Defesa de Tese apresentada como pré-requisito de doutoramento na Pós-Graduação em Recursos Naturais e Evolução Crustal do Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto. Objetivo geral: Propor como incluir os processos de recarga e descarga de aquíferos dentro dos procedimentos de estudo, gestão e tomada de decisão ambiental dentro dos Instrumentos da Política Nacional de Meio Ambiente. Objetivos Específicos: Desenvolver metodologia de estudo de recarga de aquíferos para instrumentos de planejamento regional.
Apresentam-se ferramentas metodológicas para caracterização espacial dos processos de recarga e descarga de aquíferos em múltiplas escalas de abordagem como subsídio para instrumentos de gestão das políticas de recursos hídricos e de meio ambiente. Esses métodos consistem em: diagnóstico expedito de recarga de aquíferos em contextos locais; caracterização espaço-temporal da dinâmica de ocupação do solo em áreas com maior favorabilidade de recarga; caracterização cartográfica de favorabilidade de recarga de aquíferos; mapeamento da contribuição de vazão específica para componentes de fluxo (rápido, interfluxo e base); modelagem espacial da influência dos atributos ambientais sobre os componentes de fluxo. Os métodos foram aplicados na Bacia do Rio Paracatu, afluente do Rio São Francisco. Os resultados são interpretados de maneira interescalar e oferecem informações úteis para o uso sustentável dos recursos hídricos e a ocupação do solo.
Recarga de Aquíferos: subsídios à gestão hídrica e ambietnal
1. Recarga de Aquíferos: subsídios à
gestão hídrica e ambiental – Bacia
do Rio Paracatu (SF-7)
Doutorando: Vitor Vieira Vasconcelos
Orientador: Prof. Dr. Paulo Pereira Martins Junior
Coorientadores:
Prof. Dr. Renato Moreira Hadad (PUC-Minas)
Prof. Dr. Sucharit Koontanakulvong (Chulalongkorn University)
Março de 2014
2. Objetivo Geral
• Apresentar métodos de avaliação de recarga e
descarga de aquíferos que podem servir de
subsídio para gestão e tomada de decisão
ambiental dentro dos Instrumentos das
Políticas Públicas de Meio Ambiente e de
Recursos Hídricos.
3. Contexto de Pesquisa
• Grupo de Pesquisa sobre a Bacia do Rio
Paracatu: 2002 – atual.
• Instituições
– UFOP
– CETEC-MG
– IGA
– PUC-Minas
4. Epistemologia
• Recarga de aquíferos como eixo de ligação
entre as Políticas de Meio Ambiente e de
Recursos Hídricos.
• Interdisciplinaridade no estudo e gestão da
circulação hídrica
• Avaliação Crítica dos Instrumentos Jurídicos
Existentes
5. O que está faltando nos diagnósticos
ambientais tradicionais?
• Relações topológicas
– Circulação Hídrica:
• Superficial
• Subsuperficial
• Subterrânea
– Geossistemas – Ecossistemas
Drenabilidade do solo
• Dinâmica temporal de uso do solo e da circulação
hídrica
• Integração entre os estudos e as necessidades de
gestão da bacia
6. Caracterização Ambiental da Bacia do
Rio Paracatu
• Localização
• Litoestratigrafia
• Geologia Estrutural
• Geomorfologia
• Pedologia
• Integração entre Rochas, Geoformas e Solos
• Climatologia
• Vegetação e Uso do Solo
• Hidrogeologia
12. Estudos Aplicados
• 5 métodos:
– Diagnóstico Expedito de Áreas de Recarga em Contextos Locais
– Caracterização Espaço-Temporal da Dinâmica de Ocupação em
Áreas de Maior Favorabilidade de Recarga de Aquíferos
– Caracterização Cartográfica de Favorabilidade de Recarga de
Aquíferos
– Mapeamento da Contribuição de Vazão Específica e
Componentes de Fluxo
– Modelagem Espacial da Influência dos Atributos Ambientais nos
Componentes de Fluxo
14. Diagnósticos Locais de Potencialidade e
Segurança de Recarga
1 – Vale do Rio da Areia; 2 – Serrinha; 3 – Chapada da Serra do Boqueirão; 4 – Serra do
Sabão; 5 – Serra das Araras; 6 – Lagoas do Rio da Prata; 7 – Captação do Córrego da Bica; 8 –
Captação do Ribeirão dos Órfãos; 9 – Chapadão do Pau Terra.
15. ATRIBUTO
POTENCIALIDADEDERECARGA
(QUANTIDADEDEÁGUA)
Vegetação na área de recarga (infiltração menos evapotranspiração)
Caatinga
Campo
Cerrado
Cerradão
Floresta Decídua
Caatinga Arbórea
Cultura permanente
Cultura temporária
Área desmatada
Floresta Semidecídua
Mata Ciliar
Vegetação Higrófita ou
Hidrófila
Floresta Ombrófila
1,3 1,1 0,9 0,8 0,7
Declividade (infiltração)
Plano
0-3%
Suave-Ondulado
3-8%
Ondulado
8-20%
Forte-Ondulado
20-45%
Escarpado
> 45%
2,5 1,5 1 0,5 0,25
Solos (drenagem)
Neossolos Quartzarênicos
(solos arenosos
profundos)
Latossolos
(solos não arenosos
profundos)
Cambissolos (solos rasos)
Solos de horizonte B
textural (solos com
camada argilosa) ou
plíntico (enrijecido)
Neossolos litólicos
(solos muito rasos, com
afloramentos rochosos)
Solos hidromórficos e
aluviais
6 2,5 1 0,6 0,3
Geologia (potencial hídrico do aquífero)
Arenito
(porosos profundos)
Acamamento detrito-
laterítico
(porosos rasos)
Karst Basáltico Fissurado
3 2,2 1,4 0,9 0,7
Tipologia de Recarga e Surgência
Sumidouros e
Ressurgência kárstica
Vereda
Dolinas
Nascente de contato
litológico ou artesiana
Nascente de fratura Nascente intermitente
1,5 1,3 1,2 0,8 0,4
Uso do Solo (compactação e impermeabilização)
Nativo Cultura permanente
Cultura temporária
Pastagem Solo Exposto Urbano
Industrial
1,5 0,8 0,5 0,3 0,1
Técnicas de conservação do solo e da água
Barragens de Captação Terraceamento Camalhões em curvas de
nível
Plantio Direto Sem técnicas
3 1,5 1,4 1,2 1
16. ATRIBUTO
PROTEÇÃOSOBREARECARGA
(QUALIDADEDAÁGUA)
Fontes de poluição
Esgoto não tratado Esgoto tratado
Fossa negra
Lixão
Mineração (metais)
Fossa séptica
Aterro sanitário
Pocilga
Curral
Granja
Mineração (não-metais)
Pastagem
Plantação
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9
Distância da fonte de poluição à surgência (autodepuração subsuperficial e subterrânea)
Despejo direto 1-5 metros 6-25 metros 26-50 metros
Poluição Difusa
> 50 metros
Poluição Difusa
0,1 0,2 0,5 0,8 1
Posição topográfica da fonte de poluição em relação à surgência (Profundidade do nível freático)
Várzea Vale Fluvial Encosta Topo de elevação (Relevo
ondulado ou montanhoso)
Tabuleiro em altitude
0,2 0,4 1 4 10
Transmissão no solo (autodepuração subsuperficial)
Solos hidromórficos e
aluviais
Neossolos litólicos
(solos muito rasos, com
afloramentos rochosos)
Neossolos Quartzarênicos
(solos arenosos profundos)
Cambissolos (solos rasos)
Solos de horizonte B textural
(solos com camada argilosa)
Latossolos
(solos não arenosos
profundos)
0,1 0,3 0,5 1 3
Transmissão do aquífero (autodepuração subterrânea)
Kárstico (sumidouros e
ressurgências)
Kárstico (dutos)
Basáltico
Aluvial Fraturado Poroso
0,3 0,5 0,6 1 3
Processos Erosivos
Voçorocas Ravinas Sulcos Laminar Sem erosão
0,8 0,85 0,9 0,95 1
Assoreamento
Sedimentos não permitem
a água aflorar
Mais de 50% da largura do
leito com sedimentos
aflorantes
Bancos de sedimento aflorando
no leito
Sedimentos no fundo do leito Sem assoreamento
(menos de 5% do fundo
do leito)
0,6 0,75 0,9 1 1,2
Vegetação no entorno da surgência (função tampão e filtragem biológica)
Sem vegetação, com solo
impermeabilizado ou
compactado
Sem vegetação, com solo
permeável
Até 5 metros de floresta
Até 10 metros de cerrado
Campo
5-30 metros de florestas
> 10 metros de cerrado
> 30 metros de floresta
0,25 0,5 0,75 1 1,5
Técnicas de conservação do solo e da água
Sem técnicas Plantio Direto Camalhões em curvas de nível Terraceamento Barragens de Captação
1 1,3 1,7 2 3
25. Visão integrada:
Ocupação do Solo
X
Recarga de Sistemas Hídricos
• Agricultura Irrigada e Tradicional deslocam
pecuária para as cabeceiras (planas ou
onduladas)
• Assentamentos de Reforma Agrária nas áreas
preferencias de recarga de aquífero
28. Ponderação dos atributos das
Unidades Hidrológicas de
Paisagem
Altitude em relação ao nível de nascentes
Abaixo de -5
metros;
Descarga
De -5 a +5
metros
Flutuação do
contato freático
De +5 a +20
metros
Transiência
Acima de +20
metros
Recarga
0,7 0,85 1,6 2,25
Altitude em relação ao curso d’água de jusante
Abaixo de +10
metros
Descarga
De +10 a +20
metros
Flutuação do
contato freático
De +20 a +40
metros
Transiência
Acima de +40
metros
Recarga
0,7 0,85 1,6 2,25
30. Solos (drenagem)
Neossolos
Quartzarênicos
Latossolos Cambissolos
Solos de
horizonte B
textural ou
plíntico
Neossolos
litólicos
Solos
hidromórficos e
aluviais
6 2,5 1 0,6 0,3
Litoestratigrafia (potencial de recarga do aquífero)
Aquíferos
porosos
profundos
Aquíferos
porosos rasos
Karst Kárstico/fissurad
o
Fissurado
3 2,2 1,4 1,1 0,7
Declividade
(infiltração)
Plano
0-3%
Suave-Ondulado
3-8%
Ondulado
8-20%
Forte-Ondulado
20-45%
Escarpado
> 45%
2,5 1,5 1 0,5 0,25
Ponderação preliminar da Drenagem de Solos
e do Potencial de Recarga de Aquíferos
X Pluviosidade (em mm/ano) / 1000
32. Modelagem de Sistemas Hídricos
1. Estimativa dos componentes de vazão (Base, Interfluxo,
Fluxo Rápido)
2. Mapeamento da contribuição específica dos
componentes de vazão
3. Mapeamento de atributos ambientais
4. Regressão sobre as influências dos atributos ambientais
nos componentes de vazão
5. Mapeamento de contribuição dos atributos ambientais
para os componentes de vazão
33. Quantificação de Componentes de Vazão por
Meio de Filtros Recursivos
1. Escolha das estações fluviométricas
i. Período 1976-2000: 23 estações.
ii. Outras 2 estações com períodos mais curto
2. Testes de Estacionariedade e Correlação
3. Preenchimento de Falha
i. Escolha das Estações de Apoio
ii. Desagregação por período chuvoso e período seco
iii. Preenchimento de Falhas por Maximização da
Expectância e por Imputação Múltipla
4. Separação do fluxo de base por filtros recursivos
i. Mapa de vazão específica de Fluxo de Base,
Interfluxo, Fluxo Rápido e Vazão total
35. Preenchimento de falhas no período chuvoso da Estação 42251000 por Maximização de
Expectativa (EM) e por Imputação Múltipla (MI).
39. Aplicação do Filtro de Chapman e Maxwell (1996), com parâmetro α = 0,925, para os
dados de vazão diária da Estação 42290000, ano hidrológico de 1976.
40. Separação do Interfluxo e do Fluxo de Base da estação 42860000, ano hidrológico de
1996, utilizando o filtro Bflow (Lyne e Hollick, 1979).
42. Modelagem de Sistemas Hídricos por
Mínimos Quadrados Parciais - PLS
• 25 observações – 2 eixos multivariados de explicação
• Variáveis
• independentes: Atributos Ambientais
• dependentes: Componentes de Vazão
• Análise de Agrupamento das variáveis
• Comparação de modelos:
• Sem fluxos regionais
• Com fluxos regionais
• Regionalização de Vazão para a foz do Paracatu
• Mapas de vazão específica ponderados para fluxo de base,
interfluxo, fluxo rápido e vazão total
• Análise gráfica e cartográfica das variáveis
43. Atributo
VariáveisIndependentes
Variáveis morfométricas: altitude, altitude normalizada, altitude padronizada,
balanço de massas, altitude de encosta, declividade, declividade acumulada
de drenagem, curvatura, módulo da curvatura, índice de convergência, índice
de rugosidade, índice de rugosidade vetorial, dispersão de fluxo, índice
topográfico de umidade, índice topográfico de escoamento subsuperficial,
fator de visão do céu, fator de visão de terreno, visibilidade do céu, insolação
total anual, aquecimento anisotrópico diurno, índice de barlavento
predominante (NEE), índice de sotavento predominante (NEE), índice de
efeito do vento predominante (NEE), força efetiva do vento predominante
(NEE)
Variáveis morfométricas de drenagem: nível de base, nível de nascentes,
altura ao curso de água, altura ao nível de base, distância horizontal ao curso
de água, distância ao exutório (foz) da bacia
Distância a Estruturas Rúpteis
Pluviosidade anual média
Atributos de Poços Perfurados (vazão de estabilização, vazão específica, nível
dinâmico, rebaixamento)
Variáveis Espaciais (latitude, longitude, distância à borda)
Variável
Dependente
Vazão Total, Fluxo de Base, Interfluxo e Fluxo Rápido
45. Resultados do Modelo PLS
Regressão Modelo sem fluxos
regionais
Modelo com fluxos
regionais
R2 Q2 Desvio
Padrão
R2 Q2 Desvio
Padrão
Vazão total 0.35 -0.10 0.84 0.84 0.73 0.42
Fluxo
rápido
0.40 -0.12 0.81 0.76 0.43 0.51
Interfluxo 0.40 -0.04 0.81 0.43 -0.12 0.79
Fluxo de
Base
0.35 -0.21 0.85 0.84 0.67 0.42
46. Predito Corrigido com desvio
de predição da
última estação à
montante
Vazão
Específica
(m3.s/km2)
Vazão
média
anual
(m3.s)
Vazão
Específica
(m3.s/km2)
Vazão
média
anual
(m3.s)
Vazão Total 4.31 194719.87 4.41 199070.7
Fluxo Rápido 1.48 66703.57 1.50 67917.31
Interfluxo 1.19 53411.52 1.10 49518
Fluxo de Base 1.67 75184.58 1.81 81797.97
Somatório dos
componentes
4.33 195299.67 4.41 199233.3
Regionalização de Vazões e seus respectivos componentes para a Bacia do Rio Paracatu
49. Análises do Modelo
• Coeficientes
• Coeficientes Padronizados
• Desvio Padrão dos Coeficientes Padronizados
• VIP – Valor de Influência na Projeção
• Desvio Padrão do VIP
• Comportamento Espacial
50. VazãoTotal
Fluxode
Base
Interfluxo
Fluxo
Rápido
Altitude de Encosta , Altitude em relação aos Rios,
Altitude Normalizada, Altitude em Relação ao Nível
de Base (Micro-relevo )
+ + -
Altitude absoluta, altitude de nascentes, nível de
base, distância à foz, chuva (Macro-relevo)
+ -
Distância Horizontal aos Rios - + -
Vazão de Estabilização de Poços, Vazão Específica de
Poços
+ + -
Aquecimento Anisotrópico Diurno - - +
Distância a mesofraturas + -
Balanço de Massas + +
Convergência +
Rebaixamento de Poços +
51. • Vales próximos aos rios
– Maior fluxo rápido e fluxo total
– Menor Fluxo de Base e Interfluxo
– Relação mais acentuada em vales encaixados
• Ondulação do relevo diversidade de geotopos
– Convergência, declividade, rugosidade, posição de encosta (exposição
à radiação solar e aos ventos), curvatura e módulo da curvatura
Fluxo Rápido
Interfluxo
Fluxo total
Fluxo de Base
VazãoTotal
Fluxode
Base
Interfluxo
Fluxo
Rápido
Longitude - +
Latitude -
Distância às bordas - -
Mais afetado
Menos afetado
52. Análise Integrada
- Delimitação de áreas mais relevantes para
recarga de aquíferos
• Relevância das áreas altimetricamente mais elevada
- Análise interescalar:
• Interpretação de Campo
• Sensoriamento Remoto
• Análise quantitativa
o Vazão
o Índices hidromorfométricos
o SIAGAS
53. Análise Integrada
• Diferenças entre potencial de infiltração e
contribuição para fluxo de base:
– Contribuição inter-bacias
• Fraturas nas bacias altimetricamente mais elevadas
• Abaulamento da Bacia do São Francisco
– Efeito pistão
– Lentes de pelitos nos aquíferos porosos