UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JULIO DE MESQUITA FILHO” INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E CIÊNCIAS EXATAS MATHEUS AUGUSTO C. BRANDT Trabalho de Formatura Curso de Graduação em ENGENHARIA AMBIENTAL ''MAPEAMENTO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA DA COBERTURA DO AQUÍFERO GUARANI, SITUADO NA BACIA HIDROGRÁFICA DOS RIOS JACARÉ- GUAÇÚ E JACARÉ-PEPIRA, NA PORÇÃO CENTRO- NORTE DO ESTADO DE SÃO PAULO'' Orientador: Profº. Drº. José Ricardo Sturaro Rio Claro - SP 2010 MATHEUS AUGUSTO C. BRANDT ''MAPEAMENTO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA DA COBERTURA DO AQUÍFERO GUARANÍ, SITUADO NA BACIA HIDROGRÁFICA DOS RIOS JACARÉ- GUAÇÚ E JACARÉ-PEPIRA, NA PORÇÃO CENTRO- NORTE DO ESTADO DE SÃO PAULO'' Trabalho de Formatura apresentado ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas, Campus de Rio Claro (SP), da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, para obtenção do grau de Engenheiro Ambiental. Comissão Examinadora José Ricardo Sturaro José Ricardo Melges Bortolin Gilda Carneiro Ferreira Rio Claro, 06 de Dezembro de 2010. _______________________ _____________________ Matheus Augusto C. Brandt José Ricardo Sturaro “A entrada para a mente do homem é o que ele aprende, a saída é o que ele realiza. Se sua mente não for alimentada por um fornecimento contínuo de novas idéias, que ele põe a trabalhar com um propósito, e se não houver uma saída por uma ação, sua mente torna-se estagnada. Tal mente é um perigo para o indivíduo que a possue e inútil para a comunidade.” Jeremias W. Jenks AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente ao Profº. Sturaro, pelo apoio e pela confiança. Aos que fizeram parte do trabalho, João e Alan, nos extrovertidos trabalhos de campo ou nas trocas de informações. Aos bixos Tatu e Di César, pela ajuda nos trabalhos em laboratório. A minha família, sempre incentivadora e interessada pelo desenvolvimento do trabalho. A minha companheira Ridânia, por ter me motivado constantemente. Tenho a agradecer pelo companheirismo de todos meus amigos e pelos momentos de descontração durante o trabalho, principalmente a Coki, Catita, Bodão, Feioso, de Deus, Biral, Sushi e Topo. A todos que eu esqueci, mas que sabem quão importante foram durante este ano. RESUMO Tendo em vista a importância da preservação da qualidade das águas do Aquífero Guarani, este trabalho efetuado na bacia Hidrográfica dos rios Jacaré-Guaçu e Jacaré-Pepira, localizada na porção centro-norte do estado de São Paulo, foi feito no sentido de mapear a condutividade hidráulica a partir do emprego de alguns métodos empíricos associados à análise granulométrica e com ensaios in situ, especificamente com o Permeâmetro de Guelph. Todos os resultados foram submetidos a uma análise de correlação e posteriormente mapeados por meio da metodologia de mínima curvatura, fundamentada nas técnicas numéricas “Spline”. Estes procedimentos fornecerão subsídios para estudos de vulnerabilidade aquífero e auxiliarão na tomada de decisões em projetos ambientais e diretrizes de planejamento urbano. Palavras-chave: condutividade hidráulica; granulometria; análise de correlação; mapas; vulnerabilidade. ABSTRACT Given the importance of preserving the water quality of the Guarani Aquifer, the work done in the hydrographic basin of the rivers Jacaré-Guaçú e Jacaré-Pepira, located in the central-northern São Paulo state, was made to map the hydraulic conductivity from the use of some empirical methods associated with granulometric analysis and in situ testing, specifically with the Guelph permeameter. All results were submitted to a correlation analysis and subsequently mapped using the methodology of minimum curvature, based on numerical techniques "Spline". These procedures provide for studies of aquifer vulnerability and assist in decision making in environmental projects and guidelines for urban planning. Keywords: hydraulic conductivity, texture, correlation analysis, maps; vulnerability. Sumário 1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 4 2 MOTIVAÇÃO DE TEMA ............................................................................................ 5 3 OBJETIVOS ................................................................................................................... 5 4 ÁREA DE ESTUDOS .................................................................................................... 6 4.1 Localização .................................................................................................................. 6 4.2 Geologia Regional ....................................................................................................... 7 4.2.1 GRUPO SÃO BENTO .......................................................................................... 7 4.2.2 GRUPO BAURU .................................................................................................. 8 4.3. Sistema Aquífero Guaraní .......................................................................................... 9 5. MÉTODOLOGIA E ETAPAS DE TRABALHO ......................................................... 11 5.1. Ensaios de permeabilidade com permeâmetro de Guelph (coleta de dados no campo) .................................................................................................................................. 11 5.2. Determinação da Condutividade Hidráulica a Partir de Ensaios de granulometria ...................................................................................................................... 14 5.2.1 MÉTODO EMPÍRICO DE HAZEN ................................................................... 17 5.2.2 CURVAS DE BREDDIN.....................................................................................17 5.3. Estudos de Correlação e Elaboração de Mapas ...................................................... 19 5.3.1. ANÁLISE DE REGRESSÃO ............................................................................... 19 5.3.3. INTERPOLAÇÃO DE DADOS NA ELABORAÇÃO DE MAPAS ................... 20 6. RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................... 20 6.1. Elaboração das Curvas Granulométricas ............................................................... 21 6.2. Teores de Areia .......................................................................................................... 24 6.3. Permeabilidade por Breddin .................................................................................... 25 6.4. Permeabilidade por Hazen ....................................................................................... 27 6.5. Permeabilidade pelo Permeâmetro de Guelph ....................................................... 29 6.6. Correlação Linear Simples ....................................................................................... 32 7 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 33 BIBLIOGRAFIA .....................................................................................................34 4 1 INTRODUÇÃO Segundo Lousada (2005), a condutividade hidráulica, denominada neste trabalho de CH, é uma característica do solo de permitir o escoamento de água entre seus espaços vazios. Essa propriedade é associada com as propriedades específicas de cada solo (porosidade, textura/estrutura e granulometria). Dessa forma, pode-se avaliar o valor do Coeficiente de Condutividade Hidráulica através de métodos empíricos, realizados em laboratório por meio de ensaios granulométricos, bem como por métodos em campo, como o uso de um permeâmetro (GASPAR 2006). Segundo Brady (1983), qualquer fator que exerça influência sobre o tamanho e a configuração dos poros do solo, exercerá também influência sobre a condutividade hidráulica, sendo os macroporos responsáveis pela maior parte da movimentação saturada da água no solo. É possível relacionar a vulnerabilidade de contaminação das águas subterrâneas com a condutividade hidráulica de uma área, pois quanto mais permeável o solo, maior a capacidade de percolação de algum contaminante. A crescente expansão urbana, aliada à falta de planejamento de controle das zonas de risco, a contaminação de águas subterrâneas pode resultar em desastres ambientais irreversíveis. O estudo foi desenvolvido em uma importante área de recarga do Aquífero Guarani que se apresenta aflorante em parte significativa da região, sobretudo exposta a diversas ações antrópicas que inclui atividades urbanas, agrícolas e industriais. Portanto, o projeto em questão foi feito para caracterizar a propriedade condutividade hidráulica pontual e sua propagação no espaço, baseado em ensaios geotécnicos, para auxiliar na caracterização espacial das áreas de riscos de contaminação das áreas de recarga do aquífero Guarani. A área de estudos situa-se na porção central do estado de São Paulo, localizada na confluência das bacias hidrográficas dos rios Jacaré-Guaçu e Jacaré-Pepira. 5 2 MOTIVAÇÃO DE TEMA Dentro do contexto dos estudos iniciados por Sturaro (2008), Sims (2009) e Queluz (2009), cujos trabalhos estão voltados para o estudo da vulnerabilidade natural de uma área de recarga do Aquífero Guarani, a variável CH representa uma propriedade de elevada importância. Desta forma, este trabalho tem como motivação a aplicação de técnicas empíricas associadas à granulometria e outra, mais definitiva, como os ensaios in situ utilizando o Permeâmetro de Guelph. Subsequentemente, empregou-se as técnicas de correlação linear para comparação dos métodos, assim como técnicas específicas para o mapeamento da CH. 3 OBJETIVOS O principal objetivo deste trabalho foi mapear, por método de interpolação, a condutividade hidráulica em uma área de recarga do Aquífero Guarani. Desta forma, foram feito o cálculo desta variável através de métodos empíricos e de campo. Este procedimento permitiu comparar os resultados da condutividade hidráulica, por meio de regressão linear, utilizando-se o coeficiente de correlação. Esta técnica foi utilizada com vista em avaliar a consistência dos dados. 6 4 ÁREA DE ESTUDOS 4.1 Localização A área objeto de estudo faz parte da Bacia Sedimentar do Paraná, e está situada na porção central do estado de São Paulo, em uma área de aproximadamente 954 km 2 , na confluência das bacias hidrográficas dos rios Jacaré-Guaçu e Jacaré-Pepira (Sistema Jacaré). Esse sistema é atualmente classificado, no estado de São Paulo, como pertencente à Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos 13 do sistema de bacias Tietê-Jacaré (UGRH-13). A UGRH-13 abrange uma área de 6.748 Km 2 e localiza-se geograficamente entre os paralelos 21° 37’ e 22° 31’ de latitude sul e os meridianos 47° 43’ e 49° 02’ de longitude oeste, como pode-se observar na Figura 1. Figura 1 – Mapa de localização da área de estudo 7 4.2 Geologia Regional A geologia da área de estudo é composta por rochas sedimentares e cristalinas pertencentes ao Grupo São Bento e Grupo Bauru. As rochas do Grupo São Bento na área de estudo compreende os arenitos das Formações Pirambóia e Botucatu, recobertos por derrames basálticos da Formação Serra Geral. O Grupo Bauru na área de estudo é representado por arenitos e lamitos da Formação Adamantina (Figura 2). Figura 2 – Mapa das Formações Geológicas do Sistema Jacaré. FONTE: RABELO, 2006 4.2.1 GRUPO SÃO BENTO Formação Botucatu A Formação Botucatu engloba depósitos fluviais na base e eólicos no topo, de granulação fina a média, boa seleção de grãos foscos e alta esfericidade, de coloração avermelhada, apresentando na base corpos de arenitos conglomeráticos, com estratificação cruzada de grande porte que recobriam as camadas paleozóicas (IPT, 1981). As estruturas sedimentares mais comuns da Formação Botucatu são estratificações cruzadas de grande porte e acanaladas, com constituinte mineralógico mais comum é quartzo geralmente arredondado envolto por uma película de óxido de ferro (BÓSIO, 1973). As características litológicas e sedimentares da formação indicam ambiente desértico de deposição eólica (CAETANO-CHANG & WU, 1995), com contribuição na parte basal 8 de sedimentação fluvial de natureza areno-conglomerática e camadas localizadas de siltitos e argilitos lacustres (SCHNEIDER ,1974). Formação Pirambóia Segundo Caetano-Chang & Wu (1995), a Formação Pirambóia caracteriza-se por uma sucessão de espessos bancos arenosos, avermelhados ou rosados, constituídos por arenito de granulação fina e média, possuindo maior proporção de fração argilosa na porção inferior, exibindo estratificação cruzada planar e acanalada e plano paralela, intercalando camadas de lamitos arenosos de cores que variam de tons claros a amarelo, roxo, vermelho e verde. Para Caetano-Chang (1997), as estruturas sedimentares existentes são laminações plano-paralelas e estratificações cruzadas, podendo ser originadas de ambiente continental aquoso, ou ainda associação de depósitos eólicos de dunas, interdunas e lençóis de areia, entremeados por depósitos fluviais, subordinados. 4.2.2 GRUPO BAURU Formação Serra Geral De acordo com White (1908), a Formação Serra Geral registra um dos maiores vulcanismos do tipo fissural no globo, que originou uma seqüência de derrames de lavas basálticas e intrusivas associadas com intercalações de lentes e camadas arenosas capeando formações gondwânicas da Bacia do Paraná. A formação é composta por basaltos e possui algumas variações químicas, mas é predominantemente toleítica, de textura afanítica, coloração cinza escura a preta, amigdaloidal no topo dos derrames, com desenvolvimento de juntas verticais e horizontais de origem tectônica e por resfriamento, nas quais associam-se corpos intrusivos de mesma composição, constituindo, sobretudo diques e sills. O paleoambiente é interpretado como concomitante as condições desérticas de sedimentação da Formação Botucatu (Melfi et al., 1988). 9 Formação Adamantina A formação Adamantina está sobreposta a Formação Serra Geral. Ocorre em grande extensão do Estado de São Paulo e constitui a maior parte do Planalto Ocidental (Schneider et al., 1974). A Formação Adamantina está sobreposta a Formação Serra Geral, ocorre em grande extensão do Estado de São Paulo e constitui a maior parte do Planalto Ocidental (Schneider et al., 1974). Segundo Goldberg & Garcia (2000) os sedimentos da Formação Adamantina são constituídos por grãos de arenitos avermelhados finos a muito finos com estratificação cruzada. Nesta unidade ocorrem, ainda, conglomerados intraformacionais e subordinados a folhelhos vermelhos, os quais são massivos ou com laminação plano-paralelas. 4.3. Sistema Aquífero Guaraní É considerável ressaltar as características físicas importantes do Sistema Aquífero Guaraní, de forma a compará-las aos aspectos da área de estudo. Segundo relatório da UNESCO/PHI (2003), existem 261 bacias hidrográficas transfronteiriças no mundo, e aproximadamente um terço dessas bacias pertencem a mais de dois países. É o caso do Aquífero Guaraní, presente em parte de quatro países sul americanos (Argentina, Brasil, Paraguai e Uruguai), com uma área aproximada de 1,2 milhão de km². Estende-se da Bacia Sedimentar do Paraná até a Bacia do Chaco Paraná. Cerca de 90% do aqüífero é confinado por um dos maiores derrames de rochas vulcânicas do mundo (rochas basálticas), além disso, o conjunto é formado por rochas sedimentares. O Aquífero Guaraní é considerado um importante manancial, não só pela qualidade e quantidade das águas, mas também pela sua localização estratégica, características hidrogeológicas e extensão. A Figura 3 representa a localização do Aquífero Guarani e da Bacia Sedimentar do Paraná. 10 Figura 3 – Localização do Aquífero Guarani. FONTE: DAE BAURU A região estudada, comparada com os limites do aquífero Guarani, bem como a região aflorante no estado de São Paulo pode ser verificada na Figura 5: 11 Figura 4 – Localização da Área de Estudo na Região de Borda do Aquífero Guarani. FONTE: DAE BAURU (adaptado) 5 METOLOGIA E ETAPAS DE TRABALHO 5.1. Ensaios de permeabilidade com permeâmetro de Guelph (coleta de dados no campo) O Permeâmetro de Guelph é um equipamento de fácil operação que permite medir in situ a condutividade hidráulica do solo de maneira rápida e precisa (SOIL MOISTURE EQUIPMENT CORP., 1991). A condutividade hidráulica do meio saturado (K), é uma medida da capacidade do meio poroso em conduzir um líquido. Para obtenção desses valores foram realizadas oito etapas de campo com o uso do Permeâmetro de Guelph. Este aparelho consiste em um conjunto de tubos concêntricos, sendo que o tubo central permite a entrada de ar para regular o nível d’água e os demais funcionam como reservatórios e suporte. O método desse Permeâmetro consiste em medir a taxa de infiltração de água no solo utilizando o princípio do sifão de Mariotte, ou seja, o ensaio é realizado com fornecimento de água sob carga hidráulica constante (SANTOS, 2005). O ensaio de permeabilidade é realizado no solo, dentro de um de 10 cm de diâmetro e a uma profundidade de 1,5 metros. A Figura 6 ilustra esquematicamente os principais parâmetros do Permeâmetro de Guelph. A Figura 7 é uma imagem do Permeâmetro registrada em campo. 12 Figura 5 – Ilustração do Permeâmetro de Guelph, segundo o princípio do sifão de Mariotte (SOIL MOISTURE, 1991). Figura 6 – Imagem registrada em campo do permeâmetro de Guelph 13 Para a realização do ensaio, enche-se o tubo do permeâmetro com água a 1,5 m de profundidade e então, uma válvula é aberta para permitir o vazamento de água na extremidade de fundo. Após alguns minutos, ocorre a estabilização do nível d’água pela formação de um bulbo de saturação de água na base do furo, possibilitando simular a infiltração de um líquido no solo (Figura 8). Figura 7 – Ilustração do Bulbo de Saturação, FONTE: Santos, 2005 As medições de condutividade hidráulica realizaram-se em leituras com carga de pressão formadas pela abertura de 5 cm (H1) e outra de 10 cm (H2), resultando em valores de Q1 e Q2, respectivamente. Para determiná-los, fez-se leitura da diminuição da altura da coluna d’água em intervalos de tempo constante. Com esses resultados de campo, foi possível determinar os valores dos coeficientes de permeabilidade em cada ponto de ensaio através da aplicação da Equação 1: K (cm/s)= {[(0,0041)(X)(Q2)] – {(0,0054)(X)(Q1)]} (Equação 1) Onde X corresponde à área do reservatório de água do permeâmetro que foi utilizado. 14 5.2. Determinação da Condutividade Hidráulica a Partir de Ensaios de granulometria Entre as características físicas do solo está o tamanho das partículas que o constitui sendo que, para cada solo existe uma variação de tamanhos de grãos em determinadas porcentagens. No Brasil, de acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT/NBR 6502/95) – Terminologia - Rochas e Solos, define e caracteriza o solo de acordo sua granulometria:  Bloco de rocha – Fragmentos de rocha transportados ou não, com diâmetro superior a 1,0 m.  Matacão – fragmento de rocha transportado ou não, comumente arredondado por intemperismo ou abrasão, com uma dimensão compreendida entre 200 mm e 1,0 m.  Pedregulho – solos formados por minerais ou partículas de rocha, com diâmetro compreendido entre 2,0 e 60,0 mm. Quando arredondados ou semi-arredondados, são denominados cascalhos ou seixos. Divide-se quanto ao diâmetro em: pedregulho fino – (2 a 6 mm), pedregulho médio (6 a 20 mm) e pedregulho grosso (20 a 60 mm).  Areia – solo não coesivo e não plástico formado por minerais ou partículas de rochas com diâmetros compreendidos entre 0,06 mm e 2,0 mm. As areias de acordo com o diâmetro classificam-se em: areia fina (0,06 mm a 0,2 mm), areia média (0,2 mm a 0,6 mm) e areia grossa (0,6 mm a 2,0 mm).  Silte – solo que apresenta baixa ou nenhuma plasticidade e baixa resistência quando seco ao ar. Suas propriedades dominantes são devidas à parte constituída pela fração silte. É formado por partículas com diâmetros compreendidos entre 0,002 mm e 0,06 mm.  Argila – solo de graduação fina constituída por partículas com dimensões menores que 0,002 mm. Apresentam características marcantes de plasticidade; quando suficientemente úmido, molda-se facilmente em diferentes formas, quando seco, apresenta coesão suficiente para construir torrões dificilmente desagregáveis por pressão dos dedos. As amostras de solo foram coletadas a 1,5 m de profundidade nos mesmos pontos onde se realizaram os ensaios de condutividade hidráulica com o Permeâmetro de Guelph. Elas foram tratadas no Laboratório de Geotecnia do campus da UNESP - Rio Claro, em porções de 100 g livres de umidade, de forma a obter as proporções em peso de: pedregulho 15 (Ø acima de 2,0 mm); areia grossa (Ø entre 0,59 mm e 2,0 mm); areia média (Ø entre 0,21 mm e 0,59 mm); areia fina (Ø entre 0,062 mm e 0,21 mm) e; silte+argila (Ø abaixo de 0,062 mm). Nota-se que, comparado às especificações da ABNT, houve algumas modificações pouco significantes devido ao diâmetro das peneiras utilizadas. Inicialmente as amostras passaram pelo processo de secagem em estufa e separado 100 g de cada uma delas. Em seguida fez-se a lavagem em uma peneira de diâmetro 0,062 mm, a fim de separar a porção arenosa da porção de silte+argila. O montante retido na peneira (porção de areia) foi colocado novamente na estufa para o processo de secagem, e posteriormente realizou-se a agitação mecânica durante 10 minutos em peneiras de diâmetro decrescente de 2,0 mm (para retenção de cascalhos), 0,59 mm (para retenção de areia grossa), 0,21 mm (para retenção de areia média) e 0,062 mm (para retenção de areia fina). As porções retidas em cada peneira foram pesadas em uma balança de precisão centesimal e então, a partir da porcentagem em peso retida nas peneiras, formulou-se a Tabela 1. 16 Amostra Coordenadas %Cascalho %Areia grossa %Areia média %Areia fina %Silte + Argila % Areia x Y 2,0 (mm) 0,59 (mm) 0,21 (mm) 0,062 (mm) <0,062 (mm) 1 793968 7557867 0 8,65 50,65 30,25 10,45 89,55 2 796586 7559097 0 4,18 38,15 39,54 18,13 81,87 3 795641 7558907 0 7,26 36,58 30,38 25,78 74,22 4 792980 7556955 0 2,96 39,35 42,1 15,59 84,41 5 795212 7556141 0 6,16 54,9 25,85 13,09 86,91 6 791258 7555863 0 0,24 40,8 46,88 12,08 87,92 7 790842 7555360 0 0,15 41 45,7 13,15 86,85 8 796370 7556193 0 11,15 31,58 29,96 27,31 72,69 9 797468 7557077 0 6,22 36,85 20,77 36,16 63,84 10 799610 7559338 0 4,41 37,92 42,92 14,75 85,25 11 800333 7558496 0 6,28 41,86 37,77 14,09 85,91 12 790768 7559586 0 0 37,43 52,65 9,92 90,08 13 792131 7559636 0 0,02 26,35 58,36 15,27 84,73 14 792753 7557986 0 0,79 50,99 40,14 8,08 91,92 15 794073 7558975 0 4,22 46,78 35,32 13,68 86,32 16 793249 7555445 0 4,1 37,87 44,46 13,57 86,43 17 790503 7554376 0 0,1 4,71 73,62 21,57 78,43 18 803531 7557901 0 8,45 37,4 35,89 18,26 81,96 19 808050 7557975 0 8,21 53,5 23,3 14,99 85,01 20 772157 7562414 0 1,98 18,53 59,6 19,89 80,11 21 778756 7560931 0 0,03 5 82,49 12,48 87,52 22 781740 7560258 0 0,46 5,48 71,38 22,68 77,32 23 785627 7558592 0 0,09 9,31 77,28 13,32 86,68 24 788342 7558552 0 0,12 2,41 78,76 18,71 81,29 25 784288 7575361 0 0,39 27,13 53,62 18,86 81,14 26 784397 7572486 0 0,04 24,5 66,05 9,41 90,59 27 784751 7569528 0 0,51 21,44 55,63 22,42 77,58 28 783959 7566549 0 0,16 23,27 51,73 24,84 75,16 29 786538 7564979 0 0,02 26,92 57,23 15,83 84,17 30 791685 7551891 0 0,82 29,63 56,74 12,81 87,19 31 789896 7552904 0 0,06 38,43 53,09 8,42 91,58 32 792254 7550252 0 0 34,33 52,7 12,97 87,03 Tabela 1 - Porcentagem granulométrica das amostras 17 Estes resultados permitiram a elaboração de curvas granulométricas, como uma maneira efetiva de determinar as dimensões das partículas que compõem o solo (BRASSINGTON, 1998). A análise granulométrica foi realizada em amostras distribuídas na área de estudo, com a finalidade de estimar a condutividade hidráulica do solo a partir da fórmula empírica de Hazen e das Curvas de Breddin (Ábaco de Breddin). 5.2.1. Método empírico de Hazen Hazen (1892) foi o pioneiro a propor uma fórmula empírica baseada no tamanho e forma dos grãos que compõem o solo para calcular a sua permeabilidade. No entanto esse cálculo é válido apenas para solos arenosos. Para a aplicação da Equação 2, foi necessário calcular o valor D10, que corresponde ao diâmetro das partículas dos 10% que passa na curva de porcentagem acumulada. Sendo assim: KH = CH D10² (Equação 2) KH = Permeabilidade (cm/s), Segundo Hazen CH = Coeficiente empírico de Hazen, igual a 100 para solos arenosos D10 = Diâmetro das partículas (cm) que correspondem a 10% da porcentagem que passam, na curva de porcentagens acumulada O cálculo do valor de D10 foi possível a partir da plotagem do gráfico das curvas granulométricas suavizadas de cada amostra, que se mostraram com alto teor de areia, permitindo adotar o de CH igual a 100. 5.2.2. Curvas de Breddin Baseado no fato da condutividade hidráulica ter relação com as características do meio (porosidade, tamanho, forma, distribuição e arranjo das partículas), Breddin (1963), 18 apresentou uma classificação para materiais geológicos não-consolidados, dependentes das características físicas das partículas do solo. Este método consiste em 13 curvas básicas que geram 12 classes de permeabilidade (KB), conforme a Figura 9: Figura 8 - Curvas de Breddin (Adaptado de Custódio, 1976a). Os ensaios de granulometria, de acordo com as normas da ABNT, foram comparados com a estrutura das Curvas de Breddin (1963 apud Custodio & Llamas, 1983), para definir a classe de cada amostra e, consequentemente, sua permeabilidade em metros por dia. Quando a curva analisada corta mais de uma classe de Breddin, o valor fica definido como a classe que contém a maior parte da curva. Este método faz uma estimativa da condutividade hidráulica do meio de acordo com o comportamento das curvas granulométricas, mostrando em que classe as amostras se apresentam, mas sem variações com maiores precisões. 19 5.3. Estudos de Correlação e Elaboração de Mapas 5.3.1. ANÁLISE DE REGRESSÃO Segundo Landim (2003), o modelo de correlação linear simples pode ser utilizado quando se está interessado nas relações entre duas variáveis ou para predizer a ocorrência de uma delas em relação à outra. Se x e y representam duas variáveis, um diagrama de dispersão mostrará a localização de pontos x e y em um sistema de eixos cartesianos. Se os pontos nesse diagrama se localizarem próximos a uma reta, a relação é dita linear, o que torna apropriada a análise para correlações de duas variáveis, isto é, o comportamento de uma variável em relação à outra. A correlação é considerada positiva ou direta, quando y tende a aumentar à medida que x acresce e, quando inversamente proporcional a correlação é considerada negativa ou inversa. O coeficiente de correlação linear de uma amostra r, é dado pela Equação 3: (Equação 3) Os valores de r podem variar entre -1 e +1, desde o comportamento totalmente inverso até o comportamento totalmente direto entre duas variáveis. Quando r = 0 pode-se dizer que não há relação linear entre x e y. O software GEOEAS foi utilizado para o cálculo do coeficiente de correlação linear, utilizando as variáveis de Coeficiente de Permeabilidade K (metros/dia) dos métodos de permeâmetro de Guelph, fórmula empírica de Hazen e Ábaco de Bredin, bem como a comparação destes com a porcentagem de areia das amostras utilizadas. Quando diversas variáveis são medidas em uma amostra e se quer obter os diversos coeficientes de correlação, calculam-se tais coeficientes entre pares de variáveis ou, utilizando-se de cálculo matricial, obtém-se a Equação 4, que refere-se à uma matriz de todos os coeficientes de correlação (Equação 4) 20 Assim, é possível verificar quais as correlações mais próximas entre si. 5.3.2. INTERPOLAÇÃO DE DADOS NA ELABORAÇÃO DE MAPAS A interpolação dos dados foi efetuada com o uso do software Surfer 8.0, através do algoritmo de mínima curvatura. Esse método é uma generalização do método de mínima curvatura proposto por Briggs (1974). A superfície de mínima curvatura é uma analogia à flexão de uma placa elástica e aproxima a superfície matemática por um plano flexionado que passa por todos os pontos de observação. É calculado um valor para cada nó a partir dos pontos próximos de forma a estabelecer uma malha contínua mesmo com os pontos irregularmente distribuídos em uma superfície. Os mapas gerados por interpolação através de mínima curvatura apresentam contornos muito suaves, mas por outro lado, artefatos indesejáveis são gerados em regiões onde não há valores amostrados próximos cujo nó pode ser incorretamente estimado. 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos nos ensaios granulométricos feitos no Laboratório de Geotecnia, assim como os resultados obtidos no campo. De acordo com a proposta inicial deste trabalho, foram feitos cálculos empíricos da permeabilidade e ensaios in situ. Todos os resultados foram comparados em uma matriz de correlação além de uma comparação espacial. Nesta etapa utilizaram-se os softwares gráficos da Golden Software bem como os de domínio público, com o Geoeas. A sequência de análise foi assim conduzida:  Elaboração das curvas granulométricas de cada amostra;  Determinação do valor do Coeficiente de Permeabilidade de Hazen (KH);  Determinação do valor do Coeficiente de Permeabilidade de Breddin (KB);  Utilização da Condutividade Hidráulica obtida nos ensaios in situ (Guelph);  Elaboração de histogramas e mapas das variáveis e;  Análise comparativa por regressão linear. 21 A Figura 9 apresenta a distribuição espacial dos pontos de coleta no campo. A maior densidade está situada na circunvizinhança de Ribeirão Bonito que constituiu uma área piloto para modelamento de funções variográficas não empregadas neste trabalho. Figura 9 – Mapa da distribuição espacial dos pontos amostrados 6.1. Elaboração das Curvas Granulométricas O método geotécnico para obtenção dos pesos das partículas das amostras coletadas em campo, de acordo com o seu diâmetro, possibilitou a elaboração de gráficos das curvas granulométricas (diâmetro das partículas em mm X porcentagem retida) necessários para calcular os valores do Coeficiente de Permeabilidade segundo Hazen, bem como segundo a técnica de Breddin (Figura 11). 22 Figura 10 – Curvas Granulométricas das Amostra de 01 a 32 Contudo, para calcular o Coeficiente de Permeabilidade de Hazen (KH), foram analisados os gráficos das curvas granulométricas de cada amostra separadamente, para obter o valor de D10 de cada uma delas, que corresponde ao diâmetro dos 10% das partículas que passa pelas peneiras. Aplicando o valor de D10 na fórmula empírica de Hazen, resultaram nos valores apresentados na Tabela 2: Amostra D10 (mm) K (hazen) Amostra D10 (mm) K (hazen) Amostra D10 (mm) K (hazen) 1 0,06 3,11 12 0,063 3,43 23 0,051 2,25 2 0,035 1,06 13 0,05 2,16 24 0,05 2,16 3 0,045 1,75 14 0,066 3,76 25 0,06 3,11 4 0,043 1,60 15 0,04 1,38 26 0,064 3,54 5 0,05 2,16 16 0,057 2,81 27 0,04 1,38 6 0,055 2,61 17 0,03 0,78 28 0,038 1,25 7 0,057 2,81 18 0,053 2,43 29 0,045 1,75 8 0,025 0,54 19 0,035 1,06 30 0,051 2,25 9 0,01 0,09 20 0,04 1,38 31 0,069 4,11 10 0,06 3,11 21 0,045 1,75 32 0,06 3,11 11 0,05 2,16 22 0,04 1,38 Tabela 2 – Valores de D10 e do Coeficiente de Permeabilodade KH 23 O coeficiente de Permeabilidade de Breddin (KB) foi definido por meio da sobreposição das curvas granulométricas das amostras com as Curvas de Breddin (Ábaco de Breddin) (Figura 12). Figura 11 – Curvas Granulométricas plotadas com as Curvas de Breddin Assim, por semelhança entre as curvas granulométricas comparadas às classes de Breddin correspondentes, verifica-se que se enquadram na classe 6 o equivalente a dez amostras de solo coletadas (KB = 4,3), quinze amostras na classe 7 (KB = 1,7) e sete amostras na classe 8 (KB = 0,6). 24 6.2. Teores de Areia As amostras apresentaram elevados teores de areia, variando entre 63,84% e 91,92%, porcentagens que possibilitaram utilizar o método empírico de Hazen para o cálculo de KH. De acordo com a frequência observada no histograma abaixo (Figura 13), nota-se uma porcentagem de areia significativa na faixa entre 84% e 88%, com a média no valor de 83,48%. Figura 12 – Histograma da frequência de porcentagem de areia Por meio do método da mínima curvatura, calculou-se a distribuição espacial do teor de areia no solo na área de estudo. Verifica-se, pela Figura 14, a maior tendência dos teores de areia nos pontos onde inexistem amostras no raio de pesquisa para a estimativa, o qual mostra probabilisticamente a tendência de solo mais arenoso nos extremos sudoeste (SW) e nordeste (NE) e solo menos arenosos nos extremos noroeste (NW) e sudeste (SE). 25 Figura 13 – Mapa de distribuição espacial da porcentagem de areia Este mapa foi comparado com os Mapas da distribuição espacial da condutividade hidráulica dos métodos usados no trabalho (Hazen, Breddin e Permeâmetro de Guelph), com intuito de avaliar a consistência das técnicas empregadas. O principal reflexo deste mapa é que a concentração de areia deverá ser maior nos locais de maior permeabilidade do solo. 6.3. Permeabilidade por Breddin A frequência dos valores do Coeficiente de Permeabilidade de Breddin (KB), determinados por semelhança entre as Curvas de Breddin e as curvas granulométricas são verificados no histograma representado pela Figura 15 26 Figura 14 – Histograma da frequência dos valores de permeabilidade pelo método de Breddin O histograma desta variável apresenta-se similar aos gráficos de barra, tendo em vista a origem dos valores que são definidas em classes discretas no ábaco granulométrico de Breddin. Nota-se que o método de Breddin é pouco contínuo e define valores de K isolados que, para todas as amostras estudadas, foram divididas em 3 classes. Assim, o valor médio do Coeficiente de Permeabilidade de Breddin (KB) para a região foi de 2,27 m/d. O coeficiente aplicado a cada ponto amostral possibilitou a elaboração do mapeamento do contorno das variáveis por mínima curvatura, observadas na Figura 16. 27 Figura 15 – Mapa da distribuição espacial dos valores de permeabilidade pelo método de Breddin Nota-se que, devido à relação granulométrica para estimar KB, este mapa possui semelhança com o mapa de porcentagem de areia na área, bem como suas tendências relativas. Além disso, o mapeamento da variável de Breddin permitiu comparar visualmente a relação com as outras variáveis avaliadas na área. 6.4. Permeabilidade por Hazen O histograma formulado a partir do método de Hazen (Figura 17), para cálculo do coeficiente de permeabilidade, mostrou-se mais uniforme comparado ao histograma segundo 28 Breddin, pois os valores do Coeficiente de Permeabilidade de Breddin são praticamente estanques dentro da classe granulométrica a que pertence. Figura 16 - Histograma da freqüência dos valores de permeabilidade pelo método de Hazen O histograma da permeabilidade segundo Hazen, apresenta valores de tendência amostrais com média igual a 2,13 m/d e mediana de 2,16 m/d. Estes dados refletem uma tendência de normalidade dos dados. A dispersão é discreta, isto é, possui baixo coeficiente de variação, cujo valor é de 46%. 29 Figura 17 - Mapa da distribuição espacial dos valores de permeabilidade pelo método de Hazen Assim como o mapa de granulometria e o mapa de KB (Figura 18) da mesma área, a tendência das variáveis é mostrada de forma parecida. Isso se deve ao fato da relação direta entre as metodologias de Breddin e de Hazen com a granulometria do solo. 6.5. Permeabilidade pelo Permeâmetro de Guelph A aplicação da Equação 1 com o uso dos parâmetros obtidos em campo, definiu os valores da condutividade hidráulica pelo Permeâmetro de Guelph (K) de acordo com a Tabela 3. 30 Amostra K (m/d) Amostra K (m/d) Amostra K (m/d) 1 1,13 12 8,62 23 2,2 2 0,67 13 1,75 24 2,1 3 1,12 14 8,62 25 1,7 4 0,853 15 1,47 26 8,91 5 3,1 16 1,94 27 3,1 6 0,13 17 1,7 28 0,63 7 1,75 18 7,23 29 4,31 8 0,97 19 2,8 30 1,52 9 0,5 20 0,93 31 3,25 10 8,62 21 1,93 32 2,59 11 8,62 22 0,75 Tabela 3 - Valores da condutividade hidráulica pelo Permeâmetro de Guelph (K) A frequência dos valores da condutividade hidráulica calculados pelo Permeâmetro de Guelph são observados no histograma da Figura 19, onde houve a variação entre 0,13 m/d e 8,91 m/d. A média para a área mostrou-se um pouco mais elevada (2,98 m/d) quando comparada aos métodos anteriores. Essa pequena variação é devida às metodologias de Hazen e Breddin que, diferentemente dos ensaios com o permeâmetro, não consideram a compactação do solo e outros parâmetros dinâmicos em cada ponto. 31 Figura 18 - Histograma da freqüência dos valores de permeabilidade pelo método de Guelph Figura 19 – Mapa da distribuição espacial dos valores de permeabilidade pelo método de Guelph A tendência da condutividade hidráulica na área estimada por esse método (Figura 20) mostrou-se também parecida com os métodos de Hazen e Breddin. 32 6.6. Correlação Linear Simples A correlação linear calculada e plotada graficamente pelo software Geoeas, mostrou relações diretas entre os pares das variáveis analizadas. Os valores foram calculados em uma matriz de correlações (Tabela 4), sendo que as relações variaram entre 0,37 (K de Hazen (KH) em função de K de Breddin (KB)) e 0,78 (K de Hazen em função da porcentagem de areia total das amostras). Para efeito de análise tem-se: K = Coeficiente de Permeabilidade (Guelph) KH = Coeficiente Permeabilidade por Hazen KB = Coeficiente de Permeabilidade por Breddin Correlação Linear K KH KB %Areia K 1 0,54 0,74 0,44 KH 0,54 1 0,37 0,78 KB 0,74 0,37 1 0,42 %Areia 0,44 0,78 0,42 1 Tabela 4 – Valores da Matriz de Correlação Linear entre as variáveis calculadas As correlações calculadas permitiram verificar o comportamento de relação direta entre as variáveis. Nota-se que o valor de KH apresenta-se mais próximo ao comportamento da porcentagem de areia comparado ao KB. Esta situação mostra que o método de Hazen é mais efetivo para relacionar a condutividade hidráulica com a porcentagem de areia do solo. 33 7 CONCLUSÃO Os resultados nos estudo de técnicas empíricas relacionadas à granulometria e técnicas de ensaios com permeâmetro in situ para obter valores de CH, permitiram a elaboração de mapas de distribuição desta variável que, quando comparados, apresentaram configurações relativamente concordantes. As distribuições dos valores, assim como as tendências para cada método utilizado nos pontos amostrados, se apresentaram semelhantes e proporcionais, apesar das limitações referentes a cada um deles. A avaliação pelos vários métodos demonstrou, conforme a correlação linear, alguns métodos com significativa correlação direta, principalmente entre o K de Breddin com o ensaio de campo (Permeâmtro de Guelph). Os métodos de Hazen e Breddin são dependentes apenas da granulometria - tamanho e forma dos grãos - e não considera outros aspectos físicos como compactação, porosidade e umidade. Por outro lado, o cálculo da condutividade hidráulica por ensaios in situ com o Permeâmetro de Guelph tem maior confiabilidade, devido ao sistema prático de análise. Contudo, muitos anteprojetos necessitam de mapas de zoneamento geotécnicos que possam indicar locais ou regiões inadequadas para implantação de obras civis ou projetos ambientais como aterros de lixos sanitários e industriais, cemitérios, uso inadequado de pesticida. Portanto os mapas obtidos de forma expeditas como K de Hazen e K de Breddin são apropriados para a tomada de decisões em anteprojetos e, subsequentemente, as obras a serem efetuadas em área considerada adequada deverão ser mais investigadas. De forma geral este trabalho apresenta a importância de métodos simples, que podem ser mais empregados em planejamentos ambientais. 34 BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6502 – Rochas e Solos. Rio de Janeiro, 1995. ALONSO, U. R. Rebaixamento temporário de aqüíferos. São Paulo: TECNOGEO/GEOFIX, 1999. 131 p. BÓSIO, N.J. Geologia da Área de São Pedro,SP. Rio Claro, 1973. 125 p. Tese (Doutoramento) Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Rio Claro. BRADY, N.C. Natureza e propriedades do solo. 6.ed. Rio de Janeiro: Freitas, 1983. 647p. BRASSINGTON, R. Field hydrogeology. Second Edition. England: John Wiley & Sons, 248 p., 1998. BREDDIN, H. Due Grundribkarnten des Hydrogeologischen Kartenwekes der Wasserwistschafteverwattung von Norgrhein-Westfalen. Geologische Mitteilungen, v. 2, n.4, p. 393-416, 1963 BRIGGS IC. 1974. Machine contouring using minimum curvature. Geophysics, 39(1): 39-48. CAETANO-CHANG, M.R. 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CAPA FICHA CATALOGRÁFICA COMISSÃO EXAMINADORA EPÍGRAFE AGRADECIMENTOS RESUMO ABSTRACT SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 2 MOTIVAÇÃO DE TEMA 3 OBJETIVOS 4 ÁREA DE ESTUDOS 5 METOLOGIA E ETAPAS DE TRABALHO 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO 7 CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA