PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOCIÊNCIAS AVALIAÇÃO HIDROGEOLÓGICA PARA DETERMINAÇÃO DA VULNERABILIDADE NATURAL DO AQÜÍFERO FREÁTICO EM ÁREA SELECIONADA NA CIDADE DE LONDRINA (PR) ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM GEOCIÊNCIAS E MEIO AMBIENTE Maurício Moreira dos Santos Instituto de Geociências e Ciências Exatas Rio Claro – SP 2005 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E CIÊNCIAS EXATAS Campus de Rio Claro AVALIAÇÃO HIDROGEOLÓGICA PARA DETERMINAÇÃO DA VULNERABILIDADE NATURAL DO AQÜÍFERO FREÁTICO EM ÁREA SELECIONADA NA CIDADE DE LONDRINA (PR). Maurício Moreira dos Santos Orientadora: Profª. Drª. Maria Rita Caetano Chang. Dissertação elaborada junto ao Programa de Pós-Graduação em Geociências-Área de Concentração em Geociências e Meio Ambiente, para obtenção do Título de Mestre em Geociências. Rio Claro (SP) 2005 Comissão Examinadora ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ - aluno(a) - Rio Claro, ______ de __________________________ de _______ Resultado: ________________________________________________________________ A Deus acima de tudo, aos meus pais e irmãos dedico. i AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho não teria sido possível sem o auxílio de pessoas e instituições que, direta ou indiretamente, colaboraram em sua elaboração. Minha admiração e os meus sinceros e especiais agradecimentos à Drª. Maria Rita Caetano Chang, pela constante orientação e revisão criteriosa do trabalho. Ao Dr. Chang Hung Kiang, pelo apoio e sugestões desde o início da pesquisa. Ao Dr. André Celligoi, pelo companheirismo, sugestões, discussões e pela liberação dos dados referentes aos perfis descritivos dos poços. Ao Geólogo Dr. Flávio de Paula e Silva e ao Dr. Carlos Alberto Nóbrega pelas sugestões e discussões em temas relevantes desta pesquisa. Aos meus familiares e em especial a Ângela Cristina Alves de Melo, pelo amor carinho, e compreensão durante esse período. Aos meus amigos Adriano Moreira Trindade e Jerri Augusto da Silva, mesmo estando em Londrina, obrigado pelo apoio, do contrário não seria possível concluir este trabalho. Ao técnico e amigo Paco, pelo auxílio nos levantamentos de campo e apoio no decorrer do trabalho. Aos meus amigos e colegas do LEBAC, em especial aos geólogos Eduardo, Andresa, Marcão, Joseli, Fernando, Márcio e Didier que de alguma forma contribuíram para o desenvolvimento e a execução deste trabalho. Aos alunos da seção de pós-graduação em Geociências, em especial aos meus amigos Shirley, Mirna, Paulinho, Julião, Claudinha, Ana Cândida, Ana Paula, Maira, Eduardo, Luquinha e Susana, pelo companheirismo ao longo do mestrado. À FUNDUNESP, pela concessão de bolsa durante o período de realização do mestrado. Enfim, a todos que de uma forma ou de outra contribuíram para a realização deste trabalho. ii RESUMO Utilizando-se de dados hidrogeológicos em área selecionada na cidade de Londrina (PR), foi realizada avaliação da vulnerabilidade natural do aqüífero constituído pelo manto de alteração das rochas basálticas da Formação Serra Geral, através da aplicação do índice DRASTIC. Este método possui características de simplicidade, de baixo custo, de fácil aplicação e é amplamente utilizado em estudos de vulnerabilidade natural. A caracterização da susceptibilidade do meio à poluição fornece subsídios para tomada de decisões quanto ao uso e ocupação do solo e conseqüentemente ao planejamento sócio-econômico. Na zona não-saturada, através dos ensaios de infiltração, obteve-se baixa permeabilidade dos solos, com variações entre 10-3 cm/s e 10-5 cm/s. Os ensaios de slug, na zona saturada, por sua vez, indicaram condutividade hidráulica de 10-1 a 10-4 cm/s, apresentando média ao redor de 10-2 cm/s. Dessa forma, o poluente ao atingir a zona dos saprolitos, tende a se espalhar rapidamente através das linhas de fluxo subterrâneo. O fluxo preferencial subterrâneo apresenta-se orientado de sul para norte, seguindo grosso modo o declive do terreno. Em geral, na área de estudo predomina a vulnerabilidade moderada, enquanto que nas proximidades do ribeirão Lindóia e nos divisores d’água, as vulnerabilidades foram classificadas como alta e baixa, respectivamente. Palavras-chave: vulnerabilidade natural, índice DRASTIC, fluxo subterrâneo, ensaios de slug, ensaios de infiltração. iii ABSTRACT The DRASTIC index was used for the evaluation of the natural vulnerability of groundwater constituted by the mantle of weathering of the basaltic rocks of the Serra Geral Formation. DRASTIC method was used in this evaluation, for its simplicity, low cost, easy application and it has been widely used for analysis of the natural vulnerability. The characterization of the enviromental to the pollution supports the decisions about ground use and occupation for partner-economic planning. Hydraulic conductivities in the unsaturated and saturated zones, as well as the groundwater flow direction were determined. In the unsaturated zone, permeability of the soils is low, as reveled by infiltrations tests with ranging 10-3 cm/s to 10-5 cm/s. Hydraulic conductivity obtained from slug tests range from 10-1 to 10-4 cm/s, with average around 10-2 cm/s. The flow direction occurs from south to north, accompanying the general slope of the landscape. The pollutant when reaches the zone of the saprolite, tends to spread quickly through the groundwater flow lines. In general, the vulnerability of the studied area can be classified as moderate, while that in the water divide region and in the vicinity of ribeirão Lindóia, are ranked low and high, respectively. Keywords: natural vulnerability, DRASTIC index, flow direction, slug test, infiltration test. iv SUMÁRIO AGRADECIMENTOS................................................................................................... I RESUMO..................................................................................................................... II ABSTRACT................................................................................................................ III SUMÁRIO .................................................................................................................. IV ÍNDICE ........................................................................................................................V ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. VIII ÍNDICE DE TABELAS .............................................................................................. XII ÍNDICE DE QUADROS............................................................................................ XIII CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ..........................................................................................14 CAPÍTULO 2 - REFERENCIAL TEÓRICO...........................................................................22 CAPÍTULO 3 – PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ...........ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. CAPÍTULO 4 - CARACTERIZAÇÃO GERAL DA ÁREA............ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. CAPÍTULO 5 – AVALIAÇÃO DA VULNERABILIDADE NATURAL AQÜÍFERA....ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. CAPÍTULO 6 – AVALIAÇÃO DO FLUXO SUBTERRÂNEO .......ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. CAPÍTULO 7 - CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES ....ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. CAPÍTULO 8 - BIBLIOGRAFIA ...........................................ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. v ÍNDICE CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO..........................................................................................14 1.1 - Localização da Área ....................................................................................17 1.2 - Premissas.....................................................................................................20 1.3 - Objetivos ......................................................................................................21 CAPÍTULO 2 - REFERENCIAL TEÓRICO...........................................................................22 2.1 - Recursos Hídricos .......................................................................................22 2.2 - Considerações sobre o Ciclo Hidrológico ................................................24 2.2.1 – Água no Solo e Infiltração ......................................................................27 2.2.2 – Movimento da Água Subterrânea...........................................................28 2.2.2.1 - Mecanismos de transferência de contaminantes.Erro! Indicador não definido. 2.3 - Vulnerabilidade Natural de Aqüíferos...............Erro! Indicador não definido. 2.3.1 – Métodos de Avaliação da Vulnerabilidade Natural de Aqüíferos....... Erro! Indicador não definido. 2.3.2 – Escolha do Índice DRASTIC .....................Erro! Indicador não definido. 2.3.3 – Limitações dos Métodos de Avaliação da Vulnerabilidade Natural ... Erro! Indicador não definido. 2.3.3.1 - Escala de trabalho...............................Erro! Indicador não definido. CAPÍTULO 3 – PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ...........ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. 3.1 – Etapas de Trabalho............................................Erro! Indicador não definido. 3.2 - Índice Drastic ......................................................Erro! Indicador não definido. 3.3 - Poços de Monitoramento...................................Erro! Indicador não definido. 3.4 - Balanço Hídrico Regional ..................................Erro! Indicador não definido. 3.5 - Ensaios de Condutividade Hidráulica (In situ).Erro! Indicador não definido. 3.5.1 - Lei de Darcy...............................................Erro! Indicador não definido. 3.5.1.1 - Permeâmetro Guelph ..........................Erro! Indicador não definido. 3.5.1.2 - Método de slug test .............................Erro! Indicador não definido. 3.6 - Topografia ...........................................................Erro! Indicador não definido. CAPÍTULO 4 - CARACTERIZAÇÃO GERAL DA ÁREA............ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. vi 4.1 - Aspectos Sócio-Econômicos ............................Erro! Indicador não definido. 4.1.1 - Histórico da Ocupação de Londrina ...........Erro! Indicador não definido. 4.1.2 - Característica de Uso e Ocupação do Solo na Área de Estudo......... Erro! Indicador não definido. 4.2 - Aspectos do Meio Físico Natural ......................Erro! Indicador não definido. 4.2.1 - Aspectos Climáticos...................................Erro! Indicador não definido. 4.2.2 - Hidrografia .................................................Erro! Indicador não definido. 4.2.3 - Geomorfologia ...........................................Erro! Indicador não definido. 4.2.4 - Solos ..........................................................Erro! Indicador não definido. 4.2.5 - Geologia Regional......................................Erro! Indicador não definido. 4.5.2.1 - Aspectos da geologia local ..................Erro! Indicador não definido. 4.2.6 - Hidrogeologia .............................................Erro! Indicador não definido. CAPÍTULO 5 – AVALIAÇÃO DA VULNERABILIDADE NATURAL AQÜÍFERA....ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. 5.1 - Profundidade do Lençol Freático (D)................Erro! Indicador não definido. 5.2 - Recarga do Aqüífero (R) ....................................Erro! Indicador não definido. 5.2.1 - Balanço Hídrico..........................................Erro! Indicador não definido. 5.2.2 - Recarga Anual ...........................................Erro! Indicador não definido. 5.3 – Material do Aqüífero (A) ....................................Erro! Indicador não definido. 5.4 - Tipo de Solo (S) ..................................................Erro! Indicador não definido. 5.5 – Topografia (T).....................................................Erro! Indicador não definido. 5.6 - Impacto da Zona Não-Saturada (I).....................Erro! Indicador não definido. 5.6.1 – Ensaios de Condutividade Hidráulica na Zona Não-Saturada .......... Erro! Indicador não definido. 5.6.2 – Análise dos Perfis Descritivos dos Poços de Monitoramento............ Erro! Indicador não definido. 5.7- Condutividade Hidráulica (C) .............................Erro! Indicador não definido. 5.8 - Mapa de Vulnerabilidade Local .........................Erro! Indicador não definido. CAPÍTULO 6 – AVALIAÇÃO DO FLUXO SUBTERRÂNEO .......ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. 6.1 – Superfície Freática.............................................Erro! Indicador não definido. 6.2 – Velocidade Linear de fluxo do aqüífero ...........Erro! Indicador não definido. 6.2.1 – Velocidade Linear na Zona Saturada ........Erro! Indicador não definido. 6.2.2 – Velocidade Linear na Zona Não-Saturada Erro! Indicador não definido. CAPÍTULO 7 - CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES ....ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. vii CAPÍTULO 8 - BIBLIOGRAFIA ...........................................ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. viii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1- Mapa de localização da área de estudo. Modificado de IPPUL (2002). ..................................................................................................................................19 Figura 2 – Distribuição e ocorrência de água no mundo.....................................23 Figura 3 – Ciclo hidrológico e seus principais componentes. Fonte: Karmann (2001)........................................................................................................................26 Figura 4 - Relação espacial entre a topografia do terreno e o lençol freático. Notar a superfície mais suavizada do lençol freático e a convergência das linhas de fluxo de água subterrânea (setas). Modificado de Karmann (2001). .........................................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 5 – Esquema conceitual para a determinação do risco de contaminação das águas subterrâneas (Foster & Hirata, 1993). ........Erro! Indicador não definido. Figura 6 - Parâmetros incorporados no método DRASTIC. Modificado de Oliveira & Lobo Ferreira (2004). ....................................Erro! Indicador não definido. Figura 7– Esquema de construção dos poços de monitoramento.Erro! Indicador não definido. Figura 8- Experimento de Darcy (modificado de Freeze & Cherry, 1979).......Erro! Indicador não definido. Figura 9 - Realização do ensaio de infiltração in situ utilizando o Permeâmetro Guelph. ............................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 10 - Esquema de funcionamento de um Permeâmetro Guelph (modificado de Oliva, 2002). ..........................................Erro! Indicador não definido. Figura 11 - Bulbo de saturação d'água no solo (modificado de Oliva, 2002). Erro! Indicador não definido. Figura 12- Desenho esquemático do teste de slug com a inserção (A) e retirada (B) de cilindro sólido. Modificado de Pede (2004). ......Erro! Indicador não definido. ix Figura 13 – Desenho esquemático do teste de slug, com os parâmetros geométricos necessários para estimar a condutividade hidráulica, com base no método de Hvorslev (1958)............................................Erro! Indicador não definido. Figura 14 – Detalhe da área de estudo. ........................Erro! Indicador não definido. Figura 15 – Evolução da população urbana de Londrina de 1970 a 2003. Fonte: IBGE (censo demográfico 1970, 1980, 1991, 2003 apud Trindade 2004). .......Erro! Indicador não definido. Figura 16 – Mapa relativo aos aspectos do uso e ocupação do solo.............Erro! Indicador não definido. Figura 17 - Tipos climáticos do Estado do Paraná - fonte: IAPAR (1984). .....Erro! Indicador não definido. Figura 18 - Pluviosidade no município de Londrina. Os valores são expressos em alturas mensais médias de chuva (mm), no intervalo de 1993 a 2001. Fonte: IAPAR. .............................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 19 – Temperaturas médias no município de Londrina no período de 1993 a 2001, medidas na estação pluviométrica de Londrina. Fonte: IAPAR.........Erro! Indicador não definido. Figura 20 – Principais bacias hidrográficas na área urbana de Londrina......Erro! Indicador não definido. Figura 21– Vista geral da área de estudo: observa-se em primeiro plano, um relevo suave com declividades pouco acentuadas; ao fundo, a drenagem do ribeirão Lindóia e uma pequena mata ciliar.................Erro! Indicador não definido. Figura 22 – Bloco diagrama evidenciando a conformação topográfica da área de estudo. .......................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 23 – Mapa pedológico do município de Londrina. Modificado de Stipp (2003). ..............................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 24 – Localização da Bacia Sedimentar do Paraná. Modificado de Petri & Fúlfaro (1983)..................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 25 – Mapa Geológico do Paraná. Fonte MINEROPAR (2000)Erro! Indicador não definido. x Figura 26 – Mapa geológico do município de Londrina. Modificado de MINEROPAR 2000. .........................................................Erro! Indicador não definido. Figura 27 – Matacões de constituição basáltica de coloração cinza, presentes na drenagem do ribeirão Lindóia..................................Erro! Indicador não definido. Figura 28 - Perfil de solo em transição com o saprolito (base) intensamente fraturado, de coloração cinza a ocre amarelada na rodovia que liga os municípios de Londrina e Ibiporã. ................................Erro! Indicador não definido. Figura 29 – Detalhe do afloramento de basalto alterado (acebolamento) de coloração ocre amarelada e intensamente fraturado (saprolito) na rodovia que liga os municípios de Londrina e Ibiporã.....................Erro! Indicador não definido. Figura 30 – Fotografia aérea de 1980, evidenciando os lineamentos estruturais. .........................................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 31 – Diáclases sub-verticais e sub-horizontais de pequeno porte com surgência de água na rodovia que liga os municípios de Londrina e Ibiporã. .........................................................................................Erro! Indicador não definido. 4777 00 477800 47790 04 78000 478100 4 78200 4783007 4255007 425600 7 4257007 425800 7 4259007 426000 N PM 01PM 0 5 P M 06P M 20PM 08PM 11PM 12 PM 15 PM 0 4PM 17 P M 18P M 19 PM 07P M 02PM 09P M 10PM 16 PM 14 P M 13P M 25 PM 21PM 03 PM 24PM 22PM 26PM 29PM 26PM 23P M 30P M 27 23º24º52º 51ºSi tuação - Esta do do Paran áL imites Muni cipaisPoço s de Mon itoramen toLeg enda 2 3ºWartaM aravilhaIrerêPaiqu erêGuaraveraSão LuizLerrovilleTamaran aMarilândia do SulApucaranaArapongasTrópico de CapricórnioLondrinaRolândiaCambéIbiporã AssaíSão Jerônimoda Serra2 4º52º 51ºMuncípio de Londrina - Pr 0 10 0 m50Es cala GráficaFigura 32 – Mapa de localização dos poços de monitoramento na área de estudo .............................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 33 – Mapa de profundidade do Lençol Freático (NA).Erro! Indicador não definido. Figura 34 – Profundidade do lençol freático segundo os intervalos de classes de profundidade (vide Tabela 3). ..................................Erro! Indicador não definido. Figura 35 – Gráfico exibindo o extrato do balanço hídrico médio mensal entre 1993 e 2001. ....................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 36 – Gráfico exibindo distribuição de precipitação, dos valores médios mensais de temperatura e evapotranspiração potencial (ETP) no período entre 1993 a 2001. ....................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 37 – Gráfico de deficiência, excedente, retirada e reposição hídrica médio mensal para os anos de 1993 a 2001. ...............Erro! Indicador não definido. Figura 38 - Gráfico da vazão do ribeirão Cafezal evidenciando o período de recessão..........................................................................Erro! Indicador não definido. xi Figura 39 – Mapa de localização das seções litofaciológicas.Erro! Indicador não definido. Figura 40 - Seção litofaciológica A-B referente a área de estudo.Erro! Indicador não definido. Figura 41 - Seção litofaciológica C-D referente a área de estudo..Erro! Indicador não definido. Figura 42 - Distribuição das classes texturais (Quadro 3) do material constitutivo do solo, com modificações para muito argiloso. Modificado: Soil Survey Manual (apud Lemos & Santos, 1984). ............Erro! Indicador não definido. Figura 43 – Mapa de declividades referente à área de estudo.Erro! Indicador não definido. Figura 44 – Mapa indicando a localização dos ensaios de infiltração in situ do tipo Guelph na área de estudo. .....................................Erro! Indicador não definido. Figura 45 - Mapa de vulnerabilidade natural à poluição do aqüífero freático local. ................................................................................Erro! Indicador não definido. Figura 46 – Bloco diagrama ilustrando a superfície potenciométrica do lençol freático na área de estudo. ............................................Erro! Indicador não definido. Figura 47 – Mapa de condutividade hidráulica referente à área de estudo utilizando o permeâmetro Guelph. ...............................Erro! Indicador não definido. Figura 48 – Mata ciliar reposta. Em destaque, espécies de árvores nativas replantadas, de pequeno a médio porte.......................Erro! Indicador não definido. xii ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 – Parâmetros pertencentes ao índice DRASTIC e seus pesos relativos ou fatores de ponderação utilizados para a quantificação da vulnerabilidade natural de aqüíferos. ......................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 2- Valores correspondentes ao índice de vulnerabilidade DRASTIC e seus respectivos intervalos. .........................................Erro! Indicador não definido. Tabela 3 – Classes de valores de pesos e índices de ponderação correspondentes à profundidade do nível d’água. .....Erro! Indicador não definido. Tabela 4 – Relação dos poços de monitoramento e seus respectivos níveis d’água. .............................................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 5 – Classes de recarga e valores correspondentes aos pesos e índices de ponderação................................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 6 - Descrição do material do aqüífero e seus respectivos pesos e índices de ponderação. .................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 7 - Concentrações de silte, argila e areia e valores de porosidade efetiva presentes em latossolos do município de Rolândia. ..Erro! Indicador não definido. Tabela 8 – Tipos de solos e seus respectivos pesos e índices de ponderação. .........................................................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 9 – Classes de valores de declividade e seus respectivos pesos e índices de ponderação. .................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 10 - Valores correspondentes aos pesos e índices de ponderação para os materiais que compõem a zona não-saturada........Erro! Indicador não definido. Tabela 11 – Valores de condutividade hidráulica (K) e permeabilidade intrínseca (ki), calculados através dos ensaios de infiltração com permeâmetro Guelph. ............................................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 12 – Classes e valores de condutividade hidráulica (metros/dia) e seus respectivos pesos e índices de ponderação. ..............Erro! Indicador não definido. xiii Tabela 13 – Valores de condutividade hidráulica obtidos através de ensaios de slug, segundo Hvorslev. ................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 14 - Valores de condutividade hidráulica obtidos através de ensaios de slug nos poços de monitoramento que atingem o saprolito.Erro! Indicador não definido. Tabela 15 – Valores representativos do peso do índice DRASTIC e os seus índices de ponderação de acordo com os parâmetros analisados.Erro! Indicador não definido. Tabela 16 - Velocidade linear média da área de estudo. K = condutividade hidráulica. dh/dl = gradiente hidráulico. ne = porosidade efetiva. Vx = velocidade linear média. ................................................Erro! Indicador não definido. Tabela 17 - Velocidade linear média da área de estudo. K = condutividade hidráulica. dh/dl = gradiente do terreno. ne = porosidade efetiva. Vx = velocidade linear média. ................................................Erro! Indicador não definido. ÍNDICE DE QUADROS Quadro 1 – Índices de vulnerabilidade natural à poluição de aqüíferos e seus respectivos fatores de ponderação. .............................Erro! Indicador não definido. Quadro 2 – Classificação da condutividade hidráulica do solo.Erro! Indicador não definido. Quadro 3 - Valores de condutividade hidráulica e permeabilidade intrínseca. .........................................................................................Erro! Indicador não definido. Quadro 4 – Atividades de uso e ocupação do solo potencialmente poluidoras das águas subterrâneas. ...............................................Erro! Indicador não definido. 14 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO A atual sociedade, no anseio de ampliar o domínio sobre os espaços terrestres e o controle absoluto sobre o capital, exerce atividades que produzem inúmeros impactos ambientais e intensifica a exploração insustentável dos recursos naturais, provocando a inviabilização permanente dos mecanismos que garantem o equilíbrio do planeta e colocando em risco a própria sobrevivência do ser humano na superfície do globo. As comunidades humanas vêm apresentando taxas elevadas de crescimento populacional associadas ao rápido processo de urbanização e industrialização. No Brasil, este crescimento é geralmente associado à falta de planejamento para o uso e ocupação do solo urbano, culminando com a apropriação de locais inadequados para o estabelecimento humano e trazendo riscos à saúde com queda progressiva da qualidade de vida. Pinto (1979) destaca que o crescimento populacional leva à busca imperiosa por terra para a multiplicação de alimentos e a instalação das comunidades humanas, o que instaura a intensificação da exploração dos recursos não renováveis e a procura por novos. Do mesmo modo, o processo de ocupação desordenado do espaço traz sérias conseqüências para o equilíbrio dos sistemas ambientais, e pesado ônus para o poder público. Conforme Ross (1994), os ambientes naturais, salvo em algumas regiões do planeta, apresentam ou apresentavam-se em estado de equilíbrio dinâmico1, até o momento em que o ser humano passa a interferir cada vez mais intensamente na exploração dos recursos naturais. Ou seja, em decorrência de atividades antrópicas muitas vezes predatórias sobre o meio físico, este acaba sofrendo 1 A teoria do equilíbrio dinâmico do meio físico foi proposta por Hack (1960) apud Ross (1994, p.26), e tem como princípio básico o pressuposto de que o ambiente natural encontra-se em estado de equilíbrio, porém não estático, graças aos mecanismos de funcionamento dos diversos componentes do sistema. 15 aceleração de sua dinâmica, o que tem desencadeado sérios problemas, tanto de ordem ambiental quanto sócio-econômica. O estudo das causas, dinâmicas e conseqüências das ações antrópicas sobre o meio ambiente constitui ferramenta de valor imprescindível para dar condições de sustentabilidade às atividades ligadas ao sistema produtivo, influenciando o mínimo possível no equilíbrio do meio ambiente e ao mesmo tempo garantindo o bem-estar do indivíduo. Dentre as agressões antrópicas que atingem e modificam profundamente o meio ambiente, merece destaque a deterioração freqüente dos recursos hídricos. Nesse sentido, os mananciais subterrâneos, em razão de uma visão imediatista de uso, somado à melhor qualidade de suas águas em relação à maior parte dos mananciais superficiais vêm sendo super explorados em algumas regiões para o abastecimento hídrico total ou complementar. Além disso, as águas subterrâneas têm sido afetadas periodicamente por agentes poluidores e/ou contaminadores2, vinculados principalmente ao processo produtivo econômico, devido à falta de ações voltadas para a proteção dos aqüíferos. Paralelamente, é cada vez mais clara a consciência dos responsáveis pela gestão das águas subterrâneas das limitações técnicas e principalmente econômicas para remediar a contaminação existente, sobretudo em países em desenvolvimento. Como resultado dessa situação, tem-se notado a popularização do uso e do próprio desenvolvimento de técnicas de mapeamento de vulnerabilidade à poluição de aqüíferos, como uma ferramenta para a sua proteção. Dessa forma, a manutenção da qualidade dos recursos hídricos subterrâneos remete a uma especial preocupação com a proteção dos aqüíferos. Nesse sentido, o presente trabalho propõe a avaliação da vulnerabilidade natural do sistema aqüífero, localizado no domínio dos basaltos da Formação Serra Geral, em uma área na porção noroeste da cidade de Londrina-Pr (Figura 1), tendo em vista a importância da preservação desse importante recurso hídrico para o meio 2 . As definições para poluentes e contaminantes serão abordadas no Capítulo 2. 16 ambiente e para o planejamento sócio-econômico regional, dada a potencialidade exploratória sustentável de suas reservas. Do ponto de vista hidrogeológico, a área de estudo possui ocorrências diferenciadas de aqüíferos. O primeiro está condicionado às descontinuidades das rochas basálticas que formam o embasamento da área, ou seja, devido sua gênese o basalto possui características de rochas cristalinas, de modo que para a circulação e o armazenamento de água subterrânea são necessárias a existência e distribuição de fraturas. Uma segunda ocorrência está restrita ao manto de alteração da própria rocha basáltica, constitui um meio poroso relativamente homogêneo, composto principalmente por material argiloso, caracterizando um aqüífero freático e livre em toda sua extensão. Neste trabalho, foram feitas análises de vulnerabilidade natural do aqüífero do segundo tipo, uma vez que o mesmo possui maior susceptibilidade a uma carga poluente, haja vista suas características intrínsecas de aqüífero livre. Para a análise da vulnerabilidade natural do aqüífero freático na área de estudo, foi utilizado o índice DRASTIC, o qual possui características de simplicidade e utilidade para ser considerado como referência. Somam-se a isso, inúmeros trabalhos realizados a partir da aplicação desse índice, pois é um dos métodos mais difundidos atualmente no mundo. Em conjunto com a análise da vulnerabilidade natural será realizada uma avaliação hidrogeológica que disponibilizará resultados dos direcionamentos preferenciais das linhas de fluxo do aqüífero freático objeto de estudo. O local escolhido para estudo está inserido nos limites da área urbana do município de Londrina, no norte do estado do Paraná, mais precisamente na bacia hidrográfica do ribeirão Lindóia. A escolha desta área deve-se principalmente ao acelerado processo de ocupação urbana industrial que vem ocorrendo nessa importante bacia hidrográfica, sobretudo através da construção de conjuntos habitacionais, instalação de indústrias e de terminais de combustíveis que, associados ao uso indiscriminado do solo, desencadeiam sérios problemas para manutenção da qualidade dos recursos hídricos. 17 O presente estudo justifica-se pela necessidade de elaboração de estratégias para a defesa do aqüífero freático local, através de um estudo hidrogeológico que visa principalmente a avaliação da vulnerabilidade natural à poluição. 1.1 - LOCALIZAÇÃO DA ÁREA O município de Londrina está situado na região norte do estado do Paraná, sendo os limites da área urbana inseridas entre as coordenadas geográficas de 23o 14’ e 23o 23’ de latitude sul e 51o 05’ e 51o 14’ de longitude oeste (Figura 1). Os limites municipais são: ao norte, Sertanópolis, Cambé e Ibiporã; a oeste, Arapongas, Apucarana e Marilândia do Sul; ao sul, Marilândia do Sul, Tamarana e Ortigueira; a leste, São Jerônimo da Serra e Assaí. A linha imaginária do Trópico de Capricórnio (23º27' latitude sul) corta o município de Londrina na sua porção central, na altura da sede do distrito de Maravilha. O município está dividido em 08 (oito) distritos administrativos: Warta, Espírito Santo, São Luiz, Irerê, Maravilha, Paiquerê, Guaravera e Lerroville. Londrina hoje é considerada a terceira maior cidade do sul do país, com uma população estimada de 467.334 habitantes e densidade demográfica de 272,35 hab./km2 (IBGE, 2003). O local de estudo possui área de aproximadamente 480.000 m2, inserida numa importante bacia hidrográfica na área urbana de Londrina, mais precisamente à margem direita do ribeirão Lindóia, sendo este localizado na porção norte da cidade com altitudes variando entre 470 e 630 metros acima do nível do mar (Figura 1). Esse ribeirão é um tributário do ribeirão Jacutinga, que por sua vez é um afluente do rio Tibagi. Sua nascente localiza-se a oeste de Londrina, nas proximidades do município de Cambé. Esse curso hídrico atravessa paralelamente toda a porção norte da cidade, até confluir-se com o ribeirão Quati, onde ambos 18 seguem e passam a formar o ribeirão Ibiporã, principal manancial de abastecimento do município que leva o mesmo nome. 19 Figura 1- Mapa de localização da área de estudo. Modificado de IPPUL (2002). 20 1.2 - PREMISSAS O estudo realizado justifica-se pelas seguintes premissas: inúmeras atividades ligadas ao sistema produtivo e o uso e a ocupação indiscriminadas do solo, causam sérios danos ambientais aos recursos hídricos; quanto maior o grau de vulnerabilidade, maior é a possibilidade de migração de uma série de compostos químicos orgânicos e inorgânicos através da zona não saturada, atingindo dessa maneira a zona saturada e, portanto poluindo ou contaminando as águas subterrâneas nas adjacências da fonte poluidora; os índices de vulnerabilidade são ferramentas úteis para construção de mapas temáticos que auxiliam na proteção e manutenção da qualidade da água de aqüíferos, pois contribuem para o planejamento do uso e ocupação do solo; o fluxo das águas subterrâneas, uma vez em contato com uma fonte poluidora transporta seus produtos ao longo de seu deslocamento, gerando assim uma "pluma" poluente; dependendo da constituição dos estratos geológicos, estes podem apresentar maior ou menor permeabilidade ou porosidade, afetando assim a forma e a velocidade e por conseguinte, a distancia de deslocamento de uma nuvem poluente. O presente trabalho fundamenta-se na hipótese da aplicação do índice DRASTIC em escala local, dada sua importância nas geociências como ferramenta no auxílio da proteção e monitoramento de aqüíferos, tendo em vista que a qualidade das águas está em constante ameaça, devido à falta de planejamento de uso e ocupação do solo e mesmo por ações equivocadas para proteção de aqüíferos. 21 1.3 - OBJETIVOS O objetivo principal da presente pesquisa é a realização de estudos hidrogeológicos do aqüífero freático em área selecionada do município de Londrina (vide Figura 1), nos domínios da Formação Serra Geral, visando avaliar o grau de vulnerabilidade natural através da aplicação do método DRASTIC. Além disso, caberá avaliar se o método escolhido é realmente adequado às condições atuais deste estudo. Antecedendo a aplicação do índice DRASTIC, vários procedimentos e levantamentos de dados são necessários, os seguintes: caracterização geral da área em seus aspectos sócio-econômicos e do meio físico natural, incluindo a construção de mapa de declividade local; balanço hídrico regional objetivando as perdas e/ou ganhos do ciclo hidrológico; ensaios de condutividade hidráulica para fins de cálculo das velocidades de fluxo subterrâneo; análise pormenorizada dos perfis dos poços de monitoramento para reconhecimento dos materiais presentes na zona não-saturada e zona saturada; a construção de um mapa potenciométrico para análise do fluxo subterrâneo local; e, finalmente, construção de um mapa local indicando a vulnerabilidade natural à poluição do aqüífero freático na área de estudo através da aplicação do índice DRASTIC. Para tanto, será utilizado o referencial teórico apropriado, conforme apresentado nos próximos capítulos. 22 CAPÍTULO 2 - REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 - RECURSOS HÍDRICOS A água constitui um dos elementos físicos mais importantes na construção da paisagem terrestre, interligando fenômenos da atmosfera inferior e da litosfera e interferindo na vida vegetal animal e humana, a partir da interação com os demais elementos do ambiente de drenagem. Assim, a água é fator de equilíbrio para os ecossistemas e primordial para o desenvolvimento humano, mas nem por isso sua preservação vem sendo respeitada. Dessa Forma, os recursos hídricos são objeto de estudo de natureza multidisciplinar, despertando o interesse de especialistas de diversas áreas como: Agronomia, Biologia, Engenharias, Geografia, Geologia, entre outras. Em termos práticos, esses estudos visam, em última análise, o impedimento ou a solução de problemas ambientais impulsionados pela entrada de águas pluviais no domínio das bacias hidrográficas, cujos efeitos podem propagar-se à curta ou longa distância das áreas efetivamente problematizadas. A ideologia desenvolvimentista do capital, agregado a uma sociedade consumista provocou, sobretudo nas últimas décadas, um aumento na demanda de água para o consumo nas mais diversas atividades, além da progressiva degradação dos mananciais. Segundo Ferreira (1992), o desenvolvimento acelerado do meio urbano, industrial e agrícola, desencadeou disputas pela utilização da água, levando à necessidade da criação de sistemas reguladores e de políticas de gerenciamento, surgindo então uma nova definição: a de recursos hídricos. Conforme o DAEE (apud Ferreira 1992, p. 3), 23 Na moderna concepção de Recursos Hídricos, as águas superficiais e subterrâneas devem ser administradas de modo integrado. A unidade do Ciclo Hidrológico, fundamental para existência da Vida, é o princípio básico a ser adotado na legislação, bem como nos planos e programas desses recursos. Nesse sentido, as águas subterrâneas levam ligeira vantagem sobre os mananciais superficiais pelo seu baixo custo relativo, pois possui invariavelmente qualidade superior e, portanto, comumente não necessita passar por tratamentos químicos convencionais e bacteriológicos ou adicionamentos de sais minerais. Além disso, com a intensificação das atuais pesquisas possibilitou-se uma avaliação sistemática do real potencial dos aqüíferos e, através de uma visão mais ampla do recurso disponível, foram desenvolvidas tecnologias para o melhor aproveitamento desse manancial, considerado hoje a segunda maior reserva de água doce do mundo (Figura 2) e a primeira em relação à disponibilidade, já que as geleiras se encontram nos pólos, distantes das principais áreas urbanas do mundo (Kannan, 2000). Água Salgada Água Doce Figura 2 – Distribuição e ocorrência de água no mundo. Para Sinelli (1970 apud Ferreira 1992), os freqüentes eventos degenerativos da qualidade da água e a maior tendência das águas superficiais para a degradação 84% 14% 1% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Geleiras Águas Subterrâneas Águas Superficiais 24 vêm exigindo o desenvolvimento de novas e eficientes técnicas para que seja preservada, haja vista a importância para o planejamento sócio-econômico. Segundo Foster et al. (1988), estimava-se, já na década de 80, a existência de 80.000 poços tubulares ativos no Brasil (além de outros milhares de poços rasos, escavados), que forneciam água para os mais diversos fins, sobretudo para abastecimento público. Centenas de núcleos urbanos de portes variados são hoje abastecidos exclusivamente por água subterrânea. Numerosos pólos agro- industriais e agro-pecuários têm a água subterrânea como manancial prioritário para atendimento da demanda de água. A crescente utilização dos recursos hídricos subterrâneos tende a aumentar nos próximos anos, tanto pelas necessidades decorrentes da concentração demográfica e da expansão econômica, como por suas vantagens relativas sobre as águas superficiais, como mencionado anteriormente. Todavia, a situação atual da explotação é marcada por uma visão imediatista de uso do recurso, prevalecendo o descontrole e a falta de mecanismos legais e normativos. Nestas condições, os aqüíferos, em diferentes áreas do território nacional, estão sujeitos aos impactos da extração descontrolada por poços e do uso e ocupação desordenada do solo, colocando em risco a qualidade de suas águas. 2.2 - CONSIDERAÇÕES SOBRE O CICLO HIDROLÓGICO Ao perfazer o ciclo hidrológico, a água ocorre nos estados líquido, sólido ou vapor. Segundo Coelho Netto (1998), a água no estado líquido pode ocorrer em toda litosfera do planeta, estando sob a forma de precipitação; em grandes reservatórios como em lagos, aqüíferos e oceanos e em fluxo contínuo sob a superfície, como em rios e solos; no estado sólido, ocorre sob a forma de neve ou gelo; como vapor d’água ocorre, sobretudo nas camadas inferiores da atmosfera e dentro das camadas mais superficiais da crosta terrestre. 25 A água está continuamente mudando de estado: de sólido para líquido, pelos descongelamentos de neves ou geleiras; de líquido para sólido, como resultado de congelamento em regiões de latitudes baixas; de líquido para vapor d’água, pela evaporação; e de vapor para líquido, por meio da condensação. A água líquida move-se rapidamente como chuva, e como fluxo superficial canalizado e não canalizado. Entretanto, no meio subterrâneo, move-se mais lentamente e flui gradualmente para os rios e oceanos. A Figura 3 ilustra, esquematicamente, os movimentos e as mudanças do estado físico da água que traduzem um ciclo hidrológico. O ciclo hidrológico é a contínua circulação da umidade e da água no planeta Terra, como ilustrado na Figura 3. Ao atingir a superfície da Terra, a água da chuva pode ter vários destinos: inicialmente uma parte se infiltra; quando o solo atinge seu ponto de saturação, a água passa a escorrer sobre a superfície em direção aos vales; dependendo da temperatura, uma parte da chuva volta novamente à atmosfera na forma de vapor. Em países frios, ou em grandes altitudes, a água se acumula na superfície na forma de neve ou gelo, ali podendo ficar por muito tempo. 26 Subdução Figura 3 – Ciclo hidrológico e seus principais componentes. Fonte: Karmann (2001) As atividades humanas interferem no ciclo hidrológico, por diversos meios como desmatamentos, impermeabilização do solo devido à pavimentação, etc. Isso acelera a evaporação e reduz a recarga dos aqüíferos, ocasionando maiores enchentes nos cursos de água que passam em centros urbanos, trazendo para sua população inúmeros transtornos tanto econômicos como de saúde. Apesar de cada vez mais notável a interferência do homem sobre o ciclo hidrológico, é necessária desmistificar a idéia criada pela sociedade de que o esgotamento da água ocorrerá por completo no planeta. A água é continuamente renovada no ciclo hidrológico, como ocorre a milhões de anos. As ações antrópicas apenas aceleram ou retardam o ciclo, sendo plausível dizer que essas mesmas ações podem causar sérios danos à qualidade dos 27 mananciais, provocando o aumento no custo econômico da recuperação da água e até mesmo sua inutilização. 2.2.1 – Água no Solo e Infiltração Horton, (1933 apud Coelho Netto, 1998), definiu o termo infiltração como sendo o fluxo em subsuperfície que atravessa a zona de aeração em direção ao nível freático, o qual delimita a porção extrema superior da zona saturada do solo. Coelho Netto (1998, p. 119) ainda descreve o processo de infiltração como sendo resultante “das relações de interdependência dos mecanismos de entrada na superfície do solo, de estocagem dentro do solo e de transmissão de umidade do solo”. Sob determinadas condições, o solo possui uma taxa máxima de absorção de água, a qual Horton (op. cit.) denominou capacidade de infiltração. Para Coelho Netto (op. cit.), os diferentes tipos de solos determinam as quantidades de chuvas que se infiltram ou que excedem para escoar na superfície do terreno. A água infiltrada e estocada no solo torna-se disponível à absorção pelas plantas e também ao retorno para a atmosfera por evapotranspiração. A água que não retorna à atmosfera irá recarregar o reservatório de água subterrânea e daí converge muito lentamente para as correntes de fluxos (vide Figura 3). Desse modo, a infiltração é o processo natural mais importante para a realização da recarga dos aqüíferos, alimentando o fluxo de base dos cursos d’água, mesmo em períodos de estiagem. O fluxo de base dos rios pode ser entendido como a retirada de água subterrânea do armazenamento. O arranjo espacial dos materiais do solo (ou estrutura do solo) influencia no direcionamento e no tempo de viagem dos fluxos de água. Manning (1997 apud Meaulo, 2004) e Coelho Netto (op. cit.) apontam importantes considerações práticas para o entendimento das relações entre propriedades físicas dos materiais e as hidrogeológicas: 28 materiais granulares inconsolidados podem possuir os mesmos valores de porosidade, independente dos tamanhos dos grãos; solos de granulometria argilosa podem apresentar valores de porosidade próximo aos solos de granulometria tamanho cascalho, porém, o tamanho dos poros em ambos os materiais serão diferentes, assim como as propriedades hidrogeológicas; a proporção de espaços preenchidos dos poros por água capilar será maior no solo argiloso do que em solos de granulometria grossa, porém, o argiloso apresentará maior quantidade de água retida do que o solo de textura grossa. solos profundos e bem drenados, com textura grossa e grandes quantidades de matéria orgânica apresentarão alta capacidade de infiltração, já os solos rasos e mais argilosos mostrarão baixas taxas e volumes de infiltração. Além dessas características fundamentais, existem ainda alguns fatores que interferem no volume e na velocidade de infiltração entre outros: a cobertura vegetal ─ quanto maior a densidade florestal maior é o volume de infiltração; a topografia ─ quanto menor à declividade do terreno, maior a infiltração; a precipitação ─ as chuvas mais intensas causam maiores impactos no solo exposto, e os picos de chuva de longa duração preenchem o potencial de estocagem e eventualmente conduzem os mesmos à saturação; o uso e ocupação do solo ─ a impermeabilização através do uso do solo no meio urbano impedem a infiltração da água. 2.2.2 – Movimento da Água Subterrânea A água que se infiltra está submetida a duas forças fundamentais: a gravidade e a força de adesão de suas moléculas às superfícies das partículas do solo (força de capilaridade e adsorção). Pequenas quantidades de água no solo tendem a se distribuir uniformemente pela superfície das partículas, pois a força de adesão é 29 mais forte do que a força da gravidade que age sobre esta água. Chuvas finas e passageiras fornecem somente água suficiente para repor esta umidade do solo. Para que haja infiltração até a zona saturada é necessário primeiro satisfazer esta necessidade da força capilar (Fetter, 1988). Já a quantidade de água adsorvida irá variar de acordo com a mineralogia das partículas do solo. Assim, abaixo da superfície do terreno, a água contida no solo e nas formações geológicas é dividida verticalmente em duas zonas horizontais, saturada e não saturada, sendo a primeira situada abaixo da superfície freática (Figura 4), caracterizada pelo preenchimento de água em todos os vazios existentes no terreno e a segunda, situa-se entre a superfície freática e a superfície do terreno (Figura 4), e nelas os poros estão parcialmente preenchidos por gases e água. Segundo Karmann (2001), o sentido de escoamento da água subterrânea ocorre a partir dos pontos altos, em direção aos vales até alimentar os rios, normalmente subparalelos à direção de maior declividade do terreno, concorrendo para formação das drenagens efluentes, que por definição é todo corpo de água superficial que é alimentado por água subterrânea, proveniente de descarga do lençol freático. Por se tratar de água de infiltração, a superfície deste lençol freático segue grosso modo a topografia do terreno, apresentando-se comumente suavizada em relação à topografia local (Figura 4). As linhas de fluxo de água subterrânea orientam-se ortogonalmente às linhas equipotenciais (normalmente são subparalelas às curvas de nível), que compõem a superfície potenciométrica dos aqüíferos. Dessa forma, a infiltração e a percolação das águas pluviais através de uma camada de solo ou rocha alterada poluída provocam a migração de uma série de compostos químicos orgânicos e inorgânicos através da zona não-saturada, podendo alguns desses compostos atingirem a zona saturada e, portanto, poluir ou contaminar o aqüífero (Santos, 2003). 1 Zona Saturada Nível Freático Superfície Zona Não Saturada Infiltração e Recarga Fluxo de Água Subterrâmea Figura 1 - Relação espacial entre a topografia do terreno e o lençol freático. Notar a superfície mais suavizada do lençol freático e a convergência das linhas de fluxo de água subterrânea (setas). Modificado de Karmann (2001). O fluxo das águas subterrâneas, uma vez existente uma fonte de contaminação, transporta seus produtos através de correntes advectivas ao longo de seu deslocamento, gerando assim uma "pluma" poluente. Advecção é o mecanismo de transporte ocasionado pelo fluxo de água; com o deslocamento da água, os contaminantes (solutos) presentes na mesma se movem na direção das linhas de fluxo com uma velocidade que, em princípio, é igual à velocidade média linear da água, sem alterar a concentração na solução (Fetter, 1988). Nesse sentido, cabe ressaltar as diferenciações entre poluição e contaminação, segundo Braga et al. (2002). A poluição é uma alteração indesejável nas características físicas, químicas e biológicas da atmosfera, litosfera ou hidrosfera que cause ou possa causar prejuízo à saúde, à sobrevivência ou às atividades dos seres humanos e outras espécies ou ainda deteriorar materiais. 2 Deve-se acrescentar que o conceito de poluição está associado apenas às modificações ou alterações provocadas pelas atividades do homem no meio ambiente. Para o mesmo autor, a contaminação pode ser assim definida: A contaminação refere-se à transmissão de substâncias ou microorganismos nocivos à saúde pela água. A ocorrência de contaminação não implica necessariamente em um desequilíbrio ecológico. De maneira análoga, a ocorrência de poluição não implica necessariamente riscos à saúde de todos os organismos que fazem uso dos recursos hídricos utilizados. Portanto, a avaliação da vulnerabilidade natural neste trabalho, abordará essas duas variáveis, mesmo quando referindo-se apenas a uma delas. Ou seja efeito da avaliação da vulnerabilidade, os objetivos finais não diferenciam tais definições. 2.2.2.1 - Mecanismos de transferência de contaminantes A poluição e a contaminação, possuem diferentes espacializações: pontual, quando a fonte está concentrada numa pequena superfície; difusa, quando a fonte de contaminação se estende, mesmo com baixa concentração, sobre uma grande superfície; linear, quando a fonte de contaminação é um rio ou canal. Fetter (1993) assinala que, além da advecção, a dinâmica dos contaminantes no solo costuma ser explicada através de outros dois mecanismos de transferência de massa, a saber: dispersão e atenuação. Esses mecanismos podem ser subdivididos em subprocessos: a dispersão pode ser dividida em dispersão hidráulica e difusão molecular, enquanto a atenuação pode ser compartimentada em adsorção físico- química, sorção química e bioconversão. 3 a) Dispersão - consiste no mecanismo responsável pela diminuição da concentração de contaminantes no fluido de percolação e que pode se dar através de dois processos: dispersão hidrodinâmica e difusão molecular. A dispersão hidrodinâmica acontece pela restrição de fluxo nos poros do solo que gera redução de velocidade da percolação dos componentes mais viscosos. A difusão molecular é, intrinsecamente, um fenômeno de diluição de componentes solúveis e é o principal processo formador da fase dissolvida, responsável pela maior mobilidade dos contaminantes. b) Atenuação - consiste na redução de contaminantes transportados pela advecção ou diluição através de reações químicas ou físico-químicas. A atenuação química é mais intensa em solos com maior capacidade de troca catiônica e atua reduzindo componentes das fases livre e adsorvida. Também nesse elenco de reações estão as reações de bioconversão, pela qual parcelas de contaminantes orgânicos são transformadas em ácidos orgânicos ou mesmo totalmente oxidadas. A atenuação química é mais intensa na região com maior disponibilidade de oxigênio e está intimamente associada à ação biológica. A atenuação físico-química é a responsável pela formação da fase adsorvida e consiste no aprisionamento de contaminantes que se aderem aos grãos do solo, sobretudo aos grumos de argilas. Entretanto, associada com os mecanismos de atenuação química, é responsável pela formação da fase dissolvida (facilitada pela redução de pH). Por isso, é de importância nos estudos ambientais o monitoramento das águas subterrâneas nas proximidades de terminais de Combustíveis, visando a detecção de fontes potenciais de poluição, no caso hidrocarbonetos derivados do petróleo. 2.3 - VULNERABILIDADE NATURAL DE AQÜÍFEROS Os primeiros conceitos relativos à vulnerabilidade natural à poluição das formações aqüíferas vêm sendo aplicados desde a década de 60, mas é a partir da década de 80 que começaram a ter uma maior divulgação (Puerari et al. 2003). O conceito de vulnerabilidade ainda não foi definido completamente e sem ambigüidades no contexto da poluição das águas subterrâneas. Freqüentemente, o 4 termo "vulnerabilidade à poluição" é usado com um sentido composto que talvez pudesse melhor ser descrito como "risco de poluição". Para Meaulo (2004), o mapeamento da vulnerabilidade natural à poluição de um aqüífero é na verdade o primeiro passo para avaliação do risco à poluição e, por isso, suas definições devem ser diferenciadas. Hashimoto et al. (1982) apresentaram uma análise do desempenho de sistemas, focando o problema do risco de colapso. Este conceito de vulnerabilidade, definido no contexto do desempenho de sistemas, pode ser utilizado também no contexto da poluição das águas subterrâneas, substituindo "colapso do sistema" por "carga poluente". A dimensão das conseqüências é avaliada em função da deterioração da qualidade da água, independentemente do aqüífero ser usado, ou não, para abastecimento público ou para qualquer outro fim. O Conselho Nacional de Pesquisa norte-americano (NRC) definiu a vulnerabilidade das águas subterrâneas como sendo a tendência ou probabilidade de um contaminante ser encontrado em uma posição específica no sistema de água subterrânea, após sua introdução em algum local acima do aqüífero mais superior (NRC, 1993). Foster & Hirata (1988), definiram a vulnerabilidade natural como a susceptibilidade que um sistema aqüífero tem de vir a ser degradado por uma carga contaminante. É um processo relativo, adimensional e sua avaliação ocorre admitindo-se que a contaminação é um processo dinâmico e interativo. Assim, a vulnerabilidade pode ser intrínseca (condicionada pelas características hidrogeológicas da área) e específica (quando se considera o fator externo, como o clima e o próprio contaminante) segundo estes autores à vulnerabilidade é em função da: a) inacessibilidade hidráulica de penetração do contaminante; b) capacidade de atenuação dos estratos acima da zona saturada do aqüífero, como resultado de retenção física e reações químicas com o contaminante. Seguindo essa mesma tendência, Lobo Ferreira & Cabral (1991) defenderam que para os novos estudos regionais fosse utilizado um conceito mais restrito de 5 vulnerabilidade natural de aqüíferos, de acordo com as conclusões e recomendações da conferência internacional sobre "Vulnerability of Soil and Groundwater to Pollutants", realizada nos Países Baixos em 1987. A vulnerabilidade natural foi definida nessa conferência como “a sensibilidade da qualidade das águas subterrâneas a uma carga poluente em função apenas das características intrínsecas do aqüífero”. Assim, conclui-se que a definição de vulnerabilidade natural dos recursos hídricos subterrâneos é distinta de risco de poluição, ou seja, é possível existir um aqüífero com um alto índice de vulnerabilidade, mas sem risco de poluição, caso não haja carga poluente, ou de haver um risco de poluição excepcional apesar do índice de vulnerabilidade ser baixo, pois o risco depende não só da vulnerabilidade, mas também da existência de cargas poluentes significativas que possam entrar no ambiente subterrâneo. Para melhor compreensão, foi utilizado o esquema conceitual utilizado por Foster & Hirata (1993), em que propõem à avaliação da vulnerabilidade natural de um aqüífero como uma ferramenta no auxílio para determinação do risco à poluição (Figura 5). Classe Pontuais Difusas Intensidade Disposição Duração Não-Saturada Zona Saturada Zona Saturada do Solo Superfície Zona Impacto nos Abastecimentos de Água Subterrânea Interação entre CC e VA Transporte lateral Construção de poços Profundidade do nível freático Litologia geral Vulnerabilidade do Aqüífero (VA) Risco de Contaminação das Águas Subterrâneas Etapas na Determinação do Risco Perfil do Transporte de Contaminantes Carga Contaminante (CC) Condição da água subterrânea Figura 2 – Esquema conceitual para a determinação do risco de contaminação das águas subterrâneas (Foster & Hirata, 1993). 6 Para o presente estudo será adotado o conceito de vulnerabilidade natural à poluição de aqüíferos utilizado por Lobo Ferreira & Cabral (1991) e Foster & Hirata (1993), pois os mesmos se aproximam em seus conceitos, mas considerando sobretudo as características intrínsecas do aqüífero. Contudo, é importante reconhecer que a vulnerabilidade natural depende também do tipo de poluente potencial. Exemplificando, Oliveira & Lobo Ferreira (2004) afirmam que a qualidade da água subterrânea pode ser muito vulnerável a uma carga de nitratos provindos de práticas agrícolas incorretas e, no entanto, ser pouco vulnerável a cargas patogênicas. Tendo em consideração essa realidade, é cientificamente defensável avaliar a vulnerabilidade natural a casos específicos de poluição. No entanto, verifica-se que o número de dados disponíveis, em geral, não é suficiente para o mapeamento específico; além disso, tratar individualmente cada atividade poluente em determinado ambiente hidrogeológico implicaria custos elevados. Portanto, é necessário para o pesquisador adotar métodos mais simples e amplos de avaliação, que possam ser aplicados de forma rápida, de custos menos onerosos e utilizando sempre que possíveis dados preexistentes. 2.3.1 – Métodos de Avaliação da Vulnerabilidade Natural de Aqüíferos Vários são os sistemas de avaliação e de mapeamento da vulnerabilidade natural de aqüíferos existentes na literatura como por exemplo, Albinet & Margat (1970), Haertle (1983 apud Lobo Ferreira & Cabral 1991), Aller et al. (1987), Foster (1987), Foster & Hirata (1988) e Oliveira & Lobo Ferreira (2004). Alguns desses sistemas incluem índices de vulnerabilidade formados por parâmetros hidrogeológicos, morfológicos e outras formas de parametrização das características dos aqüíferos, de um modo bem definido. A adoção de índices de vulnerabilidade tem a vantagem, em princípio, de eliminar ou minimizar a subjetividades inerentes aos processos de avaliação. Um índice deste tipo já havia sido estudado e desenvolvido por Aller et al. (1987) para a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, a U.S. EPA: o índice DRASTIC (Figura 6), escolhido para o emprego no presente estudo. O mesmo foi criado a partir dos seguintes pressupostos principais: 7 o contaminante é introduzido à superfície do terreno, o contaminante é transportado verticalmente até o aqüífero pela água de infiltração; o contaminante possui a mesma mobilidade da água. Outros sistemas paramétricos de avaliação da vulnerabilidade à poluição comumente utilizada por pesquisadores de todo o mundo e que possuem igualmente características de simplicidade e coerência podem ser citados, como os índices GOD, AVI e SINTACS, desenvolvidos no Reino Unido, no Canadá e na Itália respectivamente (Artuso et al., 2004). Suas principais características estão descritas no Quadro 1 que ainda inclui os índices Surface Impoundment Assessment, Site Ranking Methodology, EPPNA e IS. I I A A C C D D T TSolo Zona não Saturada Zona Saturada Nível Freático Legenda Solos Topografia Recarga Profundidade do nível d’água Impacto da zona não-saturada Material do aqüífero Condutividade hidráulica S S Solo R R Figura 3 - Parâmetros incorporados no método DRASTIC. Modificado de Oliveira & Lobo Ferreira (2004). 8 Segundo Artuso et al. (2004), além desses seis índices que se baseiam no sistema paramétrico, (utilizam valores numéricos, integrando-os para gerar formas relativas ou absolutas de índices de vulnerabilidade), existem outros três grupos de métodos principais. a. Métodos probabilísticos - dedicam-se ao problema da incerteza dos dados, focando apenas a zona saturada. b. Métodos estocásticos - trata-se de um tipo de aproximação que utiliza informação estatística para identificar combinações de fatores que determinam a vulnerabilidade. c. Métodos analógicos: utilizam parâmetros-chave, aplicando expressões matemáticas que resultam nos índices de vulnerabilidade (Meaulo, 2004). 9 Quadro 1 – Índices de vulnerabilidade natural à poluição de aqüíferos e seus respectivos fatores de ponderação. Índice Método e Avaliação Fatores Referência Surface Impoundment Assessment Paramétrico Sistema de disposição de águas servidas Zona não saturada; importância do recurso; qualidade das águas subterrâneas; periculosidade do material. (Le Grand, 1964) Site Ranking Methodology Paramétrico Disposição de resíduos sólidos e novas indústrias Uso da água e qualidade; nível e tipos de contaminação; profundidade do nível d’água; permeabilidade do solo; características dos resíduos (toxicidade e persistência). (Kulfs et al., 1980) DRASTIC Paramétrico Vulnerabilidade Geral (D) Profundidade do nível d’água; (R) Recarga do aqüífero; (A) Material do aqüífero; (S) Tipo de solo; (T) Topografia; (I) Influência da zona não-saturada; (C) Condutividade hidráulica. (Aller et al., 1987) GOD Paramétrico Vulnerabilidade Geral (G) Ocorrência de água subterrânea; (O) Classificação geral do aqüífero; (D) Profundidade do nível d’água. (Foster, 1987) AVI (Aquifer Vulnerability Index) Paramétrico Vulnerabilidade Geral Espessura (di) de cada nível sedimentar acima da superfície freática. Condutividade hidráulica (Ki). (Stempvoort, 1992) SINTAC Paramétrico Vulnerabilidade Geral Igual ao DRASTIC, mas com pesos diferentes. (Civita et al., 1994) EPPNA (Equipe de Projeto do Plano Nacional da Água) Paramétrico Vulnerabilidade Geral De acordo com as características de cada formação litógica/hidrogeológica. (EPPNA, 1998) IS (Índice de Susceptibilidade) Paramétrico Vulnerabilidade Geral Igual ao DRASTIC, mas com pesos diferentes e considerando a ocupação do solo. (Francés et al., 2001) Fonte: NRC (1993); Artuso et al. (2004). 23 10 2.3.2 – Escolha do Índice DRASTIC A escolha do índice DRASTIC para aplicação na presente pesquisa deve-se, principalmente aos fatores abaixo elencados: é um dos índices mais conhecidos e aplicados no mundo; relaciona seus diversos parâmetros com os mecanismos que envolvem os transportes dos contaminantes no meio subterrâneo; simplicidade de operação em conjunto com o baixo custo de aplicação. Embora seja mais oneroso se comparado com os índices GOD e AVI, uma vez que se utilizam de menos variáveis, entretanto, estes índices possuem nível de subjetividade maior no processo de avaliação; quantidade de parâmetros diretos e indiretos utilizados em sua determinação, apresentando maior variedade de fatores se comparado aos demais índices listados no Quadro 1. Por exemplo, a utilização de dados de recarga e condutividade hidráulica, evitando assim a extrapolação de valores e a minimização da generalização dos resultados; índice melhor indicado para aplicação em escalas locais. Alguns exemplos da aplicação do índice DRASTIC podem ser citados, como o utilizado por Rosa et al. (2001), como um dos componentes para avaliar a viabilidade de implantação de campos de golfe no concelho de Albufeira em Portugal, com área de 144 Km2. Porém, para utilização do DRASTIC, os autores realizaram algumas modificações no índice introduzindo parâmetro relacionado com uso e ocupação do solo, de modo a enfatizar o impacto ambiental do uso sobre os recursos hídricos subterrâneos. Outro exemplo a ser citado também vem de Portugal, através da aplicação do DRASTIC na região ocidental de Beja, numa extensão de aproximadamente de 50 11 km2. Nesta análise, foram abordadas as principais características hidrogeológicas da área, como uso e ocupação do solo e aspectos climáticos que condicionam as necessidades hídricas para agricultura (Paralta & Francês, 2000). No Brasil, alguns exemplos de estudos de vulnerabilidade em escala local poderiam ser citados, mas os autores pesquisados utilizaram outros métodos de avaliação. 2.3.3 – Limitações dos Métodos de Avaliação da Vulnerabilidade Natural Os índices de vulnerabilidade e seus métodos de cálculo, incluso o DRASTIC, não consideram na avaliação da vulnerabilidade mapas específicos para cada contaminante ou atividade antrópica, a não ser em casos de índices adaptados que se assemelham à análise de risco. Segundo Foster & Hirata (1993), se considerados todos fatores seria necessária a geração de uma série de mapas de vulnerabilidade natural à poluição, que poderiam ser compilados em um Atlas de Vulnerabilidade de Aqüíferos. Contudo, ainda não é possível atingir tal ideal, por não existirem informações suficientes e/ou dados adequados. Além disso, os citados autores advertem sobre a precaução na interpretação dos índices de vulnerabilidade, devido ao conceito de uma “vulnerabilidade geral a um contaminante universal em um cenário típico de contaminação”, uma vez que todos os aqüíferos são vulneráveis a contaminantes persistentes não-degradáveis. Muitos autores consideram o emprego dos índices de vulnerabilidade natural em escala local como fator limitante. Meaulo (2004) cita ainda algumas limitações inerentes aos métodos de avaliação da vulnerabilidade das águas subterrâneas: 12 super-explotação do aqüífero para abastecimento hídrico e conseqüente rebaixamento da profundidade do nível d’água subterrâneo; o grau de confinamento e densidades de fraturamentos em aqüíferos fissurais. 2.3.3.1 - Escala de trabalho A escala de trabalho é a apresentação de qualquer mapa em função direta da densidade de informação existente e dos objetivos que se quer atender. Segundo Foster & Hirata (1988), normalmente no planejamento de uso do solo ou em programas de gestão da proteção dos recursos hídricos, a escala dos mapas de vulnerabilidade varia entre 1:250.000 e 1:100.000. Muitas vezes são criadas cartas em escalas menores que 1:250.000 (de menor detalhe), servindo a estudos regionais para o macro-planejamento. A maioria das técnicas de vulnerabilidade existentes gera cartas nas escalas entre 1:200.000 e 1:100.000. Já o maior detalhamento que 1:100.000 acaba criando uma baixa relação custo/benefício, pois outras técnicas, inclusive a modelação analítica, poderia ser utilizada. Contudo, Oliveira & Lobo Ferreira (2004) consideram a aplicação do índice DRASTIC em áreas com dimensões mínimas de até 0,4 Km2, o que possibilita sua utilização na área de interesse deste trabalho (0,48 Km2). Independente da escala para aplicação do índice DRASTIC, sua utilização no presente trabalho caracteriza-se fundamentalmente em uma área teste, visto a quantidade e confiabilidade dos dados apresentados. Portanto, essa obra através da referência teórica apresentado e a aplicação do método selecionado torna-se uma referência para outros trabalhos que utilizaram o DRASTIC para análises envolvendo a vulnerabilidade de aqüíferos à poluição seja em escala local ou regional. Mesmo em escala local, o mapeamento da vulnerabilidade natural à poluição, como ferramenta de auxílio à manutenção da qualidade das águas subterrâneas, é relevânte, na medida em que o fluxo de base de rio, quando existente uma fonte poluidora provinda do aqüífero, pode se transformar num agravante ambiental 13 para todo domínio de uma bacia hidrográfica, afetando assim todo manancial de abastecimento e o equilíbrio dinâmico do ecossistema. 14 CAPÍTULO 3 – PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 3.1 – ETAPAS DE TRABALHO Neste capítulo são apresentadas algumas considerações e bases utilizadas para a estruturação do presente trabalho, que envolveram principalmente o levantamento de áreas para o estudo, a realização de ensaios no campo e a fase de tratamento e análise dos dados obtidos. Numa primeira fase, realizou-se o levantamento bibliográfico dos principais trabalhos científicos e teses de hidrogeologia e geologia relacionadas à vulnerabilidade natural de aqüíferos e avaliações hidrogeológicas, bem como bases para o desenvolvimento teórico sobre os recursos hídricos e conceitos básicos sobre o ciclo hidrológico e as águas subterrâneas, trazendo o tema para uma análise mais aprofundada. Em relação à área de estudo, o critério principal para a seleção foi a disponibilidade de dados existentes. Várias áreas foram avaliadas, mas o local escolhido para discussão na presente dissertação foi o que continha a maior quantidade de poços de monitoramento perfurados e, portanto, potencialmente mais favorável pela maior disponibilidade de dados. A segunda fase desse estudo contou com levantamentos de campo, através da análise empírica da área de estudo utilizando-se de: reconhecimento do uso e ocupação do solo; a predominância dos seus aspectos físicos naturais; ensaios de permeabilidade hidráulica (in situ); descrição de afloramentos e, a determinação da localização dos poços através de GPS (Global Position System). Por fim, realizou-se a análise integrada de todas variáveis destacadas, fundamentadas de acordo com os objetivos propostos. Nas páginas subseqüentes, cada etapa de trabalho será descrita segundo os procedimentos adotados de análise baseada nas referências levantadas. 15 3.2 - ÍNDICE DRASTIC O método selecionado para avaliação da vulnerabilidade na área de estudo baseia-se no índice DRASTIC, que se fundamenta num conjunto de procedimentos que permitem integrar vários parâmetros caracterizadores do meio subterrâneo e de suas especificidades. Esta metodologia foi desenvolvida pela National Ground Water Association, e é empregada pela Agência de Proteção Ambiental norte-americana (US-EPA), constituindo um modelo qualitativo para avaliar a vulnerabilidade natural das águas subterrâneas frente a cargas poluentes, através de variáveis hidrogeológicas (Aller et al. 1987). Este modelo é um dos índices de vulnerabilidade mais difundido atualmente. Segundo Aller et al. (1987), o índice DRASTIC corresponde à média ponderada de sete valores correspondentes aos seguintes sete parâmetros ou indicadores hidrogeológicos: D - Profundidade da zona não-saturada do solo (Depth to groundwater); R – Recarga do aqüífero (Recharge); A – Característica do aqüífero (Aquifer media); S - Solos (Soil media); T - Topografia (Topography); I - Impacto na zona não saturada (Impact of the insaturate zone); C - Condutividade hidráulica (Condutivity hydraulic). (O nome DRASTIC resulta da junção das letras em negrito, referente aos parâmetros, em inglês). 16 Cada um dos sete parâmetros DRASTIC foram divididos, quer em escalas, quer em tipos de meio significativos que condicionam a vulnerabilidade natural do aqüífero. A partir de Lobo Ferreira & Oliveira (1993), a aplicação do método DRASTIC pode ser assim sintetizada: (1) atribuem-se valores de 1 a 10 a cada parâmetro, em função das condições locais; valores elevados correspondem a uma maior vulnerabilidade; os valores a atribuir são obtidos de condicionantes correspondentes entre as características hidrogeológicas locais e o respectivo parâmetro; (2) em seguida, o índice local é calculado multiplicando-se o valor atribuído ao parâmetro pelo seu peso relativo; cada parâmetro tem um peso pré-determinado que reflete sua importância relativa na quantificação da vulnerabilidade (Tabela 1); os parâmetros mais importantes têm peso 5, os menos importantes possuem peso 1; (3) por último, adicionam-se os sete produtos parciais obtendo-se o valor do índice final DRASTIC; o valor mínimo possível é 23 e o máximo é 226. A Tabela 1 disponibiliza as faixas de pesos relativos para aplicação geral do índice DRASTIC na avaliação da vulnerabilidade natural de aqüíferos. Estes fatores, denominados fatores de ponderação DRASTIC, são relacionados entre si através de uma equação simples, aplicada a cada unidade geográfica de trabalho (Lobo Ferreira & Oliveira, 1993): Índice DRASTIC = DpDc + RpRc + ApAc + SpSc + TpTc + IpIc + CpCc (1) Onde: Dp, Rp, Ap, Sp, Tp, Ip, Cp = pesos dos fatores DRASTIC na equação; Dc, Rc, Ac, Sc, Tc, Ic, Cc = fator de carga ou índice das variáveis nos seus respectivos intervalos de ocorrência. 17 Tabela 1 – Parâmetros pertencentes ao índice DRASTIC e seus pesos relativos ou fatores de ponderação utilizados para a quantificação da vulnerabilidade natural de aqüíferos. Parâmetros Pesos Relativos (p) Profundidade da zona não-saturada do solo (D) 5 Recarga do aqüífero (R) 4 Material do aqüífero (A) 3 Solos (S) 2 Topografia (T) 1 Impacto da zona não saturada (I) 5 Condutividade hidráulica (C) 3 Fonte: Aller et al. (1987). Segundo Aller et al. (1987), embora os valores possíveis do índice DRASTIC situem-se entre 23 e 226, os mais freqüentes estão entre 50 e 200. Baseado nesses autores adotou-se as classes ou intervalos de vulnerabilidade apresentados na Tabela 2. Tabela 2- Valores correspondentes ao índice de vulnerabilidade DRASTIC e seus respectivos intervalos. Valores Correspondentes Intervalos de Vulnerabilidade <100 Vulnerabilidade insignificante 18 101 – 119 Vulnerabilidade muito baixa 120 – 139 Vulnerabilidade baixa 140 – 159 Vulnerabilidade moderada 160 – 179 Vulnerabilidade alta 180 – 199 Vulnerabilidade muito alta > 200 Vulnerabilidade extrema Fonte: Aller et al. (1987). Para a aplicação do índice DRASTIC, no presente trabalho, é admitida a existência de um contaminante possuidor da mesma mobilidade da água em meio poroso, que se introduz pela superfície do terreno atravessando a zona não saturada através de infiltração e atingindo a água subterrânea, num processo de deslocamento desde as zonas de recarga até as áreas de descarga do aqüífero. Contudo, para aplicação do índice DRASTIC deve-se tomar alguns cuidados para que os valores obtidos a partir de dados preexistentes e de ensaios in situ não sejam extrapolados, obtendo análises que generalizam o meio de estudo e, conseqüentemente, resultados superestimados. Dessa forma, para a aplicação do método, devem ser atendidas as seguintes recomendações: obter uma representação detalhada da área em escala apropriada; analisar as informações disponíveis para caracterizar hidrogeologicamente o meio; atribuir valores aos parâmetros, utilizando informações existentes, geológicas e hidrogeológicas, bases de dados e eventuais poços presentes no aqüífero; fazer um reconhecimento de campo. Dessa forma, devido à não disponibilidade de dados a avaliação da vulnerabilidade natural do aqüífero freático não será aplicada para todo o domínio 19 da bacia hidrográfica do ribeirão Lindóia. A área de estudo localiza-se em um terminal de combustíveis, onde ocorre o armazenamento e a distribuição de milhares de litros dos derivados de gasolina/diesel/álcool para maior parte dos postos de combustíveis instalados no município de Londrina. Essa situação implica riscos potenciais de poluição do solo e das águas subterrâneas à jusante dos tanques de armazenamentos dos produtos mencionados; por isso, a área delimitada merece destaque numa avaliação de vulnerabilidade natural do aqüífero freático local. Além disso, através do reconhecimento de campo foi possível constatar a presença de inúmeros poços de monitoramento, o que garante informações geológicas e hidrogeológicas essenciais para o sucesso da presente pesquisa científica, evitando assim a extrapolação dos resultados. 3.3 - POÇOS DE MONITORAMENTO As informações obtidas dos poços de monitoramento servem à investigação e à caracterização da ocorrência das águas subterrâneas locais, através da determinação da espessura de solo e rocha alterada, bem como à medição dos níveis saturados para determinação da superfície freática. Os critérios técnicos para instalação dos poços de monitoramento na área de estudo seguem o esquema representado na Figura 7. 20 Figura 4– Esquema de construção dos poços de monitoramento. A partir dos poços de monitoramento existentes foram realizados ensaios de permeabilidade in situ que, somados às características intrínsecas do aqüífero auxiliaram na definição dos parâmetros para avaliação hidrogeológica da área de estudo, contribuindo assim para geração de um mapa de vulnerabilidade do aqüífero freático local. 3.4 - BALANÇO HÍDRICO REGIONAL 21 Buscando subsídios necessários ao presente estudo, foi estimado o balanço hídrico regional da área, através da metodologia empregada por Thornthwaite & Mather (1955). Esse método foi definido com a finalidade de uma melhor compreensão dos ganhos e perdas constantes no ciclo hidrológico, pois as chuvas influenciam diretamente o comportamento do nível freático local e o volume de infiltração, agindo diretamente no transporte do contaminante através da zona não-saturada. O método utilizado se baseia em dois elementos climáticos principais: a precipitação pluviométrica e a temperatura, dados esses retirados de uma série histórica obtida por uma estação metereológica local. Para obtenção dos valores de recarga, foram utilizados cálculos de Vianna & Celligoi (2002) para o aqüífero Serra Geral, que se basearam na curva de recessão de um dos rios localizados na região de estudo. O período de recessão do ribeirão está associado ao período de diminuição das chuvas na região, que por sua vez se reflete na diminuição da descarga do ribeirão, ou mais precisamente no fluxo de base da drenagem. O fluxo de base dos rios representa a retirada de água subterrânea do armazenamento, que também pode ser conhecida como recessão de água subterrânea. Partindo desse conceito, o termo recessão refere-se ao declínio da descarga natural de uma drenagem na ausência de entrada por precipitação (Rosa Filho, 1993). 3.5 - ENSAIOS DE CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA (IN SITU) Ensaios de condutividade hidráulica1 ou permeabilidade são correntemente realizados com a finalidade de se obter parâmetros hidráulicos do aqüífero objeto 1 Segundo Hubert (1956 apud Pede, 2004), a condutividade hidráulica ou permeabilidade hidráulica ocorre em função do meio poroso e das características do fluido que o atravessa; já a permeabilidade intrínseca está relacionada somente às características do meio poroso, não importando as propriedades do fluido. 22 de estudo. O coeficiente de permeabilidade ou de condutividade hidráulica (K) é, sem dúvida, um dos parâmetros mais importantes para caracterização de aqüíferos. A determinação da permeabilidade através de ensaios de laboratório apresenta como principais desvantagens a necessidade da coleta de amostras indeformadas no campo, seu transporte, preparação e ensaio em laboratório, além da menor representatividade das amostras e, conseqüentemente, dos resultados obtidos. Por estes motivos, os ensaios são freqüentemente executados in situ, como os realizados para esse estudo, ou em furos de sondagens. Segundo Oliva (2002), os ensaios de permeabilidade em solos podem ser classificados, conforme a maneira de realização, em ensaios em nível constante e em nível variável e o diferencial de pressão positivo (carga) ou negativo (descarga) aplicado ao aqüífero. Deve-se considerar que os ensaios realizados nas porções não saturadas dos solos (acima do lençol freático) admitem apenas sua realização por injeção de água (ensaios de "carga"). Na área de estudo ocorrem 2 meios diferenciados, que fornecem diferentes condutividades. O primeiro é o solo alterado proveniente do intemperismo das rochas basálticas e que apresenta comumente baixa permeabilidade na zona não saturada, onde optou-se pela realização de ensaios em nível constante; e um segundo meio, caracterizado por apresentar alta permeabilidade hidráulica devido a existência do perfil saprolítico que por sua vez, optou-se pela realização de ensaios em nível variável na zona saturada. Terzaghi & Peck (1967) e Mello & Teixeira (1967), fornecem classificações para valores de condutividade hidráulica, segundo o grau de permeabilidade e o tipo de solo predominante, respectivamente (Quadro 2). Tais parâmetros auxiliarão na comparação dos resultados referentes aos ensaios de permeabilidade realizados in situ na área de estudo. 23 Quadro 2 – Classificação da condutividade hidráulica do solo. Coeficiente de Permeabilidade K (cm/s) Grau de Permeabilidade Terzaghi & Peck (1967) Tipo de Solo Mello & Teixeira (1967) 109 a 1 Pedregulhos 1 a 10-1 Alta 10-1 a 10-3 Média Areias 10-3 a 10-5 Baixa 10-5 a 10-7 Muito Baixa Areias finas siltosas e argilosas, siltes argilosos < 10-7 Praticamente Impermeável Argilas Os ensaios em nível constante são realizados através da manutenção do nível d'água, em furo de sondagem, poço ou trincheira, com posição constante ao longo de toda duração do ensaio. Este nível d'água pode ser estabelecido de duas formas: através da introdução de água (ensaios de infiltração) ─ neste caso é aplicada uma carga (constante), medindo-se a vazão injetada necessária para manter tal nível constante; através de retirada de água (ensaios de bombeamento) ─ neste caso, o aqüífero é descarregado, medindo-se a vazão bombeada necessária para manter constante o nível rebaixado. Nos ensaios em nível variável, o nível d'água natural é alterado para uma posição que se pode denominar nível inicial do ensaio. A tendência do nível d'água voltar à posição original é acompanhada ao longo do tempo de ensaio. O nível inicial pode ser estabelecido também por duas formas: 24 através da introdução de água (ensaios de rebaixamento) e medindo-se em seguida sua velocidade de rebaixamento; através de retirada de água (ensaios de recuperação) e medindo-se em seguida a velocidade de recuperação. Segundo Oliva (2002), é sempre conveniente que a realização dos ensaios de permeabilidade se insira no contexto da programação geral de um estudo hidrogeológico, visando desta forma caracterizar o comportamento hidráulico de cada unidade geológica presente no local. Portanto, nesse estudo foram realizados dois tipos de ensaios de permeabilidade hidráulica: o slug test (nível variável), em meio saturado, e o Guelph (nível constante), realizado em meio não- saturado, ambos regidos pela lei de Darcy. 3.5.1 - Lei de Darcy Henry Darcy, engenheiro hidráulico francês, foi o responsável pelo nascimento da hidrogeologia como ciência quantitativa, em 1856, com a publicação de seu trabalho referente aos experimentos realizados na cidade de Dijon, França. Darcy investigou o fluxo de água através de filtros preenchidos de areia homogeneizada e saturados. A partir desses experimentos, concluiu que a vazão de escoamento (volume por unidade de tempo) Q, utilizando um sistema similar ao mostrado esquematicamente na Figura 8, é: proporcional à área da secção transversal (A) do filtro; proporcional à diferença de carga hidráulica (∆h= h1 - h2); inversamente proporcional ao comprimento L. 25 Seção transversal A Z Z Q Q Datum Z= 0 Figura 5- Experimento de Darcy (modificado de Freeze & Cherry, 1979). Estas conclusões combinadas resultaram na Lei de Darcy: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= − L hhKAQ 21 Na equação acima, o K é o coeficiente de proporcionalidade conhecido como condutividade hidráulica. As elevações h1 e h2 são medidas em relação a um mesmo datum. A equação 2 pode ser escrita na forma diferencial, da seguinte maneira: dL dhKAQ −= onde: (2) (3) 26 dh/dL = gradiente hidráulico (i) [L/L]; K = constante de proporcionalidade (condutividade hidráulica) [L/T]; Q = taxa volumétrica de fluxo [L³/T]. O sinal negativo é indicativo do fluxo na direção de cargas decrescentes. Definindo, q=Q/A como descarga específica, velocidade aparente ou ainda velocidade de Darcy, tem-se: dl dhKq −= A equação 2 pode ser rearranjada para mostrar que o coeficiente (condutividade hidráulica) tem a dimensão de comprimento/tempo (L/T), ou velocidade. ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = T L L LL T L dl dhA QK 2 3 As unidades mais comumente utilizadas para condutividade hidráulica (K) são: cm/s, m/s ou m/d. A obtenção da condutividade hidráulica possibilita o cálculo da velocidade linear média, tal velocidade é regida diretamente pela Lei de Darcy, na expressão: l h n KV e x ∆ ∆− = Onde: (4) (5) (6) 27 Vx - velocidade linear média K - condutividade hidráulica ne - porosidade efetiva l h ∆ ∆ - gradiente hidráulico 3.5.1.1 - Permeâmetro Guelph O permeâmetro Guelph, modelo 2800, foi utilizado na determinação expedita da condutividade hidráulica in situ na zona não-saturada (Figura 9) formada pelos latossolos provenientes de alteração de rochas basálticas, na área de estudo no município de Londrina. A realização desse tipo de ensaio, a carga constante nos horizontes não saturados do solo funciona segundo o princípio do Sifão de Mariotte (Figura 10). O procedimento do ensaio requer, após a análise e seleção dos locais a serem ensaiados, a realização de furos a trado com fundo plano e em seguida a injeção de água através do permeâmetro Guelph. Quando se estabelece um nível d'água (carga hidráulica) constante no interior do furo de trado, origina-se um "bulbo" de saturação d'água a partir de sua base (Figura 11). 28 Permeâmetro Guelph Figura 6 - Realização do ensaio de infiltração in situ utilizando o Permeâmetro Guelph. 29 Figura 7 - Esquema de funcionamento de um Permeâmetro Guelph (modificado de Oliva, 2002). Figura 8 - Bulbo de saturação d'água no solo (modificado de Oliva, 2002). O volume d'água que se infiltra no solo por unidade de tempo (taxa de infiltração) se torna constante depois de determinado tempo de estabilização. As características e dimensões deste "bulbo" de saturação d'água, uma vez atingida a condição de estabilidade, variam com as características do solo ensaiado. O conhecimento do valor da taxa de infiltração, associado às dimensões do furo e da altura da coluna d'água em seu interior, permite o cálculo da condutividade hidráulica in situ, através da seguinte expressão, segundo Soil Moisture Corp.(1987): ou [ ]))()(0054,0())()(0041,0( 12 RXRXK −= (7) (8) 30 Onde: K – Condutividade hidráulica, em cm/s; R1; R2 – Taxas de infiltração estabilizadas correspondentes a H1 e H2 respectivamente, em cm/s; 2X; Y – Constantes correspondentes a área do tubo (reservatório d’água) utilizado, em cm2; 0.0041 e 0,0054 – Valores adimensionais que podem ser obtidos através da fórmula: e onde, Onde: H1; H2 - Níveis d’água no furo correspondentes à primeira leitura (5 cm) e à segunda leitura (10 cm), respectivamente; 2 Nos ensaios de permeabilidade com o permeâmetro Guelph, utilizou-se ambos reservatórios, interno e externo; em conseqüência disto, a constante empregada nos cálculos foi Y = 2,17 cm2 e X = 35,36 cm2. )](a)1(2[ 1221 2 221 21 2 CHCHHHHH CH G −+− = π (9) (10) [ ]))()(0054,0())()(0041,0( 12 RYRYK −= )( )2( 21 1 21 CH CH GG = 31 C - Coeficiente de proporcionalidade que depende principalmente do tipo de solo existente no local de ensaio. No modelo semi-analítico e numérico para a estimativa de K, algumas condições estão implicitamente assumidas: meio poroso rígido, homogêneo e isotrópico; fluxo constante (steady state flow); semi-espaço infinito. Com base nos valores obtidos para a condutividade hidráulica in situ, pode-se calcular os correspondentes valores de permeabilidade intrínseca, Ki, através da relação (Fetter, 1988): Onde: Ki - Permeabilidade intrínseca, em cm2; K - Condutividade hidráulica, em cm s-1; µ - Viscosidade da água, em g s-1 cm-1; ρ - Massa específica do fluido, em g cm-3; g - Aceleração da gravidade, em cm s-2. )/( gKK i ρµ= (11) 3.5.1.2 - Método de slug test Para obtenção dos valores de condutividade na zona saturada, é necessária a determinação das condutividades hidráulicas em nível variável, já que a condutividade hidráulica (K) do aqüífero nessa zona possui provavelmente grande permeabilidade hidráulica no manto de alteração e/ou na rocha semi-alterada. Para determinação da permeabilidade foram utilizados ensaios do tipo slug test, a partir do método empregado por Hvorslev. Segundo Pede (2004), na prática o ensaio consiste em introduzir ou retirar um sólido (slug) dentro do poço, de forma que o nível d’água (NA) seja elevado ou rebaixado instantaneamente. Entretanto, a estabilização desse nível pode ser tão rápida que muitas vezes só é possível acompanhá-lo através de transdutores de pressão (Figura 12). Este volume deslocado equivale à adição ou à retirada instantânea de água do aqüífero. Monitorando o posicionamento do NA, obtém-se uma curva de rebaixamento do NA com o tempo. Desta curva são extraídos os parâmetros que, juntamente com as características geométricas do poço, fornecem o valor de condutividade hidráulica (Figura 13). Portanto, a metodologia de Hvorslev permite avaliar a permeabilidade média das camadas ao redor do filtro, que se encontra nos níveis próximos à zona de contato entre a rocha alterada (saprolito) e o solo propriamente dito, segundo a seguinte equação: Onde: r - Raio efetivo do piezômetro; L - Comprimento da seção filtrante; R - Raio do furo; T0 - Tempo de resposta quando ht / h0 = 0,37; K - Permeabilidade hidráulica. 0 2 2 )/ln( LT RLrK = (12) Figura 1- Desenho esquemático do teste de slug com a inserção (A) e retirada (B) de cilindro sólido. Modificado de Pede (2004). Figura 2 – Desenho esquemático do teste de slug, com os parâmetros geométricos necessários para estimar a condutividade hidráulica, com base no método de Hvorslev (1958). Impermeável 2R Le 2r Ht H o AquíferoAquífero NA t (t=0) o NA t > to Superfície NA original 3.6 - TOPOGRAFIA O levantamento topográfico referente à área de estudo contou com a apresentação da carta das cotas altimétricas elaboradas pelo IPPUL (2001) para a área urbana de Londrina na escala de 1: 50.000 em modelo digital. Através desse levantamento topográfico foi calculada a declividade através da utilização do software IDRISI. Declividade refere-se à inclinação da superfície do terreno em relação ao plano horizontal. Considerando as curvas de nível do terreno de dados altimétricos extraídos de uma carta topográfica e traçando um plano tangente a esta superfície num determinado ponto (P), a declividade em P corresponderá à inclinação deste plano em relação ao plano horizontal. CAPÍTULO 4 - CARACTERIZAÇÃO GERAL DA ÁREA Os diagnósticos sócio-econômicos e do meio físico natural, em âmbito regional e local, constituem informações determinantes para o sucesso deste estudo, pois é premente o entendimento da interação entre os processos sócio-econômicos e físico-naturais que caracterizam os espaços geográficos das bacias hidrográficas, diante do crescente comprometimento da qualidade dos mananciais e da disponibilidade de água potável, notadamente em áreas urbanas. A área de estudo localiza-se na vertente direita do ribeirão Lindóia, próximo à nascente desse importante corpo d’água. A drenagem do ribeirão está inserida nos limites da área urbana do município de Londrina (Figura 14). Figura 1 – Detalhe da área de estudo. 4.1 - ASPECTOS SÓCIO-ECONÔMICOS A cidade de Londrina possui atualmente mais de 450 mil habitantes (Figura 15); seu traçado urbano inicial, na década de 30, visava abrigar uma população de 20 mil habitantes. 0 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 População (mil hab.) 1970 1980 1991 2003 A n o s Figura 4 – Evolução da população urbana de Londrina de 1970 a 2003. Fonte: IBGE (censo demográfico 1970, 1980, 1991, 2003 apud Trindade 2004). Como observado na Figura 15, o número de habitantes da cidade de Londrina dobrou em pouco mais de trinta anos. Esse crescimento acelerado da cidade, aliado à falta de um planejamento que efetivamente acompanhasse sua expansão, acabou acarretando problemas tanto de ordem ambiental, quanto sócio-econômica, repercutindo na qualidade de vida da população, principalmente a de mais baixa renda. Segundo Chaves (2002), as famílias que não possuem renda familiar adequada, dado o processo de especulação imobiliária1, acabam por ocupar fundos de vales sem o saneamento mínimo necessário. Todavia, Londrina hoje é considerada a terceira maior cidade do sul do país, destacando-se principalmente no setor comercial. Segundo Yamada (1991), o município possui uma forte influência nas áreas de educação, saúde e prestação de serviços, atingindo o sul dos estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul. 1 Segundo Oliveira (1978 apud Cunha 1996) o processo de especulação imobiliária ocorre da seguinte maneira: primeiramente busca-se superar os trâmites burocráticos da aprovação do loteamento da área para satisfazer as posturas municipais. Depois, coloca-se parte da área à venda (essa oferta deve ser sempre inferior à demanda); tais áreas geralmente correspondem às piores parcelas, compostas por encostas íngremes, baixadas, entre outros. Depois de concluída a venda, os loteadores incentivam a população local a reivindicar todo tipo de infraestrutura e serviços como asfalto, água, luz, rede de esgoto, linhas de ônibus, etc. Quando esses serviços básicos já estão instalados, então se põe a venda as outras áreas (geralmente as melhores) por um preço muito superior as primeiras. O rápido crescimento de Londrina ocorreu, segundo a mesma autora, em função de alguns aspectos que considera fundamentais, como: a integração entre áreas rurais e urbanas na região, implantadas pelo planejamento territorial da Companhia de Terras Norte do Paraná, o que facilitou a circulação dos produtos da área rural em direção aos centros consumidores; o parcelamento da área rural em pequenas propriedades; a posição geoeconômica de Londrina, que recebe influência direta de São Paulo e irradia seu domínio sócio-econômico por uma vasta região, principalmente no norte do Paraná; a atividade cafeeira como base fu