45 Figura 26: Hi stograma mensal ele precipitação e infiltração ...... .... .... .. ......... ..... ..... 47 Figura 27: Dados acumulados de precipitação e infilt ração ......... .... ............. ........ ..47.

(10) VIII. figura 28: Umidade no campo e no lisímetro no período de janeiro a dezembro de 2002 na profuncliclacle de 0,2 m...... ........... ............................ ................. ................ .49 Figura 29: Umidade no campo e. lisímetro no período de janeiro a dezembro de. 110. 2002 na profundidade de 0,5 m...... ..... ... ... ... ...... .... .. ... ....... ....... ... ..... ..... ................. 5 1 Figura 30: Umidade no ca mpo e no li símetro no período de janeiro a dezembro de 2002 na profundidade de 0,8 m......... ............ ..... ... ... ..... ... .. ........ ......... .. ... .... .......... 52 Figura J I: Umidade no campo e no li símetro no período de janeiro a dezembro ele 2002 na profu ndidade de I, I m............................... ... ....... .. ...... ... ... ...... .. ................ 53 Figura 32: Desenho esquemático da instalação interna inferior do lisímetro... ... ... 54 Figura 33: Diagrama do perfi l de umidade no espaço e no tempo ......... ... ....... ...... . 56 Figura. 34:. Gráfico. elo. perfil. ele. umidade. no. solo. em. 04. de. fevereiro .. .. ........... .............. .. ... .. ..... ... ... .. ..... .... ........ ............................ ...... ............... 59 Figura J 5:. Gráfico do perfil do. potencial mátrico no solo em 04 ele. fevereiro ..... .... ... .. ......... .... ...... .... .......... ... ... .. .. ......... ............ .............. ...... ...... ........... 59 Figura. 36:. Gráfico. do. perfi l de carga. hidráulica. no solo en1. 04. ele. fevereiro .... ....................... .................. .. .... .. ......... .................................. .. .......... .......59 Figura. 37:. Gráfico. do. perfi l. de. umidade. no. solo. em. 19. de. abril. ............. ....... .......... ............. ............... .. ................. .... ... .................. ........... ... ..... 61 Figura 38: Gráfico do perfil do. pot encial mátrico no solo em. 19 de. abril. ..... .................................................................................................... .... ........... 6 1 Figura. 39:. Gráfico. do. perfil de. carga. hidráulica. no. solo. em. 19 ele. abri1 ... ......... ...... ... .... .. ..... ... .... .......... ........... ..... ........ .............. ... ..................... ........ .. .6 1 Figura. 40:. Gráfico. do. pet fi I. ele. umidade. no. solo. em. 5. de. tnaio ............ .......... .... .... ... .... ... ....... ............. ... .... .......................... .. .......................... 6J Figura 4 1: Gráfico. do. perfil. do. potencial mátrico. no solo em 5 ele. tnaio ............. ...................................... ........ .......... ... .. ................... ........ .................... 6J Figura. 42:. Grático. do. perfil. de. carga. hidráulica. no. solo. em 5 ele. maio ...................... ...... ..... .. ................... ... ......... ... .................. ....... ........................... 63 Figura. 43:. Gráfico. do. perfil. de. umidade. no. solo. em. 24. de. tna io .......... .............................. ......... .......... ... ............ .. ..................... .. ... ......... ..........65 Figura 44:. Gráfico. do. perfil. do potencial mátrico. no solo em 24 ele. tnaio .. .. .. .............................. ............. ...... ........... .............. .................... ....... ..............65.

(11) IX. Figura 45:. Gráfico. do. perfi l de carga. hidráulica. no. solo. em 24. de. tnaio ........... ... .... ..... .......... ... ..... .. ................. .............. ... ................................... ......... 65 Figura. 46:. elo. Gráfico. perfil. de. um idade. no. solo. em. 3. de. julho ................................... ..... .... ............................. .... ............................................67 Figura 47:. Gráfico. do. perfil. do. potencial mátrico no solo em 3 de. julho ........... ... .... ......... ............. ............... .................. ... ................... ... .. ... .. ................67 Figura. 48:. Gráfico. do. perfil. de. carga. hidráulica. no. solo. em 3. de. julho ........................... ............. ....................................................... ..........................67 Figura. 49:. Gráfico. do. perfi l. ele. umid ade. no. solo. em. 8. de. agosto .......................... .. ................................... .............................. ......... .. ...............68 Figura 50: Gráfico. do perfil. do. potencial mátrico. no solo em 8 ele. agosto .................................... .............. .... .. ............................................................... 68 Figura. 51:. Gráfico. do. perfi l de. carga. hidráulica. no. solo. em 8. ele. agosto .... ....... ....... ..... .... ............................ .............. ... ............................ .................. 68 Figura. 52:. Gráfico. do. perfil. de. umidade. no. solo. em. 16. de. outubro .. .............. ................... ... .. ............... .... ......................................................... 69 Figura 53. Gráfico do. perfil. do. potencial mátrico. no solo em 16 de. outubro ........ ..... ......... ... .... ................................ ..... ........................ ........................... 69 Figura. 54:. Gráfico. do. perm. ele carga. hidráuli ca. no. solo. em. 16. ele. out ubro .. ........ ........ .. ................ .......... .. .. ..... .... .. .... ...... ........... ......... ..... ..................... 69 Figura. 55:. Gráfico. do. peliil. de. umidade. no. solo. em. 27. de. elezetnbro ........ ... ............. .. ............... ......................................................................... 7 1 Figura. 56:. Gráfico elo. perfil. do potencial mátrico no solo em 27 ele. dezembro ..................... ..... ..... ... ...... ...... ...... .... .... ...... .................. ...... ....................... 71 Figura. 57:. Gráfico. do. perfi l de carga. hidráulica. no. solo em 27. de. elezetnbro .................................... .. ....................... ............ ....................................... .71 r igura 58: Vari ação da umidade no perfil do solo ................................................ .. 74 Figura 59: Dados ele evapotranspiração potencia l c real. .. ...................... ................ 76 Figura 57: Dados acumu lados de precipitação, infiltração e evapotranspiração ..... 77.

(12) X. LlSTA DE TABELAS. Tabela I: Quad ro resum o das est imativas volumétricas de reservas permanente e reguladora .... .. ... ............... ... ........... .......................................................................... 08 Tabela 2: Número ele poços cadastrados e elo volume ele produção para cada estado brasileiro ................................................ .... ......................................... .. ................... IO Tabela 3: Porcentagens do ensaio de peneiramento para detenninaçâo granulométrica .................... .... .................. ...... ... .... .... .... ........ ..... ...... ........................................... ... .38. Tabela 4: Dados do ensaio de coneluti vid ade lüdráulica ......................................... 40 Tabelcr 5: Valores mensai s de precipitação e irúlltração ............................. ............ 46 Tabela 6: Dados mensais de precipitação, infiltração e valores estimados de evapotranspiraçâo potencial e real. ................... ...................................................... 7 5.

(13) XI. LISTA DE STMBOLOS. Q - vazão, em m3/s; K - constante de proporcionalidade ou conduti vidade hidráulica, en1 m/s;. As - área da seção transversal , em m2 ; (h2-h1). -. diferença de carga hjdráu lica entre dois pontos, em m;. I - distância entre os pontos, em m.. -q - 11uxo (vetor) em qualquer direção no espaço, em m/ s; \117 -gradiente de carga hi dráulica, de mesma direção de q; K(B)- função conclutividade hidráulica (condutividade capila r), m/s;. l/Jm(BJ - fun ção potencial mátrico;. e - umidade volumétrica elo solo; 2. R - radiação solar líquida, ca l/cm .cl;. L - calor latent e de va pori zação, consid erado constante de 59 cal/ mm; y-. constante psicrométrica (0.67 mb/K);. es - pressão de saturação, em mb; e - pressão parcial de vapor, em rnb; 11 - derivada da pressão pa rcial máxima de vapor da água (e, ) em relação à. temperatura, em mb/K;. Ea - ,em nun/d;. a 1 = I e h 1 = 0,00625 (considerand o supe1ticie vegetada); 11 -. I -. velocidade média do vento, em km/d; temperatura elo ar, em °C;. [IR - umidade relat iva do ar;. !•:,"- irradiância solar no topo da atmosCera, em cal/d; a- albedo ela superfície igual a 0,05;. a e b - constantes locais (para o Estado de São Paulo a= 0,24 e b = 0,58); 11 -. insolação em horas;. N- insolação máx ima em horas (tabelado);. cr- constante ele Stelà n-Boltzma nn ( I, 17. 1o·7 cal/ci.K); 1 - fun ção da temperatura méd ia mensa l T, em °C;.

(14) XII. J - temperatura anual , definido como a soma de 12 valores mensais ele índi ce de calor. r., K20 - conduti vid ade hidráulica à temperatura de 20°C; a, m e n - parâmetros de ajuste da curva da equação de Van Genuchten;. 8s- umidade de saturação; 8r- umidade residual;. ' I' - tensão ele sucção; H - leitura do tensiômetro feita a partir da superfície do mercú rio na cuba, em metros de mercúrio; h_, - di stância do nível de mercúrio ela cuba à superfície elo solo no momento da leitura, em m; z- profundidade de instalação da cápsula porosa do tensiômetro, em m; PHg -. massa especítl.ca do mercúrio;. P<iguo -. massa específica da água;. .!!... - carga de pressão elo so lo; l. P - precipitação, em mm;. I - intl.ltração medida no ta nque coletor, em mm; Ft - evapotranspiração, em mm;. U- variação da umidade volumétrica no solo; Etr- evapotranspiração real; Etp - evapotranspiração potencial; Etp (T) - evapotranspiraçào potencial estimada pelo método de Thornthwaite; Etp (P) - evapotranspiração potencial estimada pelo método ele Penman..

(15) XII I. RESU1VIO ,, C UNHA, A. T. da (2003). Estimativa e:x perinlt:ntal da ta:xa clt: recarga na Zona de Afloramento do Aqiií fero Guarani , pa ra a região de São Carlos- S.P. São Carlos, 2003. I l7p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Ca rlos, Uni vers idade de São Pau lo.. A engenharia hidrológica v1sa quantificar os parâmetros que envolvem um. balanço hídrico. Nesse domín io, a avaliação da taxa de recarga de aqüíferos subteiTâneos torna-se relevante, devido ao uso indiscriminado desse recurso hídri co. Com o au xílio de um lisímetro e a aplicação de conceitos teóricos de infiltração, estimou -se a taxa de recarga potencial do Aqiiífero Guarani para a região de São Carlos. O lisímetro, instalado na Estação Hidrometeorológica do CRHE A, possui uma área ele exposição de 3,6 m2 e profund idade de I ,50 m. Para a coleta elo volume inti ltrado utilizou-se um sistema de drenagem, com destino em um tanque coletor graduado. O li símetro foi preenchido com solo da zona de afloramento elo Aqüí fero Guarani (solo arenoso). I-:louve monit orament o de umidade do so lo, dentro do li símetro e em campo abe1to, nas prox imidades do local de retirada do solo. Coletaram-se dados de in filtração no período de janeiro de 2002 a janeiro de 2003 . A taxa de recarga direta potencial foi estimada em 55,6% da precipit ação, para o período em estudo. Análises do comportament o da água no solo demonstraram que a recarga em aqüíferos subt errâneos ocorre somente em períodos de chuva (novembro a março). Para o período seco (abriJ a outubro) as precipi tações esparsas não são sulicientes para suprir a defi ciência de umidade do solo. O trabalho permitiu , ainda, concluir que os métodos teóricos pa ra estimar evapotranspiraçâo potencial não são adequados em regiões caracte1izadas por períod os secos e chuvosos.. Palavras-chave: J\qüífero Guarani , evapotranspiração, in fi ltração, lisímetro, recarga.

(16) XIV. ABSTRACT. CUN HA, A. T. da (2003). Experimental cstimation of thc recharge rate in the Guarani Aquifcr rechargc zonc in São Carlos rcgion - SP. São Carlos, 2003. 11 7p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Ca rlos, Universidade dt:: São Paulo.. Hydrologic Engineering quantifies the parameters involving water ba lance. Thus, the evaluation or aquifers rechargc rates is consiclerecl a relevant matter clue to the uncontrolled use of this type of water resource. The potenti al rccharge rate of Guarani Aquifer for Sao Carlos area was estimatecl baseei on data measured on lysimeter anel through the analysis of theoretical infiltration concept s. The 1ysimeter, assembled at the Hyclrometeorologcal Station ofCRI-lEA, is l. SO m deep anel has 3.6 m2 of exposure area. A drainage was used to collect the infiltratecl volume, leacling it to a graduated collection tank. The lysimeter was tl lled with soil from the recharge zone of Guarani Aquifer (sa ndy soil). Soil humidit y was tnonit orecl insicle the lysimeter anel at open fi elcl , arouncl the area fl·om where thc soil was extractecl. Infiltration data was recordecl between Januaty 2002 anel January 2003. Potential cl irect recharge rate was calcul ated to 55 .6% of the precipitation, for the studied period. Analyses of water behavior in the soil have shown that aquifers recharge occurs only in rainy periocls (from november to march). Throughout the cl roughts (from april to october), sparse precipit ati ons are not enough to compensate the humiclity cleficiency in the soil. It was also possible to concl ude that thc thcoretical methocls for estimat ion of potential eva pot ranspiration are not suitable for regions characterized by droughts anel rainy periocls.. Key words: Guarani Aq ui fer, evapotranspiration, infiltration, lysimeter, recharge.

(17) 1. Introd ução Até a década de 50 as águas subterrâneas eram, em geral, consideradas como. um bem natural de uso doméstico/industrial precário. O surto ele desenvolvimento sócio-econômico verificado após o término da li Guerra Mundial e a crescente deterioração das águas dos rios e lagos, engendraram a rápida evolução ela importância das águas subterrâneas, ao ponto de serem consideradas, atu almente, um recurso ele grande valor econômi co, vital ou estratégico. Tendo em vista que no Brasil , 92% elos esgotos são lançados nos rios e 87% do lixo fica à mercê elas enxurradas, a alternativa de uso das águas superficiais (rios, açudes e lagoas) somente se torna aceitável na ausência de manancial subterrâneo compatível com as demandas. As águas subterrâneas acham-se naturalmente melhor protegidas elos agentes causadores de polui ção que atingem rios e lagos, tend o em vista ocorrerem sob uma faixa de rocha não-saturada através da qual as águas de recarga são filtradas. Segundo os dados elo IB GE de 1997, 6 1% da população brasilei ra se abastece do manancial subterrâneo por meio de poços rasos (6%), nascentes ( 12%) e poços profun dos (43%). O alt o cresciment o do uso ela água subterrâ nea se deve a vá rios fatores como: os baixos custos de captação ela água subterrânea em relação à água superficial, por dispensarem a construção de obras el e barramento, ad utora de recalqu e e estação de tratament o; as águas subterrâneas são, geralmente, de boa qualidade para consumo humano sem tratament o, desde que a captação tenha sido construí da e seja operada de fo rma adequada; os poços que apresentam um bom nivel ele engenharia nas fases ele proj eto, construção e operação, têm vida útil ent re vinte e trinta anos, com amortização elos investimentos realizados em apenas cerca ele um terço desse período; I litro de água provenient e de poço profu ndo, em alguns casos, pod e custar até 15 vezes menos que I lit ro de água proveniente de recursos hídricos superfi ciais (REBOUÇAS, 200 I). O Brasil tem o impressionante volume de li I trilhões e 66 1 milhões de metros cúbicos ele água em suas reservas subterrâneas. Um dos mais importantes contribuintes é o Aqiiífero Guarani , MTNI.STÉRTO DO "ME IO AMBTENTE (200 I)..

(18) 2. O Aqüífero Guarani é adequado ao consumo humano devido à qualidade ela água e ao fato da formação sedimentar apresentar boa proteção contra os agentes de poluição. Quantificar a taxa de recarga deste aq üífero terá uma grande importância para a sua exploração sustentável e gerenciamento desse recurso hídrico.. 1.1. Objetivos. Com o au xílio de um li símetro e a aplicação de conceitos teóricos de infiltração, deseja-se estimar a taxa de recarga elo Aqüífero Guarani na região de São Carl os, através da cobertu ra sedimentar na área de afloramento da Formação Botucatu. Deseja-se, evapotranspiração. também, · verificar os potencial,. métodos teóricos. comparando. determinados utilizando-se um lisímetro.. com dados. de. de estimativa de eva potranspiração.

(19) 3. 2. 2.1. Síntese da Bibliografia Fundamental. Aqüífero Guarani. 2.1.1 Localização e Hidrogcologia. Localizado no centro leste ela América do Sul, entre 12° c 35° ele latitude Sul e 47° e 65° ele longitude Oeste, o Aqüífero Guarani é um dos maiores mananciais ele \ água doce subterrânea transfront eiriço elo mundo, estendendo-se desde a 13acia. I. Sediment ar do Paraná (Brasil, Paraguai e Uruguai) at é a Bacia do Chaco Para ná (Argentina). O Aq iiífero Guaran i tem ex tensão total, preli minarmente clefm icla, da ordem de 1,2 nü lhão de km 2 , sendo 840 mi l km2 no Brasil , 225,5 mil kln 2 na Argentina, 71,7 \ mi l km 2 no Paraguai c 58,5 mil la n2 no Urugua i. A porção brasil eira Caz parte do ( terri tório de oito Estados: MS (2 13.200 km2 ) , RS (1 57.600 km 2 ) , SP (1 55.800 km 2 ) , PR ( 13 1.300 km 2 ) , GO (55.000 la n2 ) , MG (5 1.300 km2 ) , SC (49.200 km2 ) e MT (26.400 km 2 ) . O Sistema Aqüífero Guarani, em terri tório brasileiro, abrange du as zonas. I. climáticas: Tropica l Brasil Central e Temperado. Nos estados de Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Goiás, Minas Gerais e São Pau lo predominam o clima Tropical Brasil Central Quent e e Úmido a Mesotérmico B rando e Superúmido, com temperaturas ( médias sazonais vari ando entre 20°C no inverno e 32°C no verão e precipitação média anual entre I 200 mm e 1.800 mm. Nos estados do Paraná, Santa Catarina e Rio Grande elo Sul predomina o cli ma Temperado Mcsotérmico Supcrúnúdo, com I temperaturas médias sazonai s variando entre 20°C no inverno e 32°C no verão e precipitação média anual entre 1.200 mm e 2.000 mm (Cl-IANG, 200 1). O termo Aqüífero Guarani é a denominação formal dada ao reservatório transfront ciriço ele água subterrânea doce, fo rmado pelos sedimentos nuvio-lacustres do Período Triássico (245 - 208 milhões de anos) - Formações Pirambóia e Rosário ( do Sul, no Brasil, Buena Vista, no Uruguai e pelos sedimentos eólicos desérticos do Período Jurássico (208 - 144 n1ilhôes de anos) - Formações 13otucatu, no Brasil, Mi siones, no Paraguai e Tacuarembó, no Uruguai e Argentina..

(20) 4. O manancial subterrâneo situa-se na Bacia do Prata, uma região privilegiada da América do Sul. A Bacia do Paraná, localizada dentro da Bacia do Prata, abriga o aqüífero nas regiões brasileiras. É possível visualizar na Figura. que algumas. regiões da Bacia do Prata, não se integram ao Sistema Aqiiífero Guararú, devido à drenagem dessa área não se relacionar com o aqüífero.. ll O L I \" T .\. 0. ltotü.: · f'"O"- Ol. ~~~ ~r::::ro~w/ir~\Jtk--oG~:nr. lSJ A u O O. Q. ,_. w-. u. p«e.. W I do rCCll'""-' :.r.u n l.:t •:..-n·é.-<-~t.-r<"' ~. • ~F1·6~f\....o.:.Js.~'• '•.J. • r,,!. J '.a.r7"<4!. '"'l ,.~'"'-'· .~..,.•. cb Pta!ia. t r-u iM ~.,~ d=» P~l"l. . ~... , •. ••(%) :\. ~!}~~~. • M CU ,Oc-5 a:br6.M. ~. a •". t. '..c.o~a" "-v.--.» ~\J C/.S 'SRH l".\.\ (U' .PP.eu-c ' ~~ ,)JJ oc.·o Coosc-l"le> S.ç-:r-<c- d.3 f"~~~••h cb P oe;c-:lt c• P~~:~~_, A:7t.tr..V c Oe-s..t-- ..ct.n • r' o 9..6Ut.:.t.;'(ló? S '\: ""'. 8t ""- '. ltf t~cr'..,rn. « • c;.l..o v S...:.!'tn;,A1.~·~""" G\.t..J .,. ·~. f""'J ... . . . ". • - h<:.lO~f:'•. {B A"'U. w.u.d~lôa dcs~io:."9& l:J '""" • r :-.. '- ~... #.._ ...· t.. t2o>0.• •· O tt? -w h .-..":1 ~ tt:.. ... s• ~'l tG I~I'~«). o A?~t w..-ot"r.c.-c"., tW..~::D"'\OCI#•t."' .I L•' -M. p: a.J'"o c:. ,-...,i.:o. rr...."l..,rJ.u. ® l:~~ls Es.!.»eo ~Prov.,..:.-o:-s. *. ~~~d............ o. ~~. 7)). (~.lq"t'.r.n •.hJ.J. Po;~ •'ll o Uf.Q.-_.. •. M .:WOZ Qt..CI, t.......-P (:'O",('(Y.).;,I A~â"e-.Mcnbr~odv.l. r .»oy.a-"nO G&,Y,'\'1 Oi ftT,.S,:.)!IOf.Q) J:."'O G..lV.V Ít :.OU.' ' O. t.;t,..,., , ~d.:fi. A.·upxc·c.u• c:~r«.ot!JP(_ t t'.a. O. r--~ LJo:\1'> ~x:a tk.~1.!.'u. ~ n1. lu;!f ' I\J t 1'\0 P.I'•""J'. ~.. r on&n·. • Mira H• 1 tCQ"'~~09 t b lX';.P M.'CPRJ.', V:'tl:O. • 1.\~.a. ).)J. (\:'< ll'~r·(A.o. ' t.. d.tl IVY ~ót.l C't l SLN.. ll~~ f-. Un:o:c~..oô"~kn)C~o.~JW 1 !~). 1. 13C:C-OC0)). l'fl'\X-u:G!" r~. ..YClldJd:~ J. U.... ~~-MU ! ».J t"c:-r: boo:>. t !IS&. C.Yfot. U G. Gt:o<?·.A d.t & ".C.>ol 6ô. r,a:t;3. 1 ~'0. I.CRCOSu.r~T'2 · "'-~ ~ Co J(~l f-;.}J P~'«fiCJ d:J S..:0.,1 C:O Prtl...l ~ l.'l:ROO~l..JS.GT1 c..-.:4.\;00d1&.4.· 1 ~cd . troi, ,.'v:.et.M.'. c.'.Xe"'tc:.-._,. -v..-.ç... - t:.x.IG:.:.&-.:...;codJ\IQ.c-·uc:<iRoru laP'Lao'..J, 197\I. O::A.. Figura 1: Localização do Aqiiítero Guarani..

(21) 5. A arquitetura do pacote sedimentar que constitui o AqCtífero Guarani é \ resultante do soerguimento da s bordas da Bacia Sedimentar do Paraná, derrames de lavas basá lticas sobre eles depositados e ela ati vação ele falhamentos e arqueamentos regionais (TRI POLl, 200 1). O Planalto Central do Paraná ocupa as supe1tlcies int ernas da Bacia S~d i menta~- do Paraná,. cuj as bordas mergulham suavemente em direção. à ca llu~. cll. R.io Parana. A borda onental dos patamares representa testemu nhos do recuo da lmh de cuestas e esca rpas, qu e se desenvolvem nas seqüências vulcânicas ela Formaçà Serra Geral e arenitos da Formaçfto Botucatu. Na bord a ocid ental (Mato Grosso do Sul) ocorrem linhas de cristas e escarpas em arenitos das Fonnações Pirambói/ Botucatu, Serra Geral e Aquidauana. A drenagem parte em direção à Depressãb Paraguaia (Pantanal). A Depressão Periférica Central Gaúcha situa-se na porçã cent ral do estado do Rio Grande do Sul, compreend endo a área rebaixada e. dissecad~. da Bacia do Paraná, em particular, na faixa aOorante elo Grupo Rosário do Stll (CHANG, 200 1). Topografi camente, a região da Bacia elo Paraná, ocupad a pelo Sistema AqCtífero Guarani , caracteriza-se por um baixo, coincident e com a calha do Rio Paraná, que se situa entre as cotas ele 300 m (São Paul o) e 200 m (Mato Grosso do Sul). A borda noroeste se encontra em altitud es de 400 m a I000 m; a borda oeste entre 200 m e 400 m. A bord a leste, co incid ente com as escarpas que limitam o Planalto Central do Paraná, apresenta as altitudes mais elevadas, atingindo até 1.200m. O Sistema Aqüífero Guarani, constituído pelos arenitos mesozóicos das Formações Botucatu , Pirambóia e Rosário do Sul, apresenta espessura média ele 250 m e encontra-se recoberto por espesso pacote de basalt o, que chega a atingir 1.500 m de espessura (ROCHA, 1997). O padrão geral de fl uxo é marcado por um escoamento controlado pela elevação relativa elos afl orament os, seguindo uma ) I. orientação geral el e norte para sudoeste, com áreas proeminentes de descarga, locali zadas na Argent ina (ARAÚJO, 1995). Em termos hidrogeológicos, 90% do I Sistema AqCtífero Guarani encontra-se confinado, margeado por faixas alongacl aJ aflorantes, que constituem as zonas ele recarga direta do aqüífero ..

(22) 6. Figura 2: Corte representativo do Aqiiítero Guarani. Fonte: http://www.ambicnte.sp.gov.brlaquifcro/veja_aquifero.htm. A Figura 2 caracteriza um corte no aqüífero, passando por dois estados brasileiros: São Paulo e Goiás. A faixa I representa outro reservatório sob a superficie do estado de São Paulo, chamado Aqüifero Bauru, que se formou posteriormente. A água percola muito devagar pelos poros e leva décadas para caminhar algumas centenas de metros. Devido a este processo de filtragem a água está purificada ao chegar ao ponto 2. No ponto 3, demonstram-se as margens do aqiiifero, onde a erosão expõe pedaços do arenito. São os chamados afloramentos, ou zonas de recarga direta, local por onde também a contaminação pode ocorrer. Nos pontos mais profundos do aqüifero, encontram-se temperaturas elevadas de água. No ponto 4, por exemplo, chega-se a 50°C.. 2.1.2 Recarga e Disponibilidade Hídrica A recarga natural ocorre segundo dois mecanismos: por meio de infiltração direta das águas de chuva na área de afloramento e de forma retardada em parte ela área confinada, por filtração vertical (drenança) ao longo ele descontinuidades das rochas do pacote confinante, onde a carga piezométrica favorece os fluxos descendentes. A Figura 3 apresenta, esquematicamente, as áreas de recarga direta do Aqiiifero. Guarani.. Essas. regiões. de. afloramento. da. correspondem a aproximadamente 10% da área total do sistema.. formação. geológica.

(23) 7. •. llrea oo a lonmm lo do SI\G. . . ... ltnie prot;)Jd. ç. )\). wSI\G. J,.... Figura 3: Áreas de recarga do Aqiiífero Guarani.. Em uma avaliação na porção brasileira, realizada por REBOUÇAS ( 1976), estimou-se a reserva permanente em 48.021 km3 e a reserva reguladora ou ativa em I60 km3/ano, subdivididos em infiltração direta e indireta. Para a estimativa de reserva permanente, foi utilizada uma área total de 800.000 km2 , espessura média de 300 m e porosidade efetiva de 20%. A recarga direta foi calculada considerando-se. uma in.fiJtração direta equivalente a 15% da pluviometria média anual ele I 500 mm, resultando em 225 nun/ano sobre uma área de 87.000 km2 (área de afloramento), resultando em 22 km3/ano. A infiltração indireta, através da formação Serra Geral, foi calculada adotando-se valores de condutividade hjdráulica vertical de 5.1 o-s 1n/s, valor médio de diferença de potencial de IOOm e espessura média de camada confinante de 400 m, resultando em drenança de 138 km3/ano. ROCHA (1997) apresenta uma avaliação atualizada para toda a área elo aqüífero, fornecendo valores de 37.000 kml, para reserva permanente e 160 km3/ano, para reserva ativa. Nesse trabalho, foi adotado o valor ele 25% como índice de reserva explotável, justificado como uma necessidade de planejamento raciona l do.

(24) uso, reduzindo, sobremaneira, o volume correspondente à reserva ati va. Os parâmetros utilizados foram pluviometria tnédia de 1. 500 mm/ano, área de reca rga de 150.000 km2 , área confinada de l milhão km 2 , espessura média de 250 m, porosidade efeti va de 15% e coefi ciente de armazenament o de I 0-4. A Tabela I apresenta resumidamente os dados de reservas do Aqüífero Guarani , estimados por RGBOUÇA S (1 976) e por ROCHA (1997).. Tabela I: Quadro resumo das estimativas volumétricas de reservas permanente e reguladora. --------. Reserva At iva. Infiltração Direta In~l ltração fndireta. Reserva Permanente Reserva Explotável. Rebouças ( 1976). Rocha ( 1997). 22 km3/ano 160 km 3/ano 138 km3/ano 48. 02 1 km3. 37.000 km3 40 km3/ano. A região ocupada no Brasil pelo Sistema Aqüífero Guara ni congrega uma popu lação estimada em 22.662.463 habitantes, distribuídos de forma heterogênea pelos oito estados que sobre ele se assentam. Essa população pode ser classificada como consumidora potencial. Co nsid erando somente os municípios que atualmente possuem uma exploração ativa do aqüífero, esta popul ação é reduzida a 8.444.620 e classificada como co nsumidor efetivo (CHANG, 200 1). Na Figura 4, vemos as relações ela população brasileira que ocupa a região do Aqüífero Guarani e sua distribuição desigual nos estados.. ~.

(25) 9. I. 9 .0 00 .000 8 .000.000. O consum~dor p~t~ncial 0 CO II SUillldOr e ! Cil \'0. I. 7.0 00 .000. ... =. ~. "' :.õ -="'. 6.0 00 .000. r5.000.000 r-. ~. -. 4.000.000 3.0 00.000 2.0 00 .000 1.000.0 00. o. ~-. -. ~. rrrt- ~ RS. se. I' R. I h ll1 SP. ~!G. li!S. Cl ~IT. C1 GO. es tados. f igura 4: Distribuição da população dos estados brasileiros na região ocupada pelo aqiiífcro (CHANG, 2001). Com base em informações de 930 poços cadastrados, subsidiou-se a avaliação preliminar do uso atual do Aqüífero Guarani (CHANG, 2001). Na Tabela 2 nota-se, ·>. claramente, a distribuição desigual de poços nos estados brasileiros sendo, 54,6% no Estado de São Paulo, 20,4% no Estado do Rio Grande do Sul, 12,2% no Estado do Mato Grosso do Sul, 9,7% no Estado do Paraná, I ,5% no Estado de Santa Catarina, 0,9% no Estado de Minas Gerais, 0,5% no Estado elo Mato Grosso e 0,2% no Estado ele Goiás. Essa má distribuição decorre da alta concentração de poços próximos a regiões de afloramento elo aqiiífero e da má distribuição da população (consumidor efetivo). Em termos volumétricos, São Paulo extrai quase dois terços da produção atual. Mato Grosso do Sul explora o equivalente a 12%, seguido por Rio Grande do Sul (6%) e Paraná (5%) . Os outros quatro estados, individualmente, exploram menos que 2%, totalizando um volume anual estimado em 500 milhões de m3 , obtido utilizando a vazão de produção (ou de teste) reportada, multiplicada pelo período de operação do poço. Com relação ao tipo de uso, revela-se que aproximadamente dois terços (77%) dos poços destinam-se à captação de água para consumo urbano, sendo os outros 23% igualmente divididos entre os usos rural e industrial. Em termos volumétricos, a participação do uso urbano salta para 87%, deixando 9% para uso industrial e 4% para uso rural..

(26) lO. Tabela 2: Número de poços cadastrados c do volume de produção para cada estado brasileiro.. Estado. número de poços cada s tr:ulo.~. Goi;'1s Mato Grosso Minas Gerais Santa Catarina Para n;í Mato Grosso do Sul Rio Grande do Sul Silo Paulo. 2.2. Vazão (rn3/ano). 2 5 7 1-1 90 lll 19 1 508. 377.775 3.842.333 ó.gGO.ó79 2 1.208.3 98 -1 7.82 1.716 2-1.53 1.797 292.42R.-168. Recarga de Aqüífero. ;;. O aspecto mais import ante em um estudo de recarga é o entendimento do mecanismo ele recarga dentro elo contexto geral elo ciclo hidrológico da bacia, independentemente do enfoqu e adot ado. Definindo, conceitualmente, os tipos ele recarga para aqüíferos livres, VRTES e SlMM ERS (2002) apresentam simpli tlcaclamente: •. reca rga direta: água excedent e ela umidade do solo, com percolação direta através da zona não-saturada, adicionada ao reservatório subt errâneo com déficit ele evapotranspiração;. e. recarga indireta: percolação da água do leit o de cursos superficiais para o resetvatório de água subterrânea;. •. recarga localizada: uma fo rma int ermediári a de recarga ele água subt errânea, resu ltado da concentração superficial ele água na ausencia de canais bem cletlnidos.. Para o caso ele. aqiií~ero. confinado, como o Sistema Aqüítero Guarani , a. recarga indireta pode ocorrer at ravés de infiltração, em fraturas ex.istcntes nas camadas confinantes do aqüífero. Em algum as regiões, os meca tüsmos ele recarga ocorrem em conjunto. Esses meca nismos resultam em recarga direta, indireta ou localizada. A Figura 5 esquematiza os mecanismos de recarga..

(27) li. Prccip Ílaçiio. E. Ru n-oll' r:tu xo Su bte ml neo. Rccnrga Din.:tn. E. Recargn l.ocalii'adn. Rccnrga lndin.:tn. E: pcrd ns por cvapo transpiraç:lo. Figura 5: Mecanismos de Recarga (VRJ ES e S !MMERS, 2002). O método convencional de cálculo da reca rga consiste em reali zar o balanço híd rico com fronteira superior na superfl cie do solo, subtraindo-se, da precipitação, as "perd as", identillcada s sob a forma de vazão no rio e evapotranspiração. A precisão desse método depende da precisão dos dados de precipitação, vazão e pa11icularmente da evapotranpiraçâo rea l, a qual é a parcela mais dificil de ser quantificada com a mesma precisão das demais. É importante sa lientar o conceito de recarga potencial e real. Assim, entende-se. como recarga potencial a água que percola a partir da zona de raízes; a parte dessa água que atinge o aqüífero é denominada recarga real (POMPÊO, 1990). Segundo MACHADO ( 1996), os métodos convencionais ele cálculo ela recarga, baseados nos traba lhos de PENMAN e GRlNDLEY, subestimam a recarga. Trabalhos experimentai s realizados por KlTCH ING ( 1979), com li sín1etros de l 00 m2 de úrea, forn eceram resultados para a recarga 175 % maiores que os obtidos pelos métodos teóricos convencionais. WElNZETTEL et ai. (2002) aplicaram dois métodos independentes para estimar a recarga, a partir de dados coletados em uma região plana na Argentina. O primeiro método é uma apli cação diretô da equação ele Dôrcy, para um escoa mento plano de 120 em de profundidade, enquanto o segundo método levou em conta um balanço ele água baseado nos dados do nivel ele {tguas subt errâneas, usando o.

(28) 12. programa Visual Balélll. Ambos os métodos resultaram em uma recarga ele 11 % (expressa em porcentagem de precipitação ele chuva no mesmo período). CARRlCA e LEXOW (2002) consideraram que a recarga diária do aqüífero no Arroyo Napostá Grande (Argentina) ocorre por reca rga preferencial (macroporos e fendas) e recargas locali zadas no cone ele aluvião. A recarga foi estimada utilizandose diariamente programas de balanço hídri co: Visual Balan V.l.O e Balsh011 V.3 (modificado por Can·iça em 1993). A recarga encontrada estava entre 7 e 8,5% ela precipitação. SCOZZA1'A VA e TALLINl (200 I) aplicaram o método de balanço hídrico de Thornthwaite para llm sistema hiclrologicamente cárstico, em Gran Sasso Massi f, região central da ftália . Para estimar o "runoft'', integrou-se o método CN (US Soil Conservation Service) ao método de Thornthwaite, adicionando-se ao ba lanço hídrico o "runoft" em áreas endorréicas e ava liando-se a neve derretida nas áreas de montanhas. A média de infilt ração estimada foi de 53% da precipitação anual. Com base em um modelo ele balanço hídri co e modelo ele escoamento de águas subterrâneas, CT-ffiN, et ai. (2002) propuseram um modelo empírico que relaciona variáveis climáticas com o nível de água subterrânea. O modelo empírico foi testado, usando-se dados parciais de registros históricos de níveis de água de mais ele 80 poços em uma rede monitorada do aqüífero de rochas ca rbonatas, ao sul de Manitoba, Canada. Os resultados elos testes mostram que a previsão elos níveis de água subterrânea é muito próxima da observada na maioria dos casos. O coeficiente de correlação médi o geral entre a previsão e o nível ele água observado é 0,92. JOC SON, et ai. (2002) estimaram a reca rga baseados em diferenças entre precipitações diárias e tanques de evaporação para o Aqüí l'ero Guam Lens do Norte, Guam (Jihas 1vlariana). A recarga foi estimada em 67% da média anual de precipitação, aproximadamente. Hid rogramas diários de níveis de poços co ntra quantidade de precipitação diária indicam que a taxa de recarga é função da intensidade ele precipitação e da saturação relativa ela zona vadosa. Juntas, estas variáveis determinam o grau em que as águas de chuva se convertem em tluxos rápidos, através ele caminh os preferenciais, ao invés de fil trar lentament e at ravés da mesma..

(29) 13. FERRARJ, et ai. (2002) instalaram 67 poços, com 3 m de prorundidade, no Parque Ecológico elo Tietê, Município ele São Paulo, para observar a influência da infiltração sobre as cargas hidráu licas. A quantificação da infiltração foi também reali zada através ele 6 lisímetros. Notou -se que, durante a estação chu vosa, as precipitações ele um dia antes das medida s de níveis d'água são as que mais intluem na carga hidráu lica, apesar de grupos específicos de poços apresentarem relações distintas com a precipitação e carga hi dráulica, por influência das árvores (interceptação e evapotran spiraçâo). A reca rga potencial é de cerca de 46% das precipitações que ocorrem na área e 60% desta recarga potencial constitui a reca rga real ou efetiva. OTTO (2002), analisou a recarga de água subterrânea, transferindo resultados disponíveis de lisímetros para out ra região, para comparar dados dentro da área ele estudo. Ca lculou-se a quantidade potencial de percolação, utili zando-se eq uação de lisímetro. Determinou-se a taxa de recarga e, posteriormente, subtraiu-se o escoamento superficial, que foi ca lculado para a área inteira . A taxa de recarga foi calculada para duas áreas: região sudeste de Holstein, nort e da Alemanha (aproximadamente 1.392 knl) e área potencial el e exploração de água subterrânea. Essas áreas estão localizadas em Elbe e no vale do Rio Steckniz. Para a área potencial ele exploração, nos subt'trbios ele llamburgo ( I IO km2 ), estimou -se uma taxa de recarga anual de 18,5 mil nr1. Os resultados demonstraram que, atualment e, 65% dessa taxa de recarga é retirada para o abastecimento de água nessas regiões. FrP Al ( 1996) estimou, para a região el e Ribeirão Preto (zona ele aOoramento elo Aqi.iífero Guarani), uma taxa de infLltraçâo de 20,3 %da precipitação (298,2 mm/a) e uma taxa de recarga de 4,7 % da precipitação (69,0 mm/a). Esses valores foram estimados. at ravés. el e. balanço. hídrico. rea lizado. com. base. em. dados. hidroclimatológicos de 1985 a 1994. A evapotranspiração foi estimada pelo método ele Thornthwaite. ANDO ("apud" CONTlN 1988), rea lizou um estudo el a recarga, através ele balanços ele massa, em uma bacia hidrográfica de 4,4 ha. ,nos subú rbios ele Tóquio, instrumentada com medidores ele evapot ranspiração, chu va, umidade ele solo, níveis ele lençol freático e vazão. Uma importante conclu são desse estudo, de interesse para.

(30) l~. este trabalho, é o fato da recarga do aqüífero ser proporcional ao excesso de umidade da porção não-saturada. Quando se considera a recarga de um aqüífero fJ·eático, como a variação do nível elo lençol, produ zida exclu sivament e por infiltração de água proveni ente da chuva, podem-se usar métodos ele correlaçào entre dados de chuva e dados de níveis de lenço l. Com esse enfoqu e, foram desenvolvid os modelos de série temporais. São modelos tipo "caixa-preta", em qu e as entradas são intensidades de chuva e as saídas são níveis elo lenço l freát ico. Nesse sentido, VlSWANATHAN ( 1984) propôs um modelo em que o nível elo lençol em um dia "i" é considerado como uma fimção linear do nível do dia (i- 1) e das intensidades de chuvas nos dias i, i- 1, ... i-6. Os coeficientes envolvidos nessa relação são considerados variáveis com o tempo. O modelo foi aplicado em uma situação real para três condições: coefi cientes constantes, coefi cientes variáveis com o tempo e com o mesmo "peso" para todos os coeficientes e coefi cientes variáveis, com diferentes taxas ele variação. A terceira condição mostrou-se a melhor. Para a situação real, conclusões. interessantes para esta pesqu isa toram: •. a maior parte ela recarga dá-se no mesmo dia ele ocorrência da chuva e o nível de recarga depende muito da intensidade e antecedentes da chu va;. o. chuvas isoladas, mesmo da ordem de 25 mm/ dia, não produziram alt eração significativa nos 1úveis elo lençol freático.. Resumidamente, conclui-se que a taxa de reca rga pod e va riar entre 7 e 67% do volume precipitado. Essa grande variação decorre das condições climáticas, topográficas e pedológicas específicas ele cada região de estudo.. 2.3. Infiltração. Os mecan ismos de recarga demonstrados no it em anterior (2.2), mostram a relevância elo fenômeno ele infiltração para o processo de recarga direta. A infiltração é um processo pelo qual a água penetra nas ca madas superfi ciais do solo c se move para baixo, em direção ao lençol d'água. Essa úgua preenche inicialment e as deficiências de umidade do solo e, em seguid a, qualquer quantid ade.

(31) 15. excedente desloca-se para baixo, em função da ação da gravidade, e torna-se recarga de reservatório de água subterrâneo (LIBARDI, 1995). A precipitação, ao atingir a superficie do terreno, pode tornar-se escoamento superficial ou infiltração, dependendo da intensidade da chuva exceder ou não a capacidade de infiJtração, definida por ser a proporção máxima com que um so lo é capaz de absorver água. Há fatores no solo que intervêm na capacidade de infiltração, como: umidade, permeabilidade, temperatura e profimdidade do extrato impermeável. A permeabilidade é o fator preponderante no fenômeno de infiltração. (RIGHETTO, 1998). O solo, observado do ponto de vista hidrogeológico, divide-se em duas camadas: a zona saturada e a não-saturada (insaturada, vadosa). É importante esta caracterização, pois a percolação de fluxo na zona saturada difere da zona nãosaturada.. Nfvel da llgui'l. r. c. Q. N. Figura 6: Esquema representativo do solo f.'onte: http://www.a mbiente.sp.gov.brlaquifero. A zona não-saturada, conJ1ecida também por zona de aeração, insaturada, ou vadosa caracteriza-se pelo fato de seus poros serem preenchidos por água e ar. O responsável pela presença de água nessa região é o processo de adsorção das moléculas da água para a superfície das moléculas do so lo. A Figura 6 mostra que esta camada inclui a zona do solo, onde se encontram as raízes da cobertura vegetal..

(32) )(i. '·'. Vi sualizanclo-se a zona não-saturada, observam-se duas camadas bem di stint as. Causados pela presença de vegetação, ocorrem processos fi siol ógicos na zona elas raízes. Ma is abaixo, o moviment o da água é co nseqüência somente dos processos fisicos resultantes ela ação ela força el a gravidade, ela fricção e matricial (ação ele força s de ca pilaridade e ele adsorção do solo sobre a água) (RJGHETTO, 1998). A zona saturada caracteriza-se por possuir os poros do solo totalmente preenchidos por água. A Figura 6 subdivide a zona saturada em duas camadas. A franja capilar é a faixa sobreposta à zona de saturação, ela qual é uma continuação. É mantida acima da superfície fl·eática pela ação de capilaridade, que se contrapõe à força ela gravidade. A espessura da fi·anja capilar é função da dimensão ellcaz da partícula elo solo e, geralmente, aumenta quando a dimensão elo grão diminui.. 2.3.1 Escoamento em solos saturados. No ano de 1856, o engenheiro hidráulico Hemy Darcy realizou uma experi ência sobre in filtração vertical ele água em filtro s ele areia homogênea sob condições de saturação (LfBARDI, 1995). Através desse ex perimento, Darcy concluiu que a vazão por esse conduto é diretament e proporcional à área de sua seção transversa l, à diferença ele carga hidráuli ca ent re dois pontos e inversament e proporcional ao comprimento ela coluna elo meio poroso que a mesma percorria. A relação é corrigid a por uma constante de proporcional idade, denominada condutiviclade hid ráulica. Equacionando estes parâmetros, temos: O = K .A (112 , I. 11,). Eq. 2. 1. onde,. - em nr1/s; _ e' a vazao, O ,,. K é a constante ele proporcionali dade ou conclutiviclade hidráulica, em m/s; As é a área ela seção transversal, em m2 ; (h 2-h1) é diferença de carga hidráulica entre dois pontos, em m; I é a distância entre os pontos, em m..

(33) 17. No caso ma1 s geral, isto é, quando as três dimensões prec1sam ser consideradas, ainda para meio isotrópico com relação a K, a equação 2. I pode ser generalizada para:. -q = - K·Vh. Eq.2.2. onde,. -. q é o tluxo em m/s (vetor) em qualquer direção no espaço; -. Vh é o gradiente ele carga hidráu lica, de mesma direção ele q A lei ele Darcy é vá lida para escoamentos com velocidade muito baixa, que caracteri za os escoamentos laminares, ou seja para o número de Reynolds menor que 1 (BEAR, L972). Para outros aut ores, esse limite pode chegar até 1O.. 2.3.2 Escoamento em solos não-saturados. Devido à continuidade geológica e também a um contínuo movimento da água entre o domínio superficia l e subsuperftcial, os processos hidrológicos superficiais e subt errâneos ocorrem através da zona não-saturada do solo (VAN BAVEL, 1969 "apud" POtviPÊO, J990). Em particular, a solução elos problemas de 111igração ele umidade em solos é el e interesse hiclrogeológico para estimativas ele recarga, descarga, origem e formação da água subterrânea. A zona não-saturada do solo possui seus poros preenchidos por água e ar: O moviment o ela água neste sistema co mposto por grãos minerais sólidos, água e ar, é mais complexo que abaixo do ní vel elo lençol freático, onde o espaço poroso é totalmente preenchido por água. A umidade e a condutividade hidráulica são propriedades elo solo que, int errelacionadas, caracterizam o fluxo na zona nãosa turada. O primeiro trabalho conh ecido que apresenta uma equação que quantifica o. movimento da água em condição ele solo não-saturado, é o de Bucki ngham em 1907 (LlBARDI, t/J111. L995).. Ele. introduziu,. na. Ciência. elo. Solo,. as. fimçôes. = t/J (o) c K = K(B), na ocasião, chamou-as de " potencial capilar" e "conclutiviclacle 111. capilar", respecti vament e. Baseado nesse conceito, a lei de Darcy foi genera lizada para:.

(34) IX. --q. = - K(B)· V<Pm(e). Eq. 2.3. ~. onde q é o flu xo (m/s); K(B) a função co ndutiviclacle hidráulica (m/s); </Jm(BJ a função potencial mátrico e (), a umid ade volumétrica do solo. Os resultados apresentados elos li símetros e elas medições de carga hidráulica correlacionadas com as precipitações comprovaram a rápida velocidade do processo de recarga (FERRARJ; et ai. , 2002). Apesar desse processo ser rápido, o regime de infiltração apresenta diferenças durante a estação seca e chuvosa. Essas diferenças estão associadas, principalment e, às quantidades de precipitações, em cada estação, mas também sofrem a influência de outros mecanismos que controlam a recarga, como a int erceptação e evapotranspiração da s árvores.. 2.4. Evapotranspiração. Em solos vegetados, o processo combinado ele evaporação pela superficie elo solo e transpiração pelas plantas é chamado ele evapotranspiração. THORNTHWA ITE ( 1948) l'o i o pioneiro na defini ção da evapotra nspiração potencial. Ele a definiu como sendo a perda de água para a atmosfera através de uma superfí cie natural coberta com vegetação nativa, sem restrição ele água no solo. Quando uma das condições citadas não for atendida, tem-se a evapotranspiração real. PENlvlAN ( 1956), posteriormente, definiu a evapotranspiraçâo potencial como a quanti dade de água transferida para a atmosfera, na unidade de tempo, por uma cultura verde, de pequeno pOiie, em cresciment o ativo e sem restri ção hídri ca. Para estimar a evapotranspi ração, deve-se considerar a distribuição vertical de umid ade do solo, isto é a di sponibilidade de água para a evaporação e as condições meteorológicas regionais reinant es. Portanto, para utilizar equações semi-empíricas, RIGHETTO ( 1998) apresenta as clefirüçõ es de evapotranspiração: o. evapot ranspiração potencial ou de referência: corresponde à perda de água de uma superfície cobert·a com grama batatais em fase ele crescimento ativo, bem suprid a de umidade, no centro ele uma área irrigada com dimensões que permitam desprezar o transporte horizontal de vapor d'água;.

(35) 19. •. eva potranspiração real: é a evapotranspiração de uma superfície sob condições naturais de vegetação e de umidade de água no solo;. •. evapotranspiração máxi ma: corresponde à perda de água de uma superticie vegetada qualquer em condições ideais de umidade do solo para o desenvolvimento elas plantas.. J Al\tl ES ( 1988) ressalta que, se a água armazenada no solo não tb r fator. limit ant e e se os estômatos estiverem totalmente abertos, as condições atmosféri cas são os fatores que controlam a evapotranspi ração. Os fat ores atmosféricos mais importantes no processo são: a radiação solar, a umidade relat iva, a temperat ura, o vento e a precipitação. Face à importância, para a agricultu ra , elo conhecimento do balanço lúdrico de uma dada região e a determinação das necessid ades hídricas elas culturas, cuj os valores são potencialmente determinados pela evapotranspiração, inúmeros trabalhos tb ram desenvolvidos objet ivando quantificar os parâmetros envolvidos nesta estimativa. Para isso, foram uti li zados dados obtidos através de eq uipamentos instalados no campo e empregados modelos teóricos, que variam ele métodos mais simples que co rrelacionam determinados elementos do clima até mod elos que se fi.llldam entaram no processo fí sico da evaporação.. 2.4.1 Método de Penman. Os primeiros trabalhos de Penman com evaporação natural foram publicados na década de 40. O método uti lizou o déficit de saturação do ar pa ra estimar a evapo ração potencial em supe1ilcie natural de água. Em 1952, Penman propôs uma adaptação da sua equação para obt er diretamente a transpiração potencial em gramado. O método é de natureza puramente fl sica, embora tenha aspectos empíri cos, por utili zar a temperatura elo ar em lugar ela temperatura da supert1cie evaporant e, como é empregada na clássica equação de Dalton (CAMARGO & CAl\ti.A RGO, 2000). A equação de Pcnman teve várias modificações. RJGHETTO ( 1998) apresenta a formulação do método, para estimar a evaporação diári a (E) em mm/d para solos vegetados, como:.

(36) 20. RA ,~ L I ,, t: =-=---1'1 + 1 - Ll+v.~. sendo R, a radiação solar líquida (cal/cn/.d), L, o ca lor latente de vaporização, considerado constante de 59 ca l/mm, y, a constante psicrométrica (0.67 mb/K), 1'1, a derivada da pressão parcial máx ima de vapor da água ( es) em relação à temperatura (em mb/K) e Ea, em mm/d calculado pela equação. E,, = 0,27(a, + b,u )(e, para a 1 =. L e h 1 = 0,00625. - e). (considerando superllcie vegetada) e. 11. a velocidade média. do vento em km/d. Calculando-se a pressão de saturação (es) e a pressão parcial de vapor (e) por: 7.51. e e = UR.e,. onde I é a temperatura do ar em °C, UR é a umidade relativa do ar e es e e são obtidos em mb. A derivada de es em relação à temperat ura (1'1) é calculada utilizando-se a temperatura média em K, sendo: /1 =LI098(. e. , )" T - 35,7-. A rad iação líquida (R) é obtid a por: R = E,... (a. +b. ~)(l - a) - aT (0,56 - o,o78Fe{O, I + 0,9 ~) 1. onde E,a é a irracliância solar no topo ela atmosfera em cal/c!, a o albedo da superfície igual a 0,05, a e b sfto constantes locais (para o Estado de São Paulo a 0,58),. 11. =. 0,24 e b =. é a inso lação em horas, N é a insolação máxima em horas (tabelado) e. 0. éa. constante de Stelà n-Bo ltzmarm ( I, 17. 1o-7 cal/d.K). Este método, proposto por Penman, co mbina os efeitos de bala nço de energia e aerodinàmico e despreza o tluxo ele calor no solo.. 2.4.2 Método de Thornthwaite. THORNTHW AITE,. em. 1944 , apresentou sua prrmena equação para. cletermjnação ela evapotranspiração potencial (Etp). envolvendo o comprimento do.

(37) 21. dia, a temperatura média diária e a umidade relativa do ar. Ao refinar a equação, o termo ele umidade relativa foi suprimido. O método utili za a temperatura méd ia mensal para est imar a evapotranspiração potencial (PONCE, 1989). Ele tem por base um índ ice de eficiência de temperatura anual J, detlnido como a soma de 12 va lores mensais de índice de calor l. Cada índice I é uma função da temperatura média mensal T, em °C, como segue:. A evapotranspiraçi'ío potencial, em mm , é dada por:. Ft,. = l 6.K( I~/'J. onde K é o comprimento médio dos dias do mês (tabelado) e c é calculado por: c = 6,75. 1o-. 7. ..1 3 -7,7 1.1 o 5 . ./ 2. +o,o179 1../ + 0,492. A efi cácia da equação foi constatada através de numerosos balanços hídricos climáticos, reali zados em vári as pa11es do mundo, comparando-se os excedentes hídricos obtidos com dados de escoamentos de bacias hidrológicas. O modelo de Thornthwaite. l'unciona. adequadamente. em. regiões. de. clima. úmido,. independenten1ente ela latitude e da altitude. Em condições de aridez, o modelo subestima, com freq üência, a evapotranspiraçâo potencial. Em situação de superumidade topoclimáti ca, ao contrário, pode superest imar a ETp (CAMARGO & CAJ\!IARGO, 2000).. 2.5. Lisímetro. Um li símctro consiste em um grande reservatório impermeável lateralmente, colocado em uma área previamente escavada , com superficie da ordem de 4 a 6 m2 e prolimdidade superi or à zona de raízes. O reservatório é preenchido com solo e vegetação, de forma a reconstruir uma condição real. Um sistema de drenagem, instalado no fundo elo li símetro, permite a coleta ele água percolacla pelo solo. O primeiro relato ela utili zação ele um lisímetro ocorreu na França, em 1688, quando De La Hirc usou recipientes de chumbo preenchidos com solo argila-arenoso.