Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr.http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/

Prof. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neveshttp://www.ctec.ufal.br/professor/mgn/Centro de Tecnologia-Ctecguas Subterrneas e hidrulica de poos

Sumrio da aula

Parte 1 guas subterrneasO que so guas subterrneas;O que so aquferos;Tipos de aquferos;Impactos ambientais sobre aquferos;Propriedades hidrogeolgicas dos aquferos;Lei de Darcy;Exerccios

Parte 2 Hidrulica de PoosTipos de poos;Elementos da hidrulica de poos;Dimensionamento de poos;Exerccios

guas subterrneasDo ponto de vista hidrolgico, a gua encontrada na zona saturada do solo dita subterrneazona saturadaEm geral, exige menos tratamento antes do consumo do que a gua superficial, em funo de uma qualidade inicial melhor.

Em regies ridas e semi-ridas pode ser o nico recurso disponvel paraconsumo.

guas subterrneas

Fatores limitantesporosidade do subsolo: a presena de argila no solo diminui sua permeabilidade, no permitindo uma grande infiltrao;cobertura vegetal: um solo coberto por vegetao mais permevel do que um solo desmatado;inclinao do terreno: em declividades acentuadas a gua corre mais rapidamente, diminuindo a possibilidade de infiltrao;tipo de chuva: chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas tm mais tempo para se infiltrarem

Percolao

abastecimento dos aqferos (mantm vazo dos rios durante as estiagens);Reduo do escoamento superficial: cheias, eroso a passagem de gua da zona no-saturada (zona de aerao) paraa zona saturada

guas subterrneas

Distribuio de guas

ReservatrioVolume (%)Tempo mdio de permannciaOceanos944.000 anosGalerias e capas de gelo210 1.000 anosguas subterrneas42 semanas a 10.000 anosLagos, rios, pntanos e reservatrios artificiais.< 0,012 semanas a 10 anosUmidade nos solos< 0,012 semanas a 1 anoBiosfera< 0,011 semanaAtmosfera< 0,0110 dias

Ocorrncia das guas subterrneas

No mundo

Volume aprox. de 10.360.230 km3 (100 vezes mais abundante que as guas superficiais)

Alguns especialistas indicam que a quantidade de gua subterrnea pode chegar at 60 milhes de km3, mas a sua ocorrncia em grandes profundidades pode impossibilitar seu uso

Por essa razo, a quantidade passvel de ser captada estaria a menos de 4.000 metros de profundidade, compreendendo cerca de 8 e 10 milhes de km3

No Brasil

as reservas de gua subterrnea so estimadas em 112.000 km3 (112 trilhes de m3) e a contribuio multianual mdia descarga dos rios da ordem de 2.400 km3/ano (2 % do volume)

Nem todas as formaes geolgicas possuem caractersticas hidrodinmicas que possibilitem a extrao econmica de gua subterrnea para atendimento de mdias e grandes vazes pontuais

As vazes j obtidas por poos variam, no Brasil, desde menos de 1 m3/h at mais de 1.000 m3/hOcorrncia das guas subterrneas

Ocorrncia das guas subterrneas

Em Macei

1974 - Incio da explorao das guas subterrneas devido a uma sria crise de abastecimento na cidade

at 1987 a CASAL tinha perfurado 50 poos

1987 Nova crise de abastecimento que culminou com a implantao de um programa emergencial de perfurao de poos profundos

A estimativa atual de 153 poos perfurados pela CASAL e muitos outros clandestinamente

80% do abastecimento provm de guas subterrneas

Falta de gesto resultou na reduo do N.E., salinizao e poluio das guas

Qualidade das guas subterrneas

Durante o percurso no qual a gua percola entre os poros do subsolo e das rochas, ocorre a depurao da mesma atravs de uma srie 'de processos fsico-qumicos e bacteriolgicos, tais como:

troca inicadecaimento radioativoremoo de slidos em suspensoneutralizao de pH em meio porosoeliminao de microorganismos devido ausncia de nutrientes e oxignio que os viabilizem

Ou seja, as guas subterrneas so filtradas e purificadas naturalmente no processo de percolao

Uso das guas subterrneas

A explorao de gua subterrnea est condicionada a fatores quantitativos, qualitativos e econmicos:

Quantidade: intimamente ligada condutividade hidrulica e ao coeficiente de armazenamento dos terrenos

Qualidade: influenciada pela composio das rochas e condies climticas e de renovao das guas

Econmico: depende da profundidade do aqfero e das condies de bombeamento.

O que um aqufero?Derivado do Latim, a palavra aqufero quer dizer: carregar gua.Unidades rochosas ou de sedimentos, porosas e permeveis, que armazenam e transmitem volumes significativos de gua subterrnea passvel de ser explorada

Em oposio ao termo aqufero, utiliza-se o termo AQUICLUDE para definir unidades geolgicas que apesar de saturadas e com grande quantidade de gua absorvida lentamente, so incapazes de transmitir um volume significativo de gua

AQUIFUGOS

So unidades Geolgicas que no apresentam poros interconectados e no absorvem e nem transmitem a gua.

Principais AquferosFormaoBarreiras

O Aqufero GuaraniO Aqufero Guarani a maior reserva subterrnea de gua doce do mundo, sendo tambm um dos maiores em todas as categoriasVolume de aproximadamente 55 mil km e profundidade mxima por volta de 1.800 m, com uma capacidade de recarregamento de aproximadamente 166 km ao ano por precipitao dito que esta vasta reserva subterrnea pode fornecer gua potvel ao mundo por duzentos anos

O Aqufero GuaraniNo Brasil, o aqufero guarani integra o territrio de oito estados:

Mato Grosso do Sul 213 200 kmRio Grande do Sul 157 600 kmSo Paulo 155 800 kmParan131 300 kmGois55 000 kmMinas Gerais51 300 kmSanta Catarina49 200 kmMato Grosso26 400 km

Aquferos em MaceiExposio da Formao Barreiras em todo o domnio dos tabuleiros costeiros recobrindo a Bacia de Alagoas

Aquferos em Macei

Aquferos em MaceiBarreiras alimentao das guas subterrneas do MaritubaSistema Aqfero Barreiras Marituba mais importante da rea

AQUFEROS E TIPOS DE POROSIDADE

Tipos de aqufero

Tipos de aqufero

aquele formado por rochas sedimentares consolidadas, sedimentos inconsolidados ou solos arenosos, onde a circulao da gua se faz nos poros formados entre os gros de areia, silte e argila de granulao variadaAqufero poroso ou sedimentar

Formado por rochas gneas, metamrficas ou cristalinas, duras e macias, onde a circulao da gua se faz nas fraturas, fendas e falhas, abertas devido ao movimento tectnico

Ex.: basalto, granitos, gabros, files de quartzo, etc.. Poos perfurados nessas rochas fornecem poucos metros cbicos de gua por horaAqufero fraturado ou fissural

Formado em rochas calcreas ou carbonticas, onde a circulao da gua se faz nas fraturas e outras descontinuidades (diclases) que resultaram da dissoluo do carbonato pela gua. Essas aberturas podem atingir grandes dimenses, criando, nesse caso, verdadeiros rios subterrneos Aqufero crstico (Karst)

Aqufero crstico (Karst)

Tipos de aquferosLivres So aqueles cujo o topo demarcado pelo nvel fretico, estando em contato com a atmosfera. Normalmente ocorrem a profundidades de alguns metros a poucas dezenas de metros da superfcieSuspensos So acumulaes de guas sobre aquicludes, na zona insaturada, formando nveis lentiformes de aqferos livres acima do nvel fretico principalConfinados ocorre quando um estrato permevel (aqufero) est confinado entre duas unidades pouco permeveis (aquiclude) ou impermeveis

Funes dos aquferosProduo: consumo humano, industrial ou irrigao

Estocagem e regularizao: estocar excedentes de gua que ocorrem durante as enchentes dos rios

Filtro: corresponde utilizao da capacidade filtrante e de depurao bio-geoqumica do macio natural permevel

Transporte: utilizado como um sistema de transporte de gua entre zonas de recarga artificial ou natural e reas de extrao excessiva

Estratgica: o gerenciamento integrado das guas subterrneas

Energtica: aquecimento pelo gradiente geotermal como fonte de energia eltrica ou termal

Mantenedora: mantm o fluxo de base dos rios

Qual so os impactos sobre os aquferos?Os Impactos Ambientais diferenciam em sua causa e efeitoFontes de poluio

QUAIS SO OS IMPACTOS?Contaminao por agrotxicos em solos que no favorece a degradao do agentes qumicos, principalmente na zona de recarga dos aqferos

Superexplorao de aquiferos, que a explorao da gua subterrnea que ultrapassa os limites de produo das reservas reguladoras ou ativas do aqfero, iniciando um processo de rebaixamento do nvel potenciomtrico do mesmo

Impactos Ambientais sobre os aquferos

Subsidncia de solos movimento para baixo ou afundamento do solo causado pela perda de suporte subjacente, que leva ao colapso das construes civisAvano da cunha salina avano da gua do mar em superfcie , sobre a gua doce salinizando o aquferoOs aquferos costeiros fluem quase sempre para o mar, em gradiente varivelImpactos Ambientais sobre os aquferos

Impactos Ambientais sobre os aquferos

Impactos Ambientais sobre os aquferos

No encontro subterrneo da gua doce com a gua salgada forma-se uma interface denominada cunha salina. Por ser mais densa, a gua salgada fica abaixo da gua doce, permitindo que poos bem prximos praia ainda captem gua doceS em casos de intensa explotao, a cunha salina pode avanar terra a dentro, salinizando os poos. Isto quase que acontece na praia de Boa Viagem, na cidade do Recife, exigindo a interveno governamental, que proibiu a perfurao de novos poos naquela reaImpactos Ambientais sobre os aquferos

O avano da cunha salina pode salinizar no s os poos , mas tambm as estruturas de ao e concreto de edifcios prximos ao maro aqfero Barreiras na zona urbana de Macei, originalmente com guas de boa qualidade, vem sendo em algumas reas gradativamente contaminadas por guas salinizadas da Formao Marituba, por meio da ascenso vertical de cones salinos, devido a explotao intensiva desse sistemaImpactos Ambientais sobre os aquferos

Impactos Ambientais sobre os aquferos

Impactos Ambientais sobre os aquferos

GDOMAPA DE VULNERABILIDADEImpactos Ambientais sobre os aquferos

rea de cultivoImpactos Ambientais sobre os aquferos

rea sem informaoSituao PreocupanteSituao PreocupanteImpactos Ambientais sobre os aquferosLagoa da coca-cola, aterro, lixo, estruturas de sade, postos de combustvel

Porosidade razo entre o volume de vazios e o volume totalDepende da forma, do grau de compactao e da distribuio do tamanho das partculasPropriedades Hidrogeolgicas

MaterialIntervaloMdiaLimite inferiorLimite superiorArgila0,340,570,42Silte0,340,610,46Areia fina0,260,530,43Areia grossa0,310,460,39Cascalho fino0,250,380,34Cascalho grosso0,240,360,28

Umidade ou reteno ou contedo volumtrico da gua razo entre o volume de gua e o volume total; para condies saturadas, todos os vazios esto preenchidos com gua e, portanto, a umidade dita saturada e se aproxima do valor da porosidade:Varia de zero (meio poroso completamente seco) at o valor mximo (porosidade) curva de retenoq tende para um valor constante, quando a presso capilar aumenta indefinidamente. O valor de q para o qual d q /dc 0 chamado reteno especfica qr Propriedades Hidrogeolgicas

Umidade q = 0 meioPoroso completamente secoq = qr retenoespecficaq = h todos osporos preenchidospor guaqr parmetro razoavelmente constante, sobretudo para areias e cascalhosPropriedades Hidrogeolgicas

Armazenabilidade coeficientes de armazenamentoAqufero fretico

porosidade efetiva ou eficaz ou produo especfica ou ainda capacidade especfica (e) volume drenvel por gravidade / volume total

porosidade aparente ou coeficiente de armazenamento (S) volume retirado / reduo de volume devido ao rebaixamentoPropriedades Hidrogeolgicas

Porosidade efetiva (e)Onde:e = porosidade efetivaVD = volume de gua drenada por gravidadeVt = volume totalPropriedades Hidrogeolgicas

Aqufero fretico porosidade aparente ou coeficiente dearmazenamento (S)Propriedades HidrogeolgicasS = Vb / Vr

Aqufero fretico

Nos aquferos livres o valor do coeficiente de armazenamento coincide praticamente com o valor da porosidade eficaz, seu valor costumando oscilar entre 0,01 e 0,04. Propriedades Hidrogeolgicas

Propriedades HidrogeolgicasAqufero confinado

Armazenamento especfico ou armazenabilidade especfica (SS) volume retirado por unidade de volume do aqufero, resultante do decrscimo de carga piezomtrica de 1 m.c.a.

Coeficiente de armazenamento (S) semelhante ao anterior aqufero de rea unitria e espessura constante bArmazenabilidade coeficientes de armazenamento

Aqufero confinado

SS e S dependem dos coeficientes decompressibilidade da gua (b) e daestrutura de sedimento que compe o meioporoso (a) SS = r.g.h.(a + b)

S = SS.b

para a faixa de temperaturas de gua subterrneas usualmente encontradas constante e igual a 4,4 x 10-10m2/NPropriedades Hidrogeolgicas

Coeficiente de Armazenamento (S)Volume de gua liberado por uma unidade de rea do aqfero quando a linha piezomtrica abaixa 1m1ma) freticosaqiclude1mA=1m2aqferoNvel da guaA=1m2Superfcie potenciomtricab) confinadoS = Ss . bPropriedades Hidrogeolgicas

ExerccioNa figura, dois aquferos esto superpostos, sendo queo aqufero 1 livre, formadopor areias limpas e comcoeficientes de porosidadeiguais a:

Porosidade total h = 30%Porosidade eficaz ou efetiva he = 20%

Calcular o volume total degua armazenada no aqufero 1e o volume total de guaextravel por bombeamento deste aqufero

ExerccioAqufero livre Se h = 30%, significa que, no volume totalsaturado Vt, 30% composto por gua

Vt = 10 . 2.000 . 50.000 = 109 m3 Vgua = 0,3 . 109 = 3.108 m3

Por outro lado, se he = 20% , significa que, em Vt, 20% composto por gua que pode ser drenada por gravidade

Vd = 0,2 . 109 = 2.108 m3

Vol. retido aps drenagem por gravidade: Vr = Vgua - Vd = 108 m3 Este volume retido representa a capacidade de campo

Observe que Vr/Vt = 108 / 109 m3 / m3 = 0,1 = 0,3 0,2 = h he

Atravs de um poo de bombeamento, retirou-se vazo constante Q = 100m3/h. Observou-se o rebaixamento do nvel da gua com 2 poos deobservao a 50 e 100m do primeiro. Inicialmente a superfcie piezomtricaestava na cota 100m; aps 20 horas de bombeamento as cotas nos poos deobservao estabilizaram nas cotas 99,3 e 99,8m. Admitindo que o cone dedepresso pode ser expresso por uma funo exponencial, determine S.s = s0.a-rExerccio

ExerccioDurante 20 horas, foram bombeados 100 m3/h . 20 h = 2.000 m3

Volume dV = dA.s = 2.p.r.s dr da equao s = s0.a-r :

Volume rebaixado

Os valores dos coeficientes a e s0 so obtidos com os pontos(s,r): (0,70m, 50,0m) e (0,20m, 100,0m) a = 1,025 es0 = 24,1m

Assim, V = 12.617 m3 S = 2.000 m3 / 12.617 m3 = 0,158

Propriedades HidrogeolgicasCondutividade Hidrulica K medida da habilidade de um aqfero conduzir gua atravs do meio poroso; expressa em m/dia, m/s, mm/h [K = v/(dh/dx)].

Condutividade Hidrulica a no resistncia ao fluxo, por exemplo:

Na areia a velocidade do fluxo maior, ento K maior

Na argila a velocidade do fluxo menor, ento o K menor

Propriedades HidrogeolgicasTrasmissividade T taxa volumtrica de fluxo atravs de uma seco de espessura b

T = K . b

Onde: T a coeficiente de transmissividade (m2/s) K a condutividade hidrulica (m/dia; m/s); b a espessura do aqfero confinado (m).

Lei de DarcyHipteses: escoamento permanente (Q = constante) meio homogneo e isotrpico saturado ( mesmo solo e mesmas propriedades nas trs direes Kx = Ky = Kz = Ks = K

Lei de DarcyPerda de carga = decrscimo na carga hidrulica pela dissipao de energia devida ao atrito no meio poroso.O sinal negativo denota que a carga diminui a medida que x aumentaA Lei de Darcy rege o escoamento da gua nos solos saturados e representada pela seguinte equao: Onde:V = velocidade da gua atravs do meio poroso;K = condutividade hidrulica saturadadh = variao de Carga Piezomtricadx = variao de comprimento na direo do fluxo dh/dx = perda de carga

Q = fluxo de gua (m3/s)A = rea (m2)H = carga (m)L = distncia (m)K = condutividade hidrulica (m/s)Lei de Darcy

h1= carga hidrulica no piezmetro 1 [L]h2= carga hidrulica no piezmetro 2 [L]Z1 = carga hidrulica no piezmetro 1 [L]Z2 = carga hidrulica no piezmetro 2 [L]Q = vazo constante que passa pelo cilindro [L3T-1]A = rea da seo transversal do cilindro[L2]h = variao de carga hidrulica entre os piezmetros 1 e 2 [L]L = distncia entre os piezmetros 1 e 2 [L]K = coeficiente de proporcionalidade, chamado de condutividade hidrulica [L/T]Lei de Darcy

A= l .hv = k . dh/dxQ = v. A Q = (k.dh/dx).(l.h)Q = k.l.h.dh/dx

Integrando:As cargas h1 e h2 so avaliadas atravs de piezmetrosQ = k.l.(h12 - h22)/(2.L)Lei de Darcy (Aqufero Livre)

Algumas Definies ImportantesPerda de Carga: Decrscimo na carga hidrulica causada pela dissipao de energia (frico no meio poroso)

Para o aqufero livre (ou fretico):

Nvel Fretico ou Nvel de gua (NA): Altura da gua de um aqufero no-confinado, fretico ou livre medida num poo de observao.

Superfcie Fretica: Superfcie cujos pontos em relao igual ao nvel de gua no aqufero fretico.

Calcule a vazo no aqfero livre. Dados: K= 1 x 10-3 m/s e I = 10mExerccioQ = k.l.(h12 - h22)/(2.L)h1 = 10mh2 = 7mQ = 0,00032 m3/s

Q = V . AQ =[ K . dh/dx] . AComo: A = l . b , ento:Q = K . l . b . dh/dx

Integrando:As cargas h1 e h2 so avaliadas atravs de manmetrosQ = k.l.b.(h1 - h2)/LLei de Darcy (Aqufero Confinado)

Perda de Carga: Decrscimo na carga hidrulica causada pela dissipao de energia (frico no meio poroso).

Para o Aqufero Confinado:

Carga Piezomtrica ou Altura Piezomtrica: Altura da gua de um aqufero confinado medida num piezmetro em relao ao fundo do aqfero (z + P/).

Superfcie Piezomtrica: Superfcie cujos pontos esto em elevao igual altura piezomtricaAlgumas Definies Importantes

Calcule a vazo no aqfero confinado. Dados: K= 1 x 10-3 m/s l = 10mExerccioQ = k.l.b.(h1- h2)/Lh1 - h2 = 3mb = 5mQ = 0,0019 m3/s

Propriedades Hidrogeolgicas de aquferos nacionais

Propriedades Hidrogeolgicas de aquferos nacionaisBacia sedimentar do Paran grande volume armazenado formao Botucatu o principal aqufero

K entre 0,03 a 0,10 m/h

T entre 12 e 40 m2/h

S entre 10-3 e 10-5

Aquferos em MaceiRMM domnio fraturado ocorrncia na parte oeste e noroeste da RMM nos municpios de Messias, rio Largo e Pilar Sistema Aqfero Fissural

Produtividade baixa Q mdia de 3,985 m3/h e Q especfica mdia inferior a 0,380 m3/h/m;A qualidade fsico-qumica da gua em geral muito boa;carter anisotrpico no permite uma definio local da superfcie potenciomtrica rea de ocorrncia dela controlada pela topografia e localmente orienta-se segundo os vales das drenagens superficiais;nvel esttico mdio de 5,78 metros, com profundidades que variam entre 0,36 e 33 metros;Alimentao realizada por infiltrao direta da chuva, por contribuio das guas acumuladas nas coberturas inconsolidadas, e por infiltrao a partir da rede de drenagem superficial;Sadas evapotranspirao (principal natural), pequenos crregos e as descargas de base aps os perodos de chuva. Artificial poos tubulares existentes.

Aquferos em MaceiO domnio intersticial ou poroso composto pelos SistemasAqferos da Bacia de Alagoas, Formao Barreiras e Sedimentos de Praia e Aluvio.

Bacia de Alagoas: Coqueiro Seco, com baixa potencialidade com transmissividade mdia de 6,7 x 10-5 m2/s; Macei, com valores predominantemente baixos de T mdia de 2,7 x 10-4 m2/s e condutividade hidrulica (K) mdia de 5,0 x 10-6 m/s; Poo, com baixa potencialidade com T mdia de 1,116 x 10-4 m2/s; Marituba, com mdia a baixa potencialidade, com T = 2,0 x 10-2 m2/s e K = 4,0 x 10-6 m/s. Recarga do Sistema Aqfero Marituba exclusivamente por percolao vertical, atravs da Formao Barreiras e dos Sedimentos de Praia e Aluvio

Aquferos em MaceiO domnio intersticial ou poroso composto pelos SistemasAqferos da Bacia de Alagoas, Formao Barreiras e Sedimentos de Praia e Aluvio.

Formao Barreiras: sistema de potencial mdio Apresenta nveis de K elevada (10-3 m/s) e nveis muito menos permeveis (10-8 m/s). T = 4,7 x 10-3 m2/s, K = 1,3 x 10-4 m/s e S = 2,9 x 10-4. as guas so consideradas doces, no apresentando problemas de potabilidade a nvel regional e predominando o tipo cloretada sdica. Aqferos Barreiras e Marituba em amplas reas em estado de comunicao permanente nico sistema hidrulico Sistema Aqfero Barreiras Marituba

Sedimentos de Praia e Aluvio: baixa potencialidade, grande variao dosparmetros hidrodinmicos

Cavalcante et al (1992) aqfero Barreiras isolado apresentou apenas 57,4% das transmissividades acima de 36 m2/h

18% dos poos testados com transmissividade inferior a 0,36 m2/hQuadro 4.1/1 Correlao Transmissividade x AqferoNo trabalho original esse ttulo foi designado apenas como Formaes Geolgicas; BAR = Barreiras; PIAmt = Piaabuu membro Marituba; MUR = Muribeca; CS = Coqueiro Seco

Fonte: Plano Diretor Paraba, Sumama e Remdios

INTERVALO DE T(m2/s)Aqfero ou Sistema Aqfero*BARBAR/PIAmtBAR/MURCS< 10-5 1,60 2,04 0,0 0,010-5 10-416,40 4,08 8,71100,0010-4 10-324,60 8,1630,43 0,010-3 10-245,9071,4330,43 0,0> 10-211,5014,2930,43 0,0

Propriedades Hidrogeolgicas de aquferos nacionais

Propriedades Hidrogeolgicas de aquferos nacionais

Propriedades Hidrogeolgicas de aquferos nacionais