aula 10 - Águas superficiais e subterrâneas

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  • 1Engenharia Civil 2012

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    GUAS SUPERFICIAIS E SUBTERRNEAS

    UTFPR - Curitiba

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    Ronaldo L. S. IZZO, D.Sc.

    [email protected]

    http://paginapessoal.utfpr.edu.br/izzo

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    ESCOAMENTO SUPERFICIAL

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    3GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEA

    CICLO HIDROLGICO

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    Intercmbio entre os reservatrios

    (oceanos, geleiras, rios, lagos, vapor dgua, guasubterrnea, gua retida nos seres vivos)

    Ciclo Hidrolgico da gua

    energia solar. Esse ciclo governado

    no solo e subsolo gravidade, bem como pelo tipo edensidade da cobertura vegetal

    na atmosfera e superfcies lquidas pelos elementos efatores climticos, como por exemplo temperatura do arintensidade de radiao solar, fatores responsveis pelosprocesso de circulao dos oceanos para a atmosfera.

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    5GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEAGUAS SUPERFICIAIS

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    6GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEA

    BALANO HDRICO

    BACIA HIDROGRFICA

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    Bacia de Drenagem definida como uma rea de

    captao da gua, demarcada por divisores topogrficos,

    onde toda a gua captada converge para um nico ponto

    de sada. Os rios so os principais componentes das

    bacias de drenagem.

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    PADRES DE DRENAGEM

    As drenagens apresentam padres caractersticos em

    funo do tipo de litologia e estruturas geolgicas

    ocorrentes.

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    Dendritico ramos irregulares de canais em vrias direes,comuns em rochas macias e em acamadamentos planos derochas. Nessa situao, diferenas na resistncia da rocha so totnues que o controle das direes de crescimento dos vales desprezvel.

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    Paralelo ou subparalelo Canais que se formaram em superfciesinclinadas sobre rochas homogneas. Riachos, canais sofreqentemente observados em cortes de estrada recentes ouescavaes inclinaes moderadas.

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    Radial Canais radiais como raios de uma roda, de uma reatopograficamente elevada tal como um domo ou um conevulcnico.

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    Retangular sistema de canais marcados por curvas em ngulosretos. Geralmente resultantes da presena de juntas e fraturas emrochas macias ou foliaes em rochas metamrficas. Taisestruturas com seus padres de seo transversal tm guiado asdirees dos vales.

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    Treliado Arranjo retangular de canais com as correntesalimentadoras principais paralelas e bastante longas, como videirasou em padro de trelias. Esse padro comum em reas ondeexistem bordas de afloramento de rochas sedimentares dobradas.Ambas, fracas e resistentes, formam cintures longos eaproximadamente paralelos.

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    Anular Correntes seguem caminhos aproximadamentecirculares e concntricos ao longo de rochas brandas quecircundam um domo ou embasamento onde a eroso expssucessivamente cintures de rochas de diferentes graus deeroso.

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    Centripetal Correntes convergem em direo a uma depressocentral tal como uma cratera vulcnica, uma caldeira, umembasamento estrutural, um domo erodido ou um embasamentocriado por dissoluo da rocha carbontica.

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    Desordenado Correntes apresentam completa falta de arranjo eajuste com as estruturas e rochas. Caracterstica de terrenosrecentemente degelados onde as caractersticas do terreno foramremodeladas por processos anteriores ao congelamento.

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    FASES DOS RIOS

    Fase Juvenil:

    excesso de energia predomina eroso e transporte,cabeceiras;

    Fase Madura:

    trechos mdios, energia mais baixa, mais transporte e menoseroso;

    Fase Senil:

    energia muito baixa, transporte e muita deposio, planciesde inundao.

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    COMPORTAMENTO DAS DRENAGENS EM RELAOAO SUBSTRATO

    EM ROCHAS SEDIMENTARES Rios Conseqentes correm segundo a declividade do terreno,

    em concordncia com o mergulho das camadas;

    Rios Subseqentes tm seu curso controlado por

    descontinuidades (falhas, juntas);

    Rios Obseqentes tm seu fluxo no sentido oposto

    declividade (mergulho) das camadas, em geral descem escarpas

    e desembocam em rios subseqentes.

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    COMPORTAMENTO DAS DRENAGENS EM RELAOAO SUBSTRATO

    EM ROCHAS GNEAS: Rios Antecedentes entalham seu curso rapidamente,

    contemporneo a um processo tectnico (ex. falhamento), ou j

    existiam antes do processo;

    Rios Superimpostos ocorre sobre coberturas sedimentares com

    substrato cristalino, o rio estabelece seu curso sem influncia

    das estruturas do embasamento cristalino.

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    RIOS SISTEMAS DE DRENAGEM MORFOLOGIA DOSCANAIS

    Parmetros Morfomtricos (Morfologia dos canais de drenagem) Sinuosidade

    relao entre comprimento do talvegue e comprimento dovale (>1.5 alta,

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    Em funo dos parmetros morfomtricos pode-se caracterizar 4padres bsicos de canais de rios:

    Retilneo Meandrante Entrelaado Anastomosado

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    22GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEA

    ESCOAMENTO SUPERFICIAL

    PROBLEMAS ?

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    RIOS PROCESSOS FLUVIAIS (EROSO, TRANSPORTE)

    EROSO

    A eroso provocada por um rio depender das condies dasmargens e do seu fluxo: Laminar (velocidade baixa)

    Turbulento (velocidade alta)

    Transporte Trao (arraste, rolamento e saltao)

    Suspenso (partculas finas)

    Misto

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    24GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEAGUAS SUPERFICIAIS

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    RIOS PROCESSOS FLUVIAIS (DEPOSIO)

    A deposio em sistemas de drenagem ocorre principalmente como

    depsitos aluviais de rios e leques.

    Esses depsitos so de grande importncia econmica, uma vez

    que podem hospedar recursos minerais (placers aurferos,

    diamantferos, cassiterita, deps. carvo e outros).

    Seu estudo permite caracterizar a evoluo do sistema de drenagem

    e da prpria bacia.

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    RIOS E ENGENHARIA

    FUNDAES DE PONTES

    O fenmeno de remoo ou eroso de partculas dos leitos dos rios,especialmente durante as cheias, com o aprofundamento do seuleito denominado de solapamento.

    Importncia

    Determinao da profundidade mnima de fundaes de pontes.

    Potencialidade de solapamento do curso de gua.

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    FUNDAES DE PONTES

    A profundidade mnima determinada pela condio absoluta de que a

    base da fundao dever estar obrigatoriamente pelo menos um metro

    abaixo do nvel que o curso de gua poder erodir durante as cheias.

    Nas sees do rio em que ele possui um canal com margens elevadas que

    o impeam de espraiar-se a eroso pode atingir grandes profundidades.

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    FUNDAES DE PONTES

    A presena de pilares ao longo do leito do rio aumenta a intensidade dosolapamento uma vez que so pontos crticos de obstruo da corrente(diminuio da seo / aumento da velocidade de fluxo).

    Esses problemas com fundaes so intensificados tambm nas curvas dorio na sua parte convexa dos meandros. Nessas reas as fundaes devemser mais profundas em comparao s fundaes nas margens cncavas.Uma regra emprica indica que as fundaes devem ter comprimento 4vezes maior (4h) que a variao mdia (h) entre o nvel normal e o nvelmximo.

    Solapamento originado por enxurradas (o fluxo de alta energia retiramaterial do fundo do rio aumentando sua profundidade, principalmentequando o rio tem margens altas que o impedem de espraiar-se).

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    LOCAO DE PONTES E CAPTAO DE GUA

    Evitar a localizao de pontes, estradas e pontos de captao degua em sistema fluvial meandrante de rios com fluxo intenso degua onde possa haver o abandono do meandro em perodos curtosde tempo, sob o risco de inutilizao da obra de engenharia.

    PLANCIES ALUVIAIS

    Do ponto de vista da engenharia essa plancies tem um interessemuito grande j que esto associados a elas grandes problemas taiscomo recalque das argilas, presena de lenol fretico a baixasprofundidades, complicando obras de escavao e de fundaes(exige fundaes profundas).

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    ESCOAMENTO SUBTERRNEO

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    GUAS SUBTERRNEAS

    As guas de superfcie (lagos, represas e rios) e guas subterrneas(aqferos) no so recursos necessariamente independentes.

    Em muitos casos podem existir ligaes entre corpos de guasuperficial e aqferos. Dependendo da carga potenciomtricaentre o rio e o aqfero, a gua pode fluir do rio para o aqfero ouvice-versa.

    Definio e Origem: gua subterrnea toda a gua que ocupa osvazios em formaes rochosas ou nos solos. originadapredominantemente da infiltrao das guas das chuvas. Ainfiltrao o processo mais importante de recarga da gua nosubsolo.

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    A recarga depende:

    Tipo de rocha e solo (porosidade e permeabilidade)

    Cobertura vegetal (favorece a infiltrao pelas razes das

    plantas)

    Topografia (superfcies planas favorecem a infiltrao)

    Precipitao (chuvas regulares favorecem a infiltrao)

    Ocupao do solo

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    Profundidade: A maior parte da gua subterrnea ocorre em at750m de profundidade. Abaixo disso a porosidade das rochasdiminui muito e conseqentemente a gua tambm diminui.Furos profundos j detectaram gua a 10 km de profundidade.A coluna de gua pode ter at 10km de espessura, a partir dasuperfcie.

    Zona no saturada (vadosa ou de aerao): a partir da superfcie constituda por material (solo e /ou rocha) onde os espaos abertos(poros) so parcialmente preenchidos por gua e parcialmentepreenchidos por ar.

    Zona saturada (fretica): regio abaixo da zona saturada onde osporos so totalmente preenchidos por gua.

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    Nvel fretico NA (dgua): limite entre a zona no saturada e asaturada. Pode ser medida por poos onde a altura dgua marca oNA. O NA tende a acompanhar o relevo da superfcie.

    Zona de capilaridade: regio acima do NA onde a gua sobe(acima do NA) alguns centmetros ou at mesmo vriosdecmetros,por processos de capilaridade (fora adesiva lquido-solo que impele a guapor pequenos tubos capilares abertos depende do tipo desedimento).

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    36GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEA

    Meio no-saturado

    Meio - saturado

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    37GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEA

    INFILTRAO

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    INFILTRAO E RECARGA

    O ciclo hidrolgico mostra que a ocorrncia de gua subterrnearesulta principalmente da infiltrao atravs do solo, dos cursossuperficiais e dos vales, que coletam a guas de precipitaes(chuva, neve, granizo, orvalho, geada).Em alguns lugares os aqferos so rapidamente reabastecidos pelachuva, em outros a gua superficial de rios e lagos alimenta osreservatrios subterrneos quando o nvel desses mananciais desuperfcie for mais elevado que o da superfcie do aqfero equando o leito do rio ou fundo do lago for permevel.Se o corpo de gua superficial suprir a zona de saturao serchamado de influente e ao contrrio se o aqfero subterrneo seinfiltrar no corpo de gua superficial esse ser chamado deefluente.

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    39GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEAGUAS SUBTERRNEAS

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    POROSIDADE

    a propriedade fsica definida pela relao entre o volume deporos e o volume total de um material. Em uma rocha sedimentarclstica, a porosidade vai depender da maior ou menoruniformidade dos gros, ou seja, da sua seleo. Portanto, quantomaior for a uniformidade dos gros, maior ser a porosidade, poisnum sedimento mal selecionado as partculas menores ocuparo osespaos existentes entre as maiores, ocasionando uma diminuiode porosidade.Porosidade primria (intergranular): desenvolve-se junto comformao da rocha, tpica de rochas sedimentares;Porosidade secundria: desenvolve-se aps a formao da rocha,ex. porosidade por fraturas, porosidade crstica.

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    PERMEABILIDADE

    a propriedade dos materiais de conduzirem a gua. Depende do

    tamanho dos poros e da conexo entre eles. Esse o principal fator

    que determina a disponibilidade de gua subterrnea.

    Dessa maneira pode-se verificar que os cascalhos e as areias

    grosseiras bem selecionadas apresentam permeabilidade elevada,

    ao contrrio das argilas dotadas de elevada porosidade, mas de

    pequena permeabilidade que no permite a passagem de gua que

    fica retida nos interstcios microscpicos por foras de atrao

    molecular e de absoro.

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    FONTES

    Fluxo de gua subterrnea que emerge naturalmente na superfcie.

    Uma variao vertical ou horizontal na permeabilidade a base

    para a ocorrncia de fontes. Em certas circunstncias o lenol

    fretico pode interceptar o a superfcie do terreno, ocasionando o

    afloramento de gua na superfcie.

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    AQUFERO

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    AQFEROS

    So reservatrios de gua subterrnea. Litologias porosas epermeveis que armazenam e transmitem volumes significativosde gua subterrnea passvel de ser explorada.

    Nota: unidades litolgicas que apesar de saturadas tem poucapermeabilidade so denominadas aqicludes. Unidades litolgicasque possuem pouca porosidade e pouca permeabilidade so osaqfugos.

    Exemplos de bons aqferos: sedimentos inconsolidados, arenitos,conglomerados, calcrios crsticos, gneas e metamrficas comalto grau de fraturamento.

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    AQUFERO LIVRE

    AQUFERO CONFINADO

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    AQFEROS LIVRES, SUSPENSOS E CONFINADOS

    AQFEROS LIVRES so aqueles cujo topo demarcado pelonvel fretico, estando em contato com a atmosfera. Normalmenteocorrem com pouca profundidade.

    AQFEROS SUSPENSOS so acumulaes de gua na zonainsaturada sobre litologias impermeveis formando aqferoslivres acima do NA principal.

    AQFEROS CONFINADOS so acumulaes de gua emestrato permevel e poroso que ocorrem entre dois estratosimpermeveis, onde a gua est sob a ao da presso atmosfricae tambm da coluna de gua localizada no estrato permevel.Ocorrem em situaes profundas.

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    47GUA SUPERFICIAL E SUBTERRNEAGUAS SUBTERRNEAS

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    AQFEROS LIVRE E SUSPENSO

    Uma das ocorrncias de gua subterrneas o chamado aqferosuspenso.Trata-se de um falso lenol criado pela existncia de um estratoimpermevel, normalmente com concavidade voltada parasuperfcie, que capta as guas de infiltrao e as armazena, dando aidia de ser um lenol fretico tpico.

    Pode conduzir ao projeto de grandes obras de impermeabilizaoquando na verdade trata-se de um lenol suspenso.A locao de poos de produo tambm pode ser prejudicada pelofcil esgotamento ou pelo atravessamento da camada selante e acondenao do aqfero ao esgotamento.

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    AQFERO CONFINADO

    A zona de saturao pode ser constituda de camadas permeveis eimpermeveis. As camadas permeveis so aqferos.Quando um aqfero se encontra entre duas camadas impermeveisdiz-se estar confinado.Aqferos confinados podem, em determinadas situaes originar ofenmeno de artesianismo ou poos jorrantes (artesianos).O artesianismo se d pela presso hidrosttica da coluna de guaque ocorre entre a zona de recarga do aqfero confinado e umponto em profundidade dentro do aqfero alcanado pelaperfurao de um poo. O poo ao perfurar o aqfero permite aascenso de gua pelo princpio dos vasos comunicantes e a guajorra tentando atingir a altura da zona de recarga.

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    AQFERO CONFINADO

    necessrio:

    a) Seqncia de estratos inclinados onde um estrato permevel

    encontre-se entre estratos impermeveis;

    b) Situao geomtrica em que o estrato permevel intercepte a

    superfcie, permitindo a recarga de gua nesta camada.

    c) Perfurao de poo que atinja o aqfero e esteja com a boca

    abaixo da superfcie potenciomtrica.

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    POOS EM OPERAO CONE DE DEPRESSO

    O rebaixamento do nvel da gua subterrnea em uma determinadarea envolve a formao de um cone de depresso, decorrente davazo de bombeamento do poo.Se a vazo de bombeamento for maior que a vazo de recarga irocorrer a reduo do nvel fretico.A locao de diversos poos contguos bastante comum paraobter um resultado de rebaixamento mais rpido e eficiente para arealizao da obra subterrnea e a prpria impermeabilizao.Em poos onde a inteno no o rebaixamento do nvel fretico esim a produo de gua sempre importante estar-se atento para avariao do nvel fretico com relao sazonalidade daintensidade pluviomtrica da regio, correndo-se o risco de projetarpoos rasos em uma estao de chuvas que podem ficar situadosacima do nvel fretico em perodos de estiagem.

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