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319 COORDENADORIA DE GEOTECNIA E HIDROGEOLOGIA EQUIPE TÉCNICA: COORDENADORIA DE GEOTECNIA E HIDROGEOLOGIA - CGH Professor Rodrigo Menezes Raposo de Almeida - Coordenador Professor Manoel Isidro de Miranda Neto - Coordenador Adjunto Professor Décio Tubbs (UFRRJ) Ana Carolina Campilho da Silva Arnaldo Cotrim Barbosa Felipe Alves Rosa Hadassiana Costa Creton Rommy Schneider Fernandes de Pina Sabrina Miranda de Castro
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COORDENADORIA DE GEOTECNIA E HIDROGEOLOGIA
EQUIPE TÉCNICA:
COORDENADORIA DE GEOTECNIA E HIDROGEOLOGIA - CGH Professor Rodrigo Menezes Raposo de Almeida - Coordenador Professor Manoel Isidro de Miranda Neto - Coordenador Adjunto Professor Décio Tubbs (UFRRJ) Ana Carolina Campilho da Silva Arnaldo Cotrim Barbosa Felipe Alves Rosa Hadassiana Costa Creton Rommy Schneider Fernandes de Pina Sabrina Miranda de Castro
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1. INTRODUÇÃO
Os estudos desenvolvidos pela Coordenadoria de Geotecnia e Hidrogeologia
(CGH) visaram à caracterização o meio físico, abrangendo os aspectos geológicos,
geotécnicos e hidrogeológicos e a caracterização das águas subterrâneas quanto ao
uso, qualidade e dinâmica do aqüífero.
Adicionalmente, foram efetuados estudos preliminares sobre possíveis obras
de terra envolvendo ensaios de compactação e considerações sobre volume de solo
necessário à construção de barragem de terra.
Inicialmente foram procedidas investigações preliminares com estudos de
gabinete e visitas ao campo para confirmação dos aspectos geotécnicos, geológicos
e geomorfológicos da região. Essa caracterização preliminar foi obtida por pesquisa
em diversos documentos existentes, destacando-se o Plano Diretor de Recursos
Hídricos da Região Hidrográfica da Baía de Guanabara (PDBG), a Geologia do
Estado do Rio de Janeiro, e cartas topográficas do Estado do Rio de Janeiro.
Concomitantemente foram obtidos cadastros de usos e usuários de águas
subterrâneas em diversos órgãos públicos como SERLA, DRM-RJ, DNPM,
Prefeitura Municipal de Itaboraí, e UFF (Rede de Geotecnologia em Águas
Subterrâneas). Esses cadastros foram reunidos em um arquivo, tratados quanto a
duplicidades e inconsistências, confirmados e atualizados por levantamentos de
campo, e montado um banco de dados de poços de abastecimento.
O conhecimento geotécnico do meio físico foi ampliado com a coleta de
amostras de solo em diversas localidades da região estudada. Foram executados
ensaios de caracterização geotécnica no laboratório de solos da Universidade
Federal Fluminense (UFF) e os resultados examinados e interpretados
adequadamente.
O conhecimento hidrogeológico do meio físico foi complementado com a
instalação de poços de monitoramento e o acompanhamento da dinâmica do
aqüífero superficial foi registrado e interpretado convenientemente.
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2. CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA E GEOMORFOLÓGICA DA REGIÃO
2.1. Localização da Bacia Hidrográfica Estudada
A bacia hidrográfica considerada está situada a Nordeste da Baía de
Guanabara no Estado do Rio de Janeiro, compõe a bacia hidrográfica da Baía de
Guanabara e é formada por duas bacias: a do rio Macacu, com área de contribuição
de 1.250 km² abrangendo os municípios de Cachoeiras de Macacu, Guapimirim e
Itaboraí; e a do rio Caceribu, com área de contribuição de 822 km2 abrangendo os
municípios de Rio Bonito, Tanguá e Itaboraí.
O rio Macacu, drena parte das escarpas da Serra do Mar assim como seus
principais afluentes, pela margem direita, os rios Guapi-Açu e Guapimirim. Pela
margem esquerda, os rios Bengala, Soarinho, Imbuí e outros menores, drenam o
Maciço Alcalino de Soarinho e adjacências, no terço médio do rio Macacu. O rio
Guapi-Açu recebe diversos rios pela margem direita, destacando-se os rios
Orindiaçu (ou Paraíso) e Iconha e pela margem esquerda o rio Rabelo, todos
drenando contrafortes e espigões da Serra do Mar.
O rio Caceribu e seu afluente o Rio Bonito drenam, respectivamente, os
Maciços Alcalinos de Tanguá e Rio Bonito. Os demais afluentes da margem
esquerda, os rios Tanguá, dos Duques, Iguá, da Aldeia e outros menores, drenam o
Maciço Litorâneo.
O rio Caceribu foi afluente da margem esquerda do rio Macacu, entretanto,
obras de drenagens executadas em meados do século passado modificaram o
traçado desses rios e o rio Caceribu assumiu curso próprio, apropriando-se da
antiga foz do rio Macacu. Esse, por sua vez, foi desviado e incorporado ao rio Guapi,
por onde desemboca na Baía de Guanabara.
A porção proximal do rio Macacu corta a cidade de Cachoeira de Macacu e,
no terço médio, recebe contribuição dos principais afluentes pela margem esquerda.
Ao fim do terço médio recebe o rio Guapi-Açu e já na porção distal o rio Guapimirim.
No seu curso médio, o rio Guapi-Açu recebe seus principais afluentes, os rios
Rabelo, Orindi-Açu e Iconha.
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O rio Caceribu tem sua maior extensão no curso médio, onde recebe a
maioria dos seus afluentes. Assim, o terço médio dos rios Caceribu, Macacu e seu
afluente Guapi-Açu, formam extensa planície aluvionar, com presença de colinas
isoladas ou tabuleiros delimitando a planície de inundação.
A Figura 1 abaixo apresenta a bacia hidrográfica da região com destaque
para os principais rios.
Figura 1 – Bacia hidrográfica dos rios Macacu e Caceribu
2.2. Geologia Local
A Bacia Sedimentar de Macacu ocupa a parte central do Graben Guanabara,
limitada a Leste pela Baía de Guanabara, a Oeste pelos Maciços Alcalinos de
Soarinho (KTλso), Tanguá (KTλta) e Rio Bonito (KTλrb), a Norte pela Serra do Mar
(Nγ2s, Nγ2ss, MNps e outras unidades geológicas) e a Sul pelo Maciço Litorâneo
(Nγ1rt, Nγ2r, Nγ2d, MNps e outras unidades geológicas).
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A Figura 2 mostra parte da carta geológica do Rio de Janeiro publicada pelo
Serviço Geológico do Brasil (CPRM, 2001). Nota-se que a unidade São Fidelis do
complexo Paraíba do Sul (MNps) está presente em toda extensão da Bacia de
Macacu, sendo o provável embasamento cristalino da bacia. O Serviço Geológico do
Brasil (CPRM, 2001) destaca que o embasamento da bacia de Macacu é composto
por paragnaisses e rochas alcalinas, compatível, portanto, com a unidade MNps e
com as rochas alcalinas KTλ, respectivamente.
Figura 2 – Carta geológica da região da bacia de Macacu
Fonte: CPRM, 2001.
A formação da Bacia Sedimentar de Macacu deu-se por seqüências
deposicionais diversas a partir dos eventos geológicos que desencadearam a
implantação do Graben Guanabara no início do Terciário. A Bacia de Macacu é
composta basicamente pela Formação Macacu (Tm), capeada por Depósito Marinho
e Flúvio-Marinho (Qphm) e por Depósito Colúvio-Aluvionar (Qha). Esses depósitos
Quaternários são compostos por materiais provenientes das unidades geológicas
próximas, inclusive da Formação Macacu, retrabalhados por processos erosivos-
deposicionais recentes.
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Alguns estudos estimam a espessura do pacote sedimentar que compõe a
Bacia de Macacu como superior a 100m. Boletins de sondagens elaborados durante
perfurações de alguns poços de abastecimento apresentam profundidades
superiores a 100m sem atingir o embasamento cristalino, mesmo em locais próximos
ao limite Sudeste da bacia, segundo Ferrari (2001).
Examinando cortes em afloramentos na região e estudos de outros autores,
Ferrari (2001) reconheceu diversas fácies sedimentares na Formação Macacu, que
preencheu a Bacia homônima, e as associou a eventos deposicionais com
características que variam de leques aluvionares a depósitos fluviais e lacustres,
identificando também a presença de conglomerados.
Por fim, estudando as associações laterais de fácies, Ferrari (2001) concluiu
que a Bacia do Macacu poderia ser representada segundo o perfil geológico
hipotético, apresentado na Figura 3, composto por fácies de características lacustres
(A) com litologia dominada por lamitos, com níveis de linhito e arenitos argilosos;
fácies com características de leques aluviais (B) com litologia composta por lamitos
seixosos, arenitos grossos e paraconglomerados; fácies com características de
depósitos fluviais (C) com litologia composta por arenitos grossos; e fácies com
características de regime fluvial anastomosado (D) com litologia composta por
arenitos grossos e conglomerados.
Figura 3 – Perfil esquemático da bacia de Macacu
Fonte: Ferrari, 2001.
Acredita-se que o perfil proposto por Ferrari (2001) seja na direção NW-SE e
que, o lado onde os leques aluviais (associação de fácies B) sejam mais extensos
(lado esquerdo), seja o lado NW, das escarpas serranas.
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2.3. Geomorfologia Local
A Bacia Hidrográfica dos rios Macacu e Caceribu está situada em uma região
de transição entre relevos de degradação e relevos de agradação. Obviamente, a
Bacia Sedimentar de Macacu ocupa relevos de agradação, abrigando a porção
mediana e distal dos mencionados rios.
A Figura 4, extraída do Serviço Geológico do Brasil (CPRM, 2001), mostra
que a maioria dos rios que compõem a bacia, ou seja, os rios Iconha, Guapi-Açu,
Macacu, da Aldeia, Caceribu, Iguá, dos Duques e Tanguá, têm sua porção mediana
em regiões de agradação, com gradiente suave a extremamente suave, convergindo
para a linha de costa.
Esses relevos de agradação são compostos pelos terrenos com gradientes
suaves das Planícies Aluvuais (111), sejam leques alúvio-coluviais, terraços fluviais
e/ou planícies de inundação, e na transição para os canais principais, os terrenos
extremamente suaves e mal drenados das Planícies Colúvio-Alúvio-Marinhas (122),
envolvendo solos argilo-arenosos típicos de baixada.
Da interface dessas planícies com o Sistema Deposicional Costeiro Marinho
formam-se os terrenos muito mal drenados das Planícies Flúvio-Marinhas (123) que
compõe a porção distal da Bacia Hidrográfica, com canais meandrantes sob
influência de maré.
Ainda na porção mediana da bacia hidrográfica, os rios Macacu, da Aldeia,
Caceribu, e Iguá, dissecaram os Tabuleiros (211) da Formação Macacu, abrindo
canais incisos em forma de “U” onde se encaixaram tais drenagens. Esse relevo
apresenta densidade de drenagem muito baixa, amplitude topográfica inferior a 50m,
gradiente muito suave e solos com sedimentação de colúvio e alúvio.
Entremeando a baixada, o relevo de degradação Colinas Isoladas (221)
apresenta densidade de drenagem baixa, amplitude topográfica inferior a 100m,
gradiente suave e solos com sedimentação de colúvio e eventuais vales afogados
com drenagem imperfeita.
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Figura 4 – Geomorfologia da região da bacia de Macacu
Fonte: CPRM, 2001.
Na porção mediana, transitando para a porção proximal dos rios da margem
esquerda do rio Caceribu, a montante dos tabuleiros da Formação Macacu, tem-se
um domínio Suave Colinoso (231), com densidade de drenagem baixa a média,
amplitudes topográficas inferiores a 50m, gradiente muito suave e solos com
expressiva sedimentação de colúvio e alúvio. A porção proximal dessa sub-bacia
hidrográfica provém do Maciço Costeiro (251), com relevo montanhoso e
extremamente acidentado, densidade de drenagem alta a muito alta, amplitudes
topográficas superiores a 300m, gradiente muito elevado e solos rasos com
afloramentos de rocha e depósitos de tálus e colúvio.
O alto curso médio dos rios dos Duques e Tanguá apresentam Colinas
Dissecadas, Morrotes e Morros Baixos (233), com densidade de drenagem média a
alta, amplitudes topográficas entre 100 e 200m, gradientes suaves a médios e solos
com sedimentação de colúvios e alúvios.
A porção proximal dos rios Caceribu, Bonito, Imbuí e Soarinho, estão em
domínios dos Maciços Intrusivos Alcalinos (241), com relevo montanhoso e
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extremamente acidentado, densidade de drenagem alta a muito alta, amplitudes
topográficas superiores a 500m, gradiente elevado a muito elevado e solos rasos
com afloramentos de rocha e depósitos de tálus e colúvio.
O limite Norte e Leste da Bacia são as Escarpas Serranas (252), com relevo
montanhoso e extremamente acidentado, densidade de drenagem muito alta,
amplitudes topográficas superiores a 500m, gradiente muito elevado e solos rasos
com afloramentos de rocha e depósitos de tálus e colúvio.
2.4. Caracterização Geotécnica 2.4.1. Coleta de Amostras de Solo
Foram coletadas 17 amostras de solos (A-1 a A-17) na região da bacia
hidrográfica dos rios Macacu e Caceribu, conforme anotação da sua localização na
Tabela 1.
A Tabela 1 apresenta ainda data e profundidade da coleta, tipo de solo e
classificação tátil-visual, além da localização no sistema UTM com datum SAD-69
para o fuso 23K e no sistema de coordenadas geográficas com latitude e longitude
em graus decimais.
As amostras indeformadas foram coletadas em duplicidade, utilizando
amostrador de paredes finas e as amostras amolgadas foram coletadas com
ferramenta de escavação, em quantidade suficiente para realização dos ensaios.
Todas as amostras foram identificadas, embaladas, preservadas e transportadas
para o Laboratório de Mecânica dos Solos da Universidade Federal Fluminense
onde foram submetidas a ensaios de caracterização. As amostras A-16 e A-17 foram
também submetidas a ensaios de compactação.
As amostras indeformadas A-3 a A-17 foram ainda submetidas a ensaios para
determinação das curvas características.
As coletas foram realizadas por um período de um ano, entre 2008 e 2009,
em diversos locais da baixada, nas planícies aluvionares de alguns rios e nas
encostas de algumas colinas.
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Tabela 1 – Localização das amostras de solo
A Figura 5 adiante mostra a distribuição das amostras na região.
Figura 5 – Localização das amostras de solo na região da bacia
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2.5. Metodologia Empregada nos Ensaios de Solo 2.5.1. Coleta de Amostras no Campo
As amostras coletadas no campo para a execução dos ensaios em laboratório
devem observar as Normas da ABNT estabelecidas para cada ensaio.
O trabalho de amostragem inicia-se com a escolha prévia do local de coleta,
feita ainda no escritório, podendo ser alterado o local exato conforme condições
observadas no campo, sem, contudo, alterar a natureza do material (e.g. aluvião,
colúvio). No campo, no local de coleta, material orgânico superficial deve ser retirado
e a superfície do terreno nivelada para introdução do amostrador. A amostra de solo
é coletada segundo a NBR 9813/87 Determinação da Massa Específica Aparente do
Solo utilizando o Cilindro de Cravação, na profundidade determinada, escavando-se
em torno do cilindro cravado para retirada da amostra indeformada.
São efetuadas duas coletas em cada ponto escolhido, uma para ensaios de
caracterização e outra para determinação da curva característica.
As amostras são embaladas para preservar a umidade natural do solo,
etiquetadas e transportadas para o laboratório de mecânica dos solos.
2.5.2. Procedimentos Iniciais no Laboratório
Chegando ao laboratório as amostras são pesadas e determinada a massa
específica aparente do solo. Caso não sejam submetidas a ensaios imediatamente,
são armazenadas na câmara úmida. A amostra que será utilizada para o ensaio de
caracterização é retirada do cilindro e feita a determinação da umidade de campo
com três amostras de aproximadamente 50g cada. O material restante é submetido
à secagem ao ar. A outra amostra será mantida na câmara úmida até o início do
ensaio para obtenção da curva característica.
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2.5.3. Ensaios de Caracterização
Os ensaios de caracterização compreendem a determinação de umidade de
campo, análise granulométrica, determinação da massa específica aparente,
determinação de massa específica dos grãos do solo, determinação dos limites de
plasticidade e de liquidez.
Determinação da umidade de campo – NBR 6457/86
Tomam-se três amostras com aproximadamente 50g cada do solo
proveniente do campo, pesa-se a massa úmida, leva-se na estufa onde
permanecem por 24 horas sendo depois retiradas as cápsulas, pesadas e
computadas as umidades, sendo a umidade de campo a média das três
determinações.
Análise Granulométrica – NBR 7181/84
Após seca ao ar a amostra é destorroada homogeneizada e passada na
peneira de 76mm, desprezando-se o material retido. O material passado é dividido
em dois lotes aproximadamente iguais. O primeiro lote será empregado na
determinação da massa específica dos grãos e o segundo lote para demais ensaios.
Em seguida, o material do segundo lote é pesado e passado na peneira de 2mm
(#10), lavando-se o material retido na peneira #10 e submetendo-o ao peneiramento
grosso após secagem na estufa. Do material passado toma-se 120g para
determinação da umidade higroscópica e aproximadamente 120g para o ensaio de
sedimentação. O material restante é passado na peneira 0,48mm, desprezando-se o
material retido e utilizando o material passado na determinação dos limites de
Atterberg. Para o ensaio de sedimentação toma-se, aproximadamente, 120g para
solos arenosos e 70g para solos siltosos e argilosos. Pesa-se esse material e
transfere-se para um béquer de vidro com 125cm3 de solução de hexametafosfato
de sódio, onde ficará imerso por 12 horas no mínimo. Em seguida a mistura
submetida ao aparelho dispersor por 15 minutos, sendo transferida para uma
proveta graduada, completada com água destilada até a marca de 1.000cm3, e, após
agitação, inicia-se o procedimento de leitura com densímetro.
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Ao término do ensaio de sedimentação o material da proveta é vertido na
peneira #200 (0,075mm), lavado e submetido ao peneiramento fino após secagem
na estufa.
Determinação de Massa Específica dos Grãos – NBR 6508/84
O ensaio de massa específica é feito no primeiro lote e se inicia com o
peneiramento da amostra na peneira #4 (4,0mm) tomando-se cinco porções com
cerca de 60g para solos arenosos e 50g para solos siltosos e argilosos. Cada uma
dessas porções é pesada e transferida para um béquer de vidro e misturado com
água destilada onde ficará imerso por 12 horas. O restante do material utilizado para
a determinação de umidade.
Cada porção imersa de solo é transferida do béquer para o picnômetro após
ser submetida à dispersão por 15 minutos. Em cada picnômetro é aplicado vácuo
por 15 minutos, repetindo-se o processo após acrescentar água destilada até 1cm
abaixo do gargalo. Em seguida colocam-se os picnômetros em banho-maria por 30
minutos e depois em repouso até que a temperatura se equilibre com a do ambiente.
Finalmente completam-se os picnômetros com água destilada até as respectivas
marcas de referência, pesam-se e procedem-se as apurações das massas
específicas e do valor médio. Subsidiariamente obtém-se a densidade relativa dos
grãos (G) dividindo-se a massa específica dos grãos pela massa específica da água.
Determinação de Massa Específica Aparente – NBR 9813/87
Para se determinar a massa específica aparente do solo toma-se a massa
obtida na pesagem, deduzida da massa do cilindro, e divide-se pelo volume interno
do cilindro. A massa e o volume interno do cilindro é conhecida.
A parte externa do cilindro deve estar isenta de resíduos de solo que possam
afetar a pesagem e as faces superior e inferior do tronco de cilindro obtido devem
ser previamente arrasadas.
Limite de Liquidez (LL) – NBR 6459/84
Toma-se aproximadamente 100g do material passado na peneira #40
(0,42mm) e adiciona-se água destilada em pequenos incrementos até obter uma
pasta homogênea com consistência tal que sejam necessários 35 golpes da concha
do aparelho Casagrande para fechar a ranhura aberta com um cinzel. Tomar uma
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pequena quantidade do material próximo às bordas que se uniram e determinar a
umidade. Retirar o material, adicionar um pouco mais de água destilada e repetir a
operação de preencher a concha, abrir ranhura e golpear, de modo a obter pelo
menos mais três pontos de ensaio, cobrindo o intervalo de 35 a 15 golpes.
Construir um gráfico com os pontos obtidos: número de golpes (escala log) e
umidade (escala aritmética) e ajustar uma reta. O limite de liquidez será o teor de
umidade correspondente a 25 golpes, expresso em porcentagem.
Limite de Plasticidade (LP) – NBR 7180/84
Toma-se aproximadamente 100g do material passado na peneira #40
(0,42mm) e adiciona-se água destilada em pequenos incrementos até obter uma
pasta homogênea com consistência plástica. Tomar cerca de 10g da amostra assim
preparada e formar um cilindro rolando com a mão sobre uma placa de vidro. Se a
amostra fragmentar antes de atingir o diâmetro de 3mm, adicionar água destilada,
homogeneizar e repetir o procedimento.
Ao se fragmentar o cilindro, com diâmetro de 3mm e comprimento da ordem
de 100mm, transferir as partes do mesmo para uma cápsula para determinação da
umidade.
Repetir a operação de formar um cilindro rolando uma amostra sobre placa de
vidro de modo a obter pelo menos três valores de umidade. Considerar satisfatórios
os valores de umidade obtidos que estiverem dentro da média, mais ou menos 5%.
O limite de plasticidade será a média de pelo menos três valores de umidade
considerados satisfatórios e deve ser expresso em porcentagem.
2.5.4. Curva Característica
Para esse ensaio toma-se o cilindro vindo de campo (ou da câmara úmida se
for o caso) que será pesado, colocado sobre a base de peso conhecido e imerso
parcialmente, para saturar por capilaridade por pelo menos dois dias, em recipiente
com água que não chegue a cobrir o cilindro.
Após sua saturação o conjunto cilindro-base é pesado, em seguida é feito um
furo com as dimensões do bulbo do tensiômetro que será alojado na amostra e
novamente pesado para se determinar o volume do material retirado a partir do já
conhecido peso específico aparente saturado do material.
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O tensiômetro zerado é encaixado no furo aberto na amostra saturada e
pesado todo conjunto. Sabendo-se a densidade relativa dos grãos e o peso
específico aparente saturado e utilizando as conhecidas relações entre índices
físicos são determinados o índice de vazios, a porosidade, a umidade e a umidade
volumétrica. Assim o primeiro ponto da curva característica é determinado com o
valor zero lido no tensiômetro e a umidade volumétrica correspondente a amostra
saturada.
O conjunto é colocado na bancada e deixado em repouso e na medida em
que a água vai evaporando o tensiômetro vai indicando o valor da tensão de sucção.
Periodicamente o conjunto é pesado e anotado a tensão de sucção correspondente
e novos pontos da curva característica são obtidos. A umidade volumétrica é
calculada a partir da perda de água verificada na pesagem.
No início devem ser feitas medições mais freqüentes, pois, normalmente,
ocorrem grandes perdas de água sem grandes variações de tensão. Em geral
devem ser feitas medições logo pela manhã e no fim da tarde quando a temperatura
está mais estável.
O ensaio termina quando é atingido o limite do tensiômetro, ou seja,
aproximadamente 90kPa. A curva obtida é a curva característica do solo no ramo de
ressecamento.
2.5.5. Resultados dos Ensaios nas Amostras de Solo
As amostras de solo coletadas no campo foram submetidas a ensaios de
caracterização como análise granulométrica, determinação dos limites de Atterberg
(Limite de Plasticidade - LP e Limite de Liquidez - LL), determinação da massa
específica dos grãos (G), determinação do peso específico aparente (γ),
determinação da umidade natural (w). Foram ainda calculados, para a condição
natural, os índices de vazios (e), porosidade (n), umidade volumétrica (θ) e grau de
saturação (S).
Os resultados das análises granulométricas procedidas nas amostras
coletadas de solos residuais e coluvionares da região estão apresentados na Figura
6 adiante
Nota-se, nesses resultados, que os solos classificados como residuais
apresentam teores de argila maiores que os solos coluvionares. De uma maneira
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geral são solos bem distribuídos, em sua maioria areias argilosas, ou,
eventualmente, areias siltosas ou siltes areno-argilosos. As amostras são de solos
superficiais, daí a predominância de colúvios, até porque tais amostras (A-3, A-7 a
A-9, A-11, A-12 e A-14 a A-17) foram coletadas nas vertentes de colinas isoladas ou
dissecadas da região.
Figura 6 – Granulometria das amostras de solo residuais e coluvionares
Os resultados das análises granulométricas procedidas nas amostras
coletadas de solos aluvionares ou de baixada (Gleissolos) estão apresentados na
Figura 7 adiante.
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Figura 7 – Granulometria das amostras de solos de baixada e aluvião
Nota-se que os aluviões são predominantemente areias uniformes (com
exceção de A-5 que apresenta maior teor de silte). As duas amostras de gleissolo
(A-1 e A-2) são argilas siltosas de baixa consistência, uma orgânica (A-1) e outra (A-
2) arenosa apresentando mosqueado típico de variação do nível d’água.
Essas análises granulométricas estão detalhadas no Anexo I. O Anexo II
apresenta as planilhas do ensaio de massa específica. O Anexo III apresenta as
planilhas dos ensaios de Limites de Liquidez e de Plasticidade.
A Tabela 2 adiante mostra os índices físicos ou de estado ou propriedades-
índice das amostras de solo. Os três primeiros: Densidade Relativa (G); Umidade
Natural (Wnat); e Peso Específico Natural (γnat), obtidos em laboratório. As demais
propriedades-índice foram calculadas a partir das relações entre índices.
Adicionalmente, estão apresentados os teores de argila, os limites de liquidez (LL)
de plasticidade (LP), índices de plasticidade (IP) e de atividade (IA) dessas
amostras.
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Tabela 2 – Caracterização das amostras de solos
Analisando essas propriedades físicas, verifica-se, como era de se esperar,
que o gleissolo apresenta altos teores de umidade. Dois solos coluvionares (A-8 e A-
9) apresentam alto índice de plasticidade, elevado índice de atividade e baixos
teores de argila, revelando uma provável prevalência de argilominerais do grupo 2:1,
grupo das esmectitas, no comportamento desses solos. Apenas um solo aluvionar
(A-5) apresentou alguma plasticidade, sendo os quatro restantes considerados não-
plasticos.
2.5.6. Determinação das Curvas Características
Os solos não-saturados podem ser caracterizados segundo a relação
verificada entre a tensão de sucção e a umidade volumétrica, tanto no ramo de
umedecimento como no ramo de ressecamento.
As Figuras 7 e 8 adiante resumem as curvas características das amostras
ensaiadas sob ressecamento, separadas, respectivamente, em solos finos e solos
granulares. Nota-se que nos solos granulares, como é típico desses solos, no início
do ressecamento, há uma considerável perda de umidade sem grande aumento na
sucção. Os solos finos (argilosos) exibem curvas mais verticais.
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Figura 7 – Curva característica das amostras de solos argilosos
Figura 8 – Curva característica das amostras de solos granulares
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2.6. Ensaios de Compactação
Foram coletadas amostras deformadas de solo (A-16 e A-17), 25kg cada, nas
proximidades de possíveis eixos de barragens de terra, e efetuados ensaios de
compactação, segundo a Norma NBR 7182/86, com energia de compactação
normal. Os resultados são apresentados na Figura 9 e 10 adiante.
Figura 9 – Curva de compactação para amostra A-16
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Figura 10 – Curva de compactação para amostra A-17
As umidades ótimas e as respectivas massas específicas aparentes secas
máximas das amostras se mostraram compatíveis com os valores correlacionados
por Vargas (1977) entre compactação e limites de Atterberg.
Esses solos podem ser considerados bons para emprego em obras de terra e
podem ainda ser melhorados se misturados convenientemente com solos
aluvionares da região, de forma a se obter um solo com menores limites de
Atterberg e assim, com maior massa específica seca na umidade ótima.
3. ESTUDO GEOTÉCNICO SOBRE RESERVATÓRIOS E
BARRAGENS 3.1. Estudo sobre Reservatórios de Água Superficial
Foram efetuadas avaliações de áreas e volumes utilizando bases
cartográficas disponíveis dos vales dos rios Caceribu (eixo EA-20), Soarinho (eixo
EA-05), Tanguá (eixo EA-23) e Guapi-Açu (eixo Jusante), e considerando as
intervenções propostas pelo Plano Diretor de Recursos Hídricos da Região
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Hidrográfica da Baia de Guanabara (PDRH-BG) e pelo Projeto Macacu, para
formação de reservatórios de água.
A partir dos cálculos de volumes desses reservatórios foram elaborados
gráficos cota-volume para iniciar estudo de capacidade nesses possíveis
reservatórios e para subsidiar a concepção do modelo de disponibilidade hídrica
para a região.
Figura 11 – Curva cota-volume para alguns reservatórios
Nota-se que os reservatórios Guapi-Açu Jusante e Tanguá (EA-23) são os de
maior capacidade, sendo o primeiro o maior deles.
A Figura 12 mostra a altura do barramento (sem borda livre) e sua relação
com a área do lago formado para cada um desses reservatórios.
Das Figuras 11 e 12 pode ser verificado que o reservatório Guapi-Açu
Jusante apresenta um volume de 100 milhões de metros cúbicos na cota +20m,
sendo o nível de base na cota +5m. Assim, a altura da barragem, sem borda livre,
seria de 15m e haveria a formação de um lago com espelho d’água sobre uma área
de aproximadamente 24km2.
342
Figura 12 – Altura da barragem e área do lago formado
O reservatório Guapi-Açu Jusante é o de maior capacidade, no entanto,
abrangeria uma área considerável, havendo necessidade de estudos adicionais
quanto aos aspectos sócio-econômicos e ambientais decorrentes da formação do
lago.
Esse lago estaria assente sobre uma geologia variada, apresentando
depósitos colúvio-aluvionares sobrepostos a gnaisses da Unidade São Fidelis do
Complexo Paraíba do Sul (MNps), numa região de contato com a Unidade Santo
Aleixo (Nγ2ss). Essa unidade é marginal ao Batólito Serra dos Órgãos (Nγ2s). A
região apresenta falhas e fraturas típicas da geologia do Graben e que necessitam
serem investigadas. Também a espessura do pacote sedimentar necessita ser
determinada para se avaliar adequadamente as condições de percolação pela
fundação da barragem proposta.
Os solos dos terrenos adjacentes são latossolos, em princípio, adequados ao
uso como material de construção de barragens de terra, necessitando melhores
caracterizações quanto à compactação e à resistência ao cisalhamento.
No reservatório de Tanguá (EA-23), nota-se que para se obter um volume de
100 milhões de metros cúbicos de água a altura da barragem deveria ser de 30m.
No entanto, a área do lago seria da ordem de 9km2, 62% menor que a área do lago
Guapi-Açu.
343
O lago Tanguá estaria assente sobre solos podzólicos, sobrepostos ao
Gnaisse Tingui, um plúton correlato do Complexo Rio Negro (Nγ1rt), não havendo
nas cartas geológicas presença de falhas ou fraturas, embora conste, nas
proximidades, um extenso dique mezo-cenozóico.
Esses solos necessitam serem investigados, especialmente quanto ao perfil
estratigráfico, a parâmetros de compactação e resistência e quanto à geomorfologia,
visto que o lago estaria na transição do domínio Suave Colinoso para o Maciço
Costeiro, onde predominam altas densidades de drenagens e elevados gradientes
que podem afetar a estabilidade das margens a montante do lago.
Na curva cota-volume para o reservatório Caceribu, pode-se notar que a
capacidade do reservatório é modesta (não chega a 30 milhões de m3) e a área
ocupada pelo espelho d’água é pequena (aproximadamente 3km2). No entanto há
reduzida taxa de ocupação.
O reservatório estaria assente sobre terreno colinoso a acidentado,
latossólicos, sobreposto a granitos da Suíte Desengano (Nγ2d), em um vale
encaixado entre escarpas do Maciço Alcalino Tanguá (KTλta).
Embora haja uma falha contracional entre a Suíte Desengano e a Unidade
São Fidelis (MNps), que separa o Maciço Alcalino de Tanguá do Maciço Alcalino Rio
Bonito (KTλrb), não há indicação de fraturas ou falhas nesses Maciços Alcalinos na
carta geológica (CPRM, 2001). No entanto, imagens de satélites (Google Earth),
mostram lineamentos no Maciço Alcalino Tanguá, na direção N-S e no Maciço
Alcalino Rio Bonito, na direção W-E, portanto, há indicação de maiores
detalhamentos em investigações futuras.
A curva cota-volume para o reservatório Soarinho mostra que esse
reservatório necessitaria de um barramento alto para conter pouca quantidade de
água (40 milhões de m3). Em face da atual ocupação da área, a tendência seria
desconsiderar esse reservatório como uma alternativa. Entretanto, a reduzida área
do espelho d’água do reservatório torna essa alternativa ainda considerável.
Registre-se que o reservatório estaria localizado numa região de contato do
Maciço Alcalino Soarinho (KTλso) com os encaixados granitos da Suíte Desengano
e gnaisses da Unidade São Fidelis. Havendo falhamento no contato entre essas
duas encaixadas.
344
De um modo geral os barramentos teriam pouca altura, embora, para alguns
reservatórios, a extensão do barramento seria considerável e demandariam mais de
um barramento para conter extravasamentos por gargantas muito baixas.
3.2. Estudo sobre a Barragem do Rio Guapi-Açu
A Coordenadoria de Recursos Hídricos apresentou sugestão de implantação
de reservatório de água no vale do rio Guapi-Açu, no município de Cachoeiras de
Macacu, com eixo do barramento principal próximo à ponte na RJ-122 sobre o rio
Guapi-Açu.
O volume de água desse reservatório foi estimado para duas hipóteses
distintas de regime hidrológico, sendo a primeira tal que as barragens deveriam ter
suas cristas na cota +19,50m; e, na segunda hipótese, as barragens deveriam ter
suas cristas na cota +25,20m.
Os aspectos dos reservatórios a serem formados são apresentados nas
Figuras 13 e 14, respectivamente, para as cotas +19,50m e +25,20m. A Figura 11
acima apresentou a curva cota-volume para o reservatório Guapi-Açu e a Figura 12
a curva altura da barragem vs. área do reservatório, podendo, para a primeira
hipótese, ser estimada uma área de inundação com aproximadamente 32km2. Para
a segunda hipótese a área do espelho d’água foi calculada em aproximadamente 39
km2, descontando-se as ilhas que se formariam no interior do lado.
Figura 13 – Aspecto do reservatório com a barragem na cota +19,50m
345
Figura 14 – Aspecto do reservatório com a barragem na cota +25,20m
Essas ilhas seriam formadas pelos morrotes existentes no vale do Guapi-Açu
e algumas dessas elevações poderão servir de jazidas de empréstimo para
construção das barragens de terra.
As amostras A-16 e A-17 foram coletadas nessa região e os resultados dos
ensaios de compactação efetuados foram apresentados nas Figuras 9 e 10,
respectivamente.
As análises granulométricas permitiram classificar as amostras A-16 e A-17
como sendo pertencentes a solos areno-argilosos. A partir das propostas
mencionadas em Bureau of Reclamation (1974) e Eletrobrás (2009), foi possível
conceber a barragem de terra com largura da crista de 3m e declividade de taludes
como apresentado na Figura 15, admitindo não haver via de tráfego sobre a
barragem principal.
346
Figura 15 – Seção típica da barragem de terra
Para as barragens secundárias, necessárias para evitar extravasamento do
reservatório pelo seu lado Sudoeste, uma vez que a formação do reservatório
implicaria no afogamento da atual estrada vicinal de acesso ao vale e adjacências, a
largura da crista foi estabelecida em 6m.
Considerando que o terreno aluvionar formador do vale do Guapi-Açu é
naturalmente permeável, foi concebida ainda uma trincheira impermeável (cut-off) na
fundação da barragem. Embora o perfil estratigráfico do solo seja desconhecido,
admitiu-se que a altura da trincheira impermeável correspondesse à espessura da
camada aluvionar e que esta teria aproximadamente 10m. Admitiu-se, ainda, uma
largura mínima da trincheira de aproximadamente 5m.
A hipótese de existir um solo mais resistente e impermeável fundamenta-se
em consulta a arquivos do DER-RJ, especificamente às plantas da ponte sobre o rio
Guapi-Açu, na RJ-122, cujas fundações são estacas pré-moldadas assentes
aproximadamente na cota +1,00m. A Figura 16 apresenta parte do projeto estrutural
da ponte.
347
Figura 16 – Parte do projeto da ponte sobre o rio Guapi-Açu na RJ-122
Assim, com base em topografia da região digitalizada em escala 1:10.000,
cuja Figura 17 abaixo mostra uma vista em planta da barragem, foram tomadas
diversas seções transversais das barragens, conforme a configuração do terreno,
calculadas as áreas dessas seções, medidas as distâncias entre seções e
calculados os volumes de terra utilizando a expressão do volume do tronco de
pirâmide. Tanto para o corpo da barragem quanto para o cut-off.
Figura 17 – Base topográfica na escala 1:10.000 da região
Os resumos dos cálculos são apresentados nas Figuras 18 e 19 para a
barragem com crista na cota +19,50m e nas Figuras 20 e 21 para a barragem com
crista na cota +25,20m.
348
Figura 18 – Volume das barragens de terra na cota +19,50m
349
Figura 19 – Volume do cut-off das barragens de terra na cota +19,50m
350
Figura 20 – Volume das barragens de terra na cota +25,20m
351
Figura 21 – Volume do cut-off das barragens de terra na cota +25,20m
352
Para os dois casos, foram estimados volumes de solo de jazida de
empréstimo utilizando um fator de empolamento de 1,1 para a conversão do solo
compactado da barragem para o solo da jazida. Foi utilizado ainda um fator de
empolamento de 1,4 para conversão do solo da jazida para o solo desempolado a
ser transportado em caminhões.
Em relação às jazidas, aparentemente, quaisquer dos morrotes no interior do
vale poderão suprir as necessidades, no entanto, a distância mínima da jazida a
obra indica necessidade de operações de escavação, carga, transporte, descarga,
espalhamento e compactação.
Todos esses aspectos devem ser considerados estimativos em razão da
ausência de sondagens e de ensaios de resistência, permeabilidade e
eventualmente deformabilidade, tanto da fundação quanto do maciço.
3.3. Outros Aspectos Geotécnicos
Um aspecto geotécnico importante e que deve ser considerado na região do
curso médio do rio Guapi-Açu é a propensão do terreno à sedimentação dada a sua
morfologia. A dificuldade da drenagem, em face da baixa declividade, naturalmente,
levou a região a se constituir em uma planície aluvionar, tanto que a área está
atualmente ocupada com atividades agrárias de cultivo, indicando fertilidade do solo
típica de regiões de agradação, e eventual exploração de jazida de areia.
A propensão ao assoreamento tende a ser agravada com o impedimento da
drenagem decorrente do barramento e das restrições na circulação de água no
reservatório formado. Por outro lado, poderá haver uma tendência de se ocupar as
margens do reservatório, retirando a proteção oferecida hoje pela cobertura vegetal.
A limpeza do terreno antes da formação do reservatório vai se constituir em
uma tarefa de grande monta dada à imensa área a ser inundada. Será necessário
remover a capa de solo orgânico, que dado ao cultivo e pastoreio na região, deve
abranger toda área. As tarefas de desmatamento e destocamento parecem
minimizadas pela baixa cobertura vegetal predominante.
Um outro aspecto que deve ser observado é a presença do contato de
unidades geológicas no lado Oeste do reservatório e a existência de falhas
geológicas na região.
353
4. USUÁRIOS DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS
4.1. Banco de Dados de Poços de Abastecimento
Foram obtidos cadastros de usos e usuários de águas subterrâneas em
diversos órgãos públicos como SERLA, DRM-RJ, DNPM, Prefeitura Municipal de
Itaboraí, e UFF (Rede de Geotecnologia em Águas Subterrâneas). Esses cadastros
foram reunidos em um arquivo, tratados quanto a duplicidades e inconsistências,
confirmados e atualizados por levantamentos de campo, e montado um banco de
dados de poços de abastecimento. A Tabela 3 a seguir contém a localização desses
73 poços de abastecimento. Outros dados, como vazão, profundidade, nível d’água,
geologia, identificação do proprietário, localização em coordenadas UTM, origem,
que puderam ser obtidos, estão contidos no Anexo IV, que acompanha este
relatório.
354
Tabela 3 – Poços de abastecimento cadastrados
355
Tabela 3 – Poços de abastecimento cadastrados (continuação)
4.2. Distribuição dos Poços de Abastecimento
A Figura 22 acima mostra a distribuição desses poços na região da bacia
hidrográfica. Os poços foram representados como pontos marrons no mapa.
Dos 73 poços cadastrados, 40% tiveram origem nos cadastros de órgãos
públicos e os restantes 60% foram obtidos pelo Projeto, em diversas visitas de
reconhecimento ao campo, durante o processo de verificação e confirmação dos
dados absorvidos de outros cadastros.
Nota-se que a área urbana do município de Itaboraí concentra a maioria
desses poços, atendendo em geral a domicílios.
356
Figura 22 – Distribuição dos poços de abastecimento pela bacia
A Figura 23 adiante mostra a distribuição desses poços por município,
podendo-se observar que mais de 80% dos poços cadastrados estão localizados no
município de Itaboraí.
Figura 23 – Distribuição dos poços de abastecimento por município
357
Admitindo-se uma vazão média por poço de 12 m3/h, pode-se estimar que o
consumo de água subterrânea em Itaboraí seja da ordem de 0,2m3/s ou 17.280.000
L/dia.
Considerando que a população do município de Itaboraí está em torno de 225
mil habitantes e que segundo a Secretaria de Obras do Município de Itaboraí a
distribuição de água proveniente da estação de tratamento de água da CEDAE em
Laranjal (São Gonçalo-RJ) atende apenas 25% da população, quase 170 mil
habitantes do município obtêm água extraindo do subsolo.
Essa consideração leva ao entendimento que o consumo médio de água
subterrânea por habitante do município de Itaboraí é de aproximadamente 100 L/dia.
Acrescente-se a isso o fato que o abastecimento público, residencial ou comercial,
feito por água subterrânea, raramente, é precedido de tratamento adequado. Assim,
tem-se que há um elevado potencial de insalubridade, já que e as condições de
descarte das águas servidas ou residuárias não são conhecidas. No entanto,
admite-se que esse descarte seja feito diretamente no solo em face de não se ter
constatado o funcionamento de estações de tratamento de esgoto doméstico.
A Figura 24 adiante mostra a distribuição percentual de poços de
abastecimento por tipo de usuário, sendo considerados poços públicos os poços
geridos pelo município e normalmente empregados na distribuição às comunidades
adjacentes, por poço tubular profundo, castelo d’água e rede de distribuição local.
Os poços residenciais são poços privados que atendem normalmente a
condomínios, em sistema semelhante aos poços públicos, e raramente dispõem de
tratamento.
358
Figura 24 – Distribuição dos poços de abastecimento por tipo de uso
Os poços classificados com engarrafamento são pertencentes a empresas
mineradoras que comercializam o produto in natura ou a empresas que utilizam a
água na fabricação de bebidas.
Os poços comerciais são normalmente pertencentes a empresas que utilizam
a água para consumo próprio no exercício de sua atividade.
Alguns poços desativados foram utilizados na rede de monitoramento.
5. CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOLÓGICA
5.1. Introdução
Embora o conhecimento sistemático das águas subterrâneas na bacia
hidrográfica dos rios Guapi-Açu, Macacu e Guapimirim seja incipiente, futuramente,
esta região deverá passar por um rápido crescimento da demanda por esse recurso.
Devido à grande diferença em volume, comparativamente com as águas superficiais,
as águas subterrâneas desempenharão a princípio um papel secundário na
disponibilidade hídrica nas bacias. Contudo, cada vez mais, sua utilização será
incrementada devido ao crescimento populacional, desenvolvimento industrial e as
restrições sazonais das águas superficiais.
De caráter estratégico, seu conhecimento possibilitará aos gestores,
alternativas para auxiliar no gerenciamento de crises hídricas, quer através da
359
simples captação ou pela aplicação de técnicas inovadoras de armazenamento da
água subterrânea e/ou do uso complementar aos recursos superficiais.
A partir das documentações existentes citadas no Plano Diretor de Recursos
Hídricos da Região Hidrográfica da Baía de Guanabara e no Estudo de Impacto
Ambiental do COMPERJ, foi realizada uma análise das características
hidrogeológicas e das disponibilidades hídricas subterrâneas das bacias
supracitadas.
5.2. Caracterização Hidrogeológica
As condições de ocorrência das águas subterrâneas em aqüíferos estão
relacionadas à existência de ambiente geológico favorável ao armazenamento e a
circulação da água. Na bacia hidrográfica dos rios Guapi-Açu, Guapimirim, Macacu
são identificados dois sistemas de aqüíferos principais:
→ Sistema Aqüífero Sedimentar; → Sistema Aqüífero Cristalino;
O primeiro sistema é constituído por diferentes associações sedimentares,
compreendendo os aqüíferos: Formação Macacu; Aluvionar; e Flúvio-Lagunar e
Flúvio-Marinho Argilo-Arenoso.
O segundo sistema é o Aqüífero Cristalino, que é conexo às descontinuidades
existentes nas rochas cristalinas, ocorrendo em 60 a 70 % da das Bacias,
principalmente associadas às rochas do embasamento granítico-gnáissico e,
eventualmente, em rochas alcalinas e básicas.
5.3. Sistema Aqüífero Sedimentar
Nas bacias consideradas o sistema aqüífero sedimentar pode ser reunido em
três principais unidades: 1) Formação Macacu; 2) sedimentos alúvio–lacustres e, 3)
sedimentos flúvio-marinho-argilo-arenoso, (EIA-COMPERJ, 2007).
360
5.3.1. Aqüífero Macacu
O aqüífero Macacu integra a Formação homônima de idade terciária,
ocorrendo na porção sul da bacia do rio de mesmo nome e apresenta uma área de
aproximadamente de 115 km2, aflorando principalmente nos municípios de Itaboraí e
Magé. Os níveis sedimentares apresentam forte intercalação, constituídos por
sedimentos arenosos, argilosos, sílticos e conglomeráticos. Estimativas apontam
que a espessura dos sedimentos pode alcançar até 200 metros, (PDRH-BG, 2004).
Em relação às vazões produzidas por esta formação a documentação disponível é
contraditória. Segundo o PDRH-BG (2004), a Formação Macacu é um aqüífero livre
a semi confinado, pouco produtivo, com vazões máximas na ordem de 1,5 m3/hora.
Todavia, de acordo com o Diagnóstico Ambiental do EIA-COMPERJ (2007), as
vazões instaladas neste aqüífero variam de 5,5 a 42,7 m3/hora e média de 20,7
m3/hora. Ainda segundo o PDRH-BG (2004), no capítulo de programas, o Programa
de Aproveitamento Racional da Água Subterrânea, indica a existência de poços
perfurados na região de Itaboraí que apresentaram vazões entre 15 e 42 m3/hora,
considerando a Formação Macacu como um “aqüífero de alto potencial, para ser
explotado”. Essa diferença pode resultar da existência de poços mistos, que captam
água no aqüífero Macacu e no Cristalino. As entradas de água, ou seja, os
horizontes de maior permeabilidade variam de 20 a 103 metros.
5.3.2. Aqüífero Aluvionar
Esse aqüífero ocorre em Leques Detríticos e Planícies Aluvionares,
principalmente, nas bacias dos rios Macacu e Guapi-Açu. Apresenta intensa
variação composicional sendo constituído por intercalações de areias, argilas e
matéria orgânica. Esses sedimentos apresentam a maior parte dos seus 410 km2 na
região em apreço. As espessuras médias dos sedimentos estão em torno de 20
metros, mas podem alcançar espessuras de até 100 metros, quando associados a
paleo estruturas do embasamento cristalino.
A produção observada nos poços tubulares profundos pode alcançar vazões
superiores a 10 m3/hora. Neste aqüífero, ensaios de vazão realizados pela CEDAE e
GTZ, obtiveram vazões de 42 e 10 m3/hora. As entradas de água ocorreram nos
intervalos entre 8 a 14 metros e de 22 a 24 metros. Devido ao relativo potencial
361
desta unidade, o Programa de Aproveitamento Racional de Água Subterrânea do
PDRH-BG (2004), sugere a utilização deste aqüífero através da construção de
baterias de poços, contendo um número entre 10 a 20 poços, estimando que a
vazão a ser produzida seria da ordem de 100 e 400 m3/hora, dependendo do
número de poços. Ainda de acordo com o referido Programa, essa vazão seria
compatível com as vazões obtidas pela CEDAE – GTZ, em testes realizados em
poços radiais no mesmo aqüífero.
5.3.3. Aqüífero Flúvio-Lagunar e Flúvio-Marinho Argilo-Arenoso
Este aqüífero é constituído por níveis arenosos com bastante argila e
intercalações de camadas e lentes argilosas e siltosas, correspondendo a
sedimentação fluvial de baixo curso fluvial e também devido as transgressões
marinhas. A área total é de 230 km2, e a espessura pode alcançar os 100 metros.
Não há relato de poços profundos neste aqüífero, mas ele é bastante utilizado pela
população ribeirinha aos rios Macacu e Guapi-Açu, que captam água através de
poços do tipo cacimba e ponteira. Portanto, localmente pode se constituir em
importante manancial para pequenas comunidades.
5.3.4. Aqüífero Cristalino
Genericamente o sistema cristalino pode ser caracterizado pela ausência ou
baixa freqüência de espaços vazios na rocha. Este tipo de aqüífero é marcado pela
elevada anisotropia e heterogeneidade onde a porosidade e permeabilidade estão
relacionadas às fissuras ou fraturas, juntas e falhas. Por conta dessas
características, os parâmetros hidráulicos apresentam intensa variação espacial,
tornando difícil a quantificação de propriedades hidrogeológicas. Os principais
fatores que podem atuar neste sistema, controlando os mecanismos de infiltração,
armazenamento da água e qualidade, são o clima, relevo, hidrografia, coberturas
detríticas, manto de intemperismo, litologia e estruturas geológicas.
As rochas cristalinas ocupam a maior parte da área da bacia, sendo melhores
visualizadas nos contornos topográficos mais elevados. A espessura da zona
fraturada nessas rochas é incerta, sendo função da intensidade e amplitude dos
processos tectônicos.
362
Na região o aqüífero cristalino ocorre em aproximadamente de 60 a 70% da
área. De acordo com a classificação morfo-estrutural do Mapa de Favorabilidade
Hidrogeológica (CPRM, 2001), citado pelo PDRH-BG (2004), o potencial hídrico
dessas rochas na região é variável, sendo o aqüífero cristalino subdividido em graus
de favorabilidade, moderada, baixa e muito baixa. Com base nas informações
disponíveis de poços tubulares profundos perfurados na região, é possível concluir
que este tipo de aqüífero tem baixa produtividade, apresentando vazões que variam
de 1 a 20 m3/hora, mas com média de 3,0 m3/hora. A profundidade das fraturas
produtivas oscila entre 20 e 90 m e a dos poços de 30 a 170 m.
Estudos hidrogeológicos realizados em fontes e poços tubulares profundos na
parte superior da bacia do rio Guapi-Açu, (Vogel, 2006), identificaram vazões em
fontes na ordem de 24,5 m3/h com médias de 3,5 m3/h. Poços tubulares profundos
na mesma região apresentaram vazões na ordem de 7,1 m3/h.
Embora a vazão do sistema cristalino seja, geralmente, insignificante, quando
as fraturas produtivas estiverem associadas a um relevo mais suave com cobertura
permeável, poderá ocorrer aumento da recarga para as fraturas e, por conseguinte,
vazão mais significativa. Desde que os terrenos cristalinos da região se encontram,
em grande parte, encobertos por espessos mantos não consolidados, eles podem
constituir sistemas aqüíferos individuais e secundários, de importância local,
freqüentemente utilizados para abastecimento doméstico. Contudo, os dados
disponíveis não permitem quantificar os volumes existentes nessas coberturas.
Estudos de fotointerpretação, geológicos e geofísicos poderão apontar as áreas e
estruturas com maior potencial para disponibilidade da água subterrânea associado
às rochas cristalinas na área.
5.4. Disponibilidade de Águas Subterrâneas
Geralmente as reservas hídricas dos aqüíferos são divididas em reservas
renováveis e permanentes. As reservas permanentes ou seculares são aquelas que
se situam abaixo da variação anual do nível freático. As reservas reguladoras ou
renováveis correspondem ao volume de água armazenada no aqüífero acima do
nível freático mínimo. Elas correspondem, de forma geral, ao escoamento de base
dos rios, ou seja, à contribuição do aqüífero para os rios ao longo de um ano
363
hidrológico. O valor de escoamento básico de um rio pode ser considerado, portanto,
como valor de recarga dos aqüíferos.
De forma geral, considera-se que as reservas explotáveis de um aqüífero
sejam a soma das reservas reguladoras somadas a uma pequena fração das
reservas permanentes. A porcentagem a ser adotada das reservas reguladoras e
permanentes para cálculo da reserva explotável dos aqüíferos é controversa,
principalmente em face da dinâmica de fluxo e resposta de cada aqüífero à
explotação.
As reservas referentes aos aqüíferos sedimentares constam do PDRH-BG
(2004) e foram calculadas a partir de estimativas da espessura saturada e da
porosidade efetiva e estão sumariadas e apresentadas no quadro abaixo.
De acordo com o PDRH-BG (2004) e EIA-COMPERJ (2007), o tipo de
aqüífero predominante é o cristalino fraturado e, apesar dele ocorrer em uma área
de aproximadamente 70% das bacias do Macacu-Guapi-Açu, há pouca ou nenhuma
informação quanto à disponibilidade das águas subterrâneas neste sistema. Devido
a essa circunstância, este item apresenta um estudo preliminar da disponibilidade
hídrica subterrânea nas rochas cristalinas.
5.5. Disponibilidade do Sistema Cristalino
É aceito que a “reserva ativa” de um aqüífero é mantida pelo volume de água
infiltrado para o aqüífero a partir da precipitação que ocorre na bacia e que se pode
assumir como reserva reguladora, atuando diretamente no escoamento básico de
um rio. Segundo Lopes (1994), esse volume equivale a recarga média multianual e
transitória do aqüífero, ou potencial renovável de água subterrânea de uma bacia,
correspondendo ao volume de água que é drenado pelos rios na forma de seu
escoamento básico, desde que não corram retiradas significativas.
Geralmente é aceito que as reservas explotáveis corresponderiam a 20% das
reservas reguladoras. Mesmo que seja um valor conservador, pois não avalia o uso
das reservas permanentes, ainda assim, ele pode ser aceito com estimativa regional
de aqüíferos fraturados.
Este valor também é considerado satisfatório sob o aspecto de manutenção
da vazão dos rios, porque considera que apenas 20% do escoamento de base
poderiam ser afetados pela captação de água subterrânea. A reserva explotável do
364
aqüífero cristalino, adotada neste estudo, representaria, portanto, 20% do
escoamento de base dos rios.
Ainda que existam métodos mais confiáveis para estimar a recarga e
circulação das águas subterrâneas, devido à inexistência de informações
hidrogeológicas relativas aos aqüíferos fraturados na bacia, a estimativa do volume
de água que circula neste sistema foi feita através das vazões mínimas dos rios.
Para essa avaliação foram utilizados os dados hidrológicos extraídos do
quadro 8.11 (Vazões nas UBs), capítulo de Disponibilidades Hídricas do PDRH-BG
(2004), mas considerando apenas os trechos das bacias com predominância de
rochas cristalinas e/ou pouca influência de coberturas sedimentares. Apesar das
vazões serem regionalizadas, a título de avaliação preliminar, os dados são
perfeitamente e aplicáveis ao propósito deste item.
Ainda de acordo com o método proposto por Lopes (1994), Pereira e
Kilmmelmann (2004), são apresentadas avaliações preliminares da disponibilidade
hídrica subterrânea para os aqüíferos fraturados na região, utilizando a seguinte
expressão:
QDis = Q7,10 F
Onde: QDis = disponibilidade subterrânea, em metros cúbicos por segundo.
Q7,10 = vazão mínima de sete dias consecutivos e tempo de retorno de dez anos;
a qual é similar a recarga média multianual.
F = índice percentual aplicado sobre o escoamento básico admitido como a
parcela correspondente a disponibilidade potencial ou reserva explotável de água
subterrânea (adotado valor empírico de 0,2 para rochas cristalinas).
A Tabela 4 abaixo apresenta os resultados da disponibilidade de água
subterrânea em algumas bacias da região, obtidos a partir dos valores de Q7,10 das
UB mais representativas dos terrenos de predominância de rochas cristalinas,
conforme os mapas PR7, PR9 e PR10 do PDRH-BG (2004).
365
Tabela 4 - Disponibilidade de água em algumas bacias da região
Unidade de Balanço Rio
Área
(km²)
Q7,10
(m3/s)
QDisponível
(m3/s)
24.1 Macacu 508,61 5,64 1,13
24.2 Guapi-Açu 568,28 6,31 1,27
24.4 Guapimirim 132,38 1,43 0,29
28.1 Rio Bonito 27,26 0,288 0,06
28.2 Tanguá 383,74 4,23 0,84
Média 3,58 0,72
Convém destacar que a disponibilidade hídrica superficial e a subterrânea não
podem ser somadas para fornecer um valor de disponibilidade total. Na verdade, a
disponibilidade hídrica superficial inclui, no seu valor, a disponibilidade subterrânea,
já que esta representa uma parte do escoamento de base dos rios. A água
subterrânea retirada em um determinado ponto implica em redução da contribuição
do aqüífero para o rio e, conseqüentemente, a diminuição da água disponível no rio.
Por fim a Tabela 5 a seguir apresenta uma síntese da tipologia e
produtividade dos aqüíferos da região, apresentando todos os dados disponíveis nos
relatórios utilizados.
366
Tabela 5 – Tipologia e produtividade dos aqüíferos
6. MONITORAMENTO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS E ESTABELECIMENTO DA CURVA DE RECESSÃO NATURAL E DA RECARGA DO AQUIFERO
6.1. Introdução
Do mesmo modo que nos reservatórios de água superficial, é essencial
conhecer a quantidade de água armazenada na forma de água subterrânea e sua
variação com o tempo. A quantidade de água armazenada é continuamente alterada
em função de um ou mais fatores. As variações podem ocorrer desde flutuações
rápidas resultantes de uma onda de vibração no terreno devido a um terremoto,
367
devido a um bombeamento do aqüífero ou flutuações de longo prazo causadas por
variações climáticas. Neste contexto, as mudanças em longo prazo, no período de
dias ou meses são as mais importantes tendo em vista a necessidade de
estabelecimento de parâmetros para o gerenciamento dos aqüíferos.
As mudanças no armazenamento de um aqüífero são determinadas a partir
de medições seguidas e regulares da profundidade do nível d’água. A freqüência
das medidas depende da natureza da flutuação e do objetivo do problema. Para o
registro continuo dos dados são utilizados registradores automáticos. Quando não
há necessidade do registro continuo, os níveis d’água podem ser monitorados
manualmente com o uso de fitas graduadas com sensores elétricos de contato.
A quantidade de água armazenada no aqüífero, registrada através do nível
d’água responde tanto aos eventos de recarga quanto aos de descarga. Quando a
descarga excede a recarga o nível d’água a água de armazenamento é retirada e o
nível d’água diminui. Do ponto de vista prático a precipitação é única fonte de
recarga sob condições naturais. Entretanto, a recarga é um evento intermitente,
variando dia a dia, sazonalmente e ano a ano. A descarga, por outro lado é um
evento continuo enquanto o nível d’água em qualquer parte do aqüífero for maior do
que o nível d’água no trecho de descarga do aqüífero. Portanto, a representação
gráfica da variação do nível d’água no tempo apresenta curtos períodos de elevação
do nível d’água superimpostos de períodos de recessão contínua.
6.2. Conceituação: Curvas de Recessão Natural
O decaimento do nível d’água na ausência de recarga depende dos seguintes
fatores:
− da capacidade do aqüífero de transmitir água. A capacidade é igual à
permeabilidade (K) multiplicada pela espessura saturada do aqüífero (b). O
produto da permeabilidade e da espessura é denominado de transmissividade
(T);
− do coeficiente de armazenamento (S) do aqüífero;
− do gradiente hidráulico (i);
368
Após o período de recarga o nível d’água decai rapidamente no inicio e em
seguida cai mais lentamente com o tempo por causa do decaimento tanto da
transmissividade quanto do gradiente hidráulico a medida que o armazenamenro
diminui. A representação gráfica do decaimento é conhecida como curva de
recessão natural.
Num estudo de correlação entre os níveis d’água subterrâneos e a
precipitação em Long Island, N.Y., Jacob (1944 pp. 566-567) mostrou que a curva
de decaimento do nível d’água na península no período seco, sem precipitação, era
expressa pela seguinte equação:
)4
(
02
2
SatT
ehh ⋅
⋅⋅−
⋅=π
(1)
Onde; - ho é a altura do nível d’água acima do nível médio do mar; - h é a altura do nível d’água após um tempo t;
- a é a metade da largura da península;
- T é a transmissividade, produto da permeabilidade (K) pela espessura do
aqüífero (b).
Uma limitação da equação é que foi assumido que a espessura do aqüífero é
relativamente muito maior que a altura do nível d’água acima do nível do mar. Pode
ser mostrado pela equação que a altura h decai com o logaritmo do tempo. Um
gráfico do logaritmo da altura h versus o tempo deve aparecer como uma linha reta,
sendo uma importante ferramenta para o estudo das variações do nível d’água e do
armazenamento da água subterrânea.
6.3. Metodologia
Para avaliar a recarga dos aqüíferos no projeto Macacu foram selecionados
inicialmente 2 poços de monitoramento profundos que apresentaram condições
espaciais e físicas para instalação de um sistema de monitoramento automático do
nível d’água. Foram utilizados sensores de pressão absoluta dotados de
369
registradores automáticos fornecidos pela SOLINST modelo Levelogger Gold 30m e
um sensor de pressão barométrica modelo Barologger. Os sensores de nível d’água
foram instalados em três poços profundos com auxílio de um cabo de aço de 2mm
revestido por uma membrana plástica. Os dados de variação continua do nível
d’água nos poços de monitoramento e da pressão barométrica são registrados num
intervalo de tempo de 15 em 15 minutos. A cada 30 a 60 dias os pontos de
monitoramento são visitados e os dados são descarregados para um notebook. A
Tabela 6 apresenta a identificação dos poços de monitoramento e o respectivo
período de monitoramento contínuo.
Tabela 6 – Identificação dos poços e período de monitoramento contínuo do nível
d’água
ID
NOME
LOCAL
Início
Final
BARO Barologger Porto das Caixas 16/3/2009 17/12/2009 PA-027 PM-IGRJ Reta Velha 16/3/2009 17/12/2009 PA-041 PM-GTZ Aluvião baixo Macacu 16/3/2009 17/12/2009 PM-00A - Aluvião afluente do Caceribu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00D - Aluvião do Caceribu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00E - Aluvião afluente do Macacu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00F - Aluvião do Orindi-Açu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00G - Aluvião do Guapi-Açu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00H - Aluvião do médio Macacu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00I - Aluvião do baixo Guapi-Açu 29/9/2009 17/12/2009 PM-00J - Aluvião do baixo Macacu 29/9/2009 17/12/2009
O gráfico da Figura 25 apresenta a variação contínua do nível d’água nos dois
poços de monitoramento profundos selecionados e que apresentam o maior período
de monitoramento do conjunto. O PA-027, conforme descrito anteriormente é um
poço desativado e instalado no aqüífero Macacu e o PA-041 é um poço de
monitoramento antigo instalado no aqüífero aluvionar da bacia do rio Guapi-Açu-
Macacu, a cerca de 500 m do trecho retificado rio Macacu na altura da captação da
CEDAE. Do gráfico elaborado, observa-se claramente que o aqüífero aluvionar, mas
superficial e mais permeável, representado pelo PM-GTZ responde quase que
instantaneamente aos eventos de recarga tendo em vista suas características
particulares: elevada permeabilidade e nível d’água próximo a superfície do terreno.
Entretanto, do mesmo modo que o aqüífero responde rapidamente a um evento de
recarga, no período de recessão, sem recarga imediatamente após os eventos
370
observa-se uma redução igualmente rápida do nível d’água subterrânea. Deste
modo, os eventos de recarga nestes aqüíferos se dão em pulsos com picos muito
bem delineados graficamente. Do inicio do monitoramento até meados de setembro
de 2009 observa-se um período de descarga das águas subterrâneas, mesmo como
a ocorrência de eventos de recarga neste período, a tendência geral é de redução
gradual do nível d’água neste período.
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
mar-09 abr-09 mai-09 jun-09 jul-09 ago-09 set-09 out-09 nov-09 dez-09
NA
- m
PM-IGRJ-RETA_VELHA
PM-GTZ
Figura 25 – Variação do NA nos poços profundos PA-027 e no PA-041
O gráfico da Figura 26 apresenta a variação do NA nos poços de monitoramento
PM-00A, PM-00E e PM-00H, que apresentaram comportamento similar. Nota-se que
nestes gráficos as variações de NA são mais suaves com topos e fundos arredondados,
característicos de aqüíferos semi-confinados onde as águas de infiltração direta passam
por uma camada de menor permeabilidade antes de recarregar o aqüífero de fato,
gerando um retardamento na infiltração e, conseqüentemente, uma menor
vulnerabilidade destes aqüíferos à contaminação direta.
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
set-09 out-09 nov-09 dez-09
VAR
IAÇ
ÃO
DO
NA
- m
PM-00A PM-00E PM-00H
Figura 26 – Variação do NA nos poços PM-00A, PM-00E e PM-00H
371
O gráfico da Figura 27 apresenta a variação do NA nos poços de
monitoramento PM-00D, PM-00F, PM-00G, PM-00I e PM-00J, que apresentaram
comportamento similar, onde as variações de NA são mais bruscas, com topos e
fundos bem definidos e pontuais. Este tipo de comportamento é característico de
aqüíferos livres com permeabilidade elevada, onde as águas de infiltração direta
atingem o aqüífero rapidamente, quase e instantaneamente, de modo que um
evento de recarga é percebido pelo aqüífero pela rápida variação do NA. Este
comportamento é desfavorável, pois demonstra que o aqüífero é exremamente
vulnerável à contaminação superficial.
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
set-09 out-09 nov-09 dez-09
VAR
IAÇ
ÃO
DO
NA
- m
PM-00D PM-00F PM-00G
PM-00I PM-00J
Figura 27 – Variação do NA nos poços PM-00D, PM-00F, PM-00G, PM-00I e PM-00J
6.4. Instalação dos Poços de Monitoramento
Com o objetivo de levantar as características hidrogeológicas e hidroquímicas
dos aqüíferos aluvionares nas bacias dos rios Caceribu, Macacu e Guapi-Açu, foram
instalados 10 poços de monitoramento atravessando toda a camada do aqüífero
aluvionar até a rocha subjacente. De modo a garantir uma boa caracterização do
perfil geológico, os furos foram executados com uma sonda manual a trado até o
nível d’água e em seguida com uma sonda rotativa com circulação de água. Os
trechos que apresentaram instabilidade durante a perfuração foram revestidos com
tubos de PVC de 6”. Terminada a perfuração, montou-se os tubos geomecânicos de
4” com cerca de 4,0 a 6,0 m de seção filtrante e 4,0 metros de revestimento. O
espaço anular da seção filtrante foi preenchido com pedrisco quartzoso de 0,6 a 1,0
mm de diâmetro.
Acima do pedrisco lançou-se a bentonita em pelotas para garantir um bom
selo sanitário do poço. Por fim, cimentou-se o espaço anular até a superfície. No
372
topo do tubo foi instalada uma tampa de pressão com rosca. De modo a minimizar o
vandalismo, foi instalada uma câmara de calçada com uma barra de ferro
transversal e um cadeado de modo a dificultar o acesso ao poço e dar segurança
aos equipamentos de monitoramento contínuo de nível d’água que foram instalados
no interior do poço. A Figura 28 apresenta a localização dos 10 poços de
monitoramento instados.
Figura 28 – Localização dos 10 (dez) poços de monitoramento instalados
A Tabela 7 apresenta as coordenadas geográficas, localização e
profundidade dos poços de monitoramento instalados. Destaca-se que a
profundidade dos poços, com exceção do poço PM-00I, corresponde a espessura do
aqüífero aluvionar no ponto de instalação do mesmo. Durante a perfuração dos
poços foram coletadas amostras de solo de metro e metro para conhecimento da
variação da textura dos solos em profundidade. A Figura 29 apresente um exemplo
do perfil geológico e construtivo do poço PM-00A e da variação da granulometria do
sedimento aluvionar com a profundidade.
Observa-se que a porção superior do sedimento apresenta granulometria
mais fina e a porção basal apresenta granulometria mais grosseira e, portanto maior
permeabilidade. De um modo geral esse foi o comportamento observado em quase
todos os poços de monitoramento instalados.
373
Tabela 7 – Coordenadas e profundidade dos poços de monitoramento COORDENADAS Município Aquifero Prof. ID
Latitude Longitude - - m PM-00A -22.780065° -42.837518° Itaboraí Aluvionar 7.0 PM-00B -22.774493° -42.759817° Tanguá Aluvionar 6.0 PM-00C -22.751347° -42.719773° Tanguá Aluvionar 7.0 PM-00D -22.733525° -42.763372° Tanguá Aluvionar 6.5 PM-00E -22.680595° -42.791808° Itaboraí Aluvionar 8.5 PM-00F -22.542181° -42.893821° Guapimirim Aluvionar 7.0 PM-00G -22.523063° -42.818885° Cachoeiras de Macacu Aluvionar 9.0 PM-00H -22.512145° -42.666516° Cachoeiras de Macacu Aluvionar 7.0 PM-00I -22.626319° -42.926591° Guapimirim Aluvionar 10.0 PM-00J -22.604223° -42.736337° Cachoeiras de Macacu Aluvionar 10.0
Figura 29 – Perfil geológico e construtivo do poço de monitoramento PM-00A e
variação da textura dos sedimentos aluvionares em profundidade
A Tabela 8 apresenta os parâmetros hidrodinamicos dos poços de
monitoramento, determinados a partir do ensaio de bombeamento, a vazão e
rebaixamento constante realizado após a instalação dos mesmos. Observa-se que o
valor da permeabilidade varia mais de uma ordem de grandeza, entre 2,8 a 2,9 x 10-
5 m/s nos poços PM-00H e PM-00J e 1,0 x 10-6 m/s nos poços PM-00B e PM-00C. O
valor médio da permeabilidade dos aluviões considerando uma normalização
logarítmica, de praxe para este tipo de grandeza, é de 8,5 x 10-6 m/s. Fica bem claro
que os aluviões do rio Caceribu e seus afluentes são os que apresentam as
374
menores espessuras aluvionares e os menores valores de permeabilidade, entre 1,0
x 10-6 e 8,0 x 10-6 m/s. Os aluviões dos rios Macacu, Guapi-Açu e Orindi-Açu são os
que apresentam as maiores espessuras e maiores valores de permeabilidade das
bacias estudadas, variando entre 2,0 x 10-6 m/s e 2,9 x 10-5 m/s.
Tabela 8 – Parâmetros hidrodinâmicos dos poços de monitoramento
ID NA Limpeza
Q L/min
NA Ensaio
S m
Qs L/min/m
Qs L/h/m
K m/s OBS:
PM-00A 2.13 6.5 3.5 1.37 4.74 285 7.0.E-06 média PM-00B 2.35 2 5.3 2.95 0.68 41 1.0.E-06 baixa PM-00C 2.74 1.5 4.5 1.76 0.85 51 1.3.E-06 baixa PM-00D 1.52 7.0 2.82 1.30 5.38 323 8.0.E-06 média PM-00E 2.77 5.5 6.84 4.07 1.35 81 2.0.E-06 baixa PM-00F 2.68 7.9 3.95 1.27 6.22 373 9.2.E-06 média PM-00G 2.23 6.9 3.35 1.12 6.16 370 9.1.E-06 média PM-00H 3.7 27.0 5.06 1.36 19.85 1191 2.9.E-05 alta PM-00I 2.45 13.0 4.55 2.10 6.19 371 9.2.E-06 média PM-00J 1.79 31.0 3.40 1.61 19.25 1155 2.8.E-05 alta
6.5. Hidroquímica das Águas Subterrâneas
Para análise das características hidroquímicas das águas subterrâneas, foram
utilizadas análises químicas de 15 fontes de água mineral do DNPM
complementados pelas análises químicas de 11 poços de monitoramento na área do
projeto, totalizando 26 pontos de análise. A Figura 30 apresenta a localização dos
pontos de monitoramento utilizados. As fontes de água mineral identificadas como
DNPM-01 a DNPM-15 representam as características químicas dos aqüíferos
fissurais, os poços PM-00A a PM-00J representam as características químicas dos
aqüíferos aluvionares e o poço PA-084 (PM-VVNA) representa as características
químicas do aqüífero ou formação Barreiras/Macacu.
375
Figura 30 – Localização dos poços com análises químicas completas
6.5.1. Potencial Hidrogenionico – pH (Unidades de pH)
O pH das águas subterrâneas apresentou variação entre 3,67 no poço PM-
00E até 7,90 no ponto DNPM-01. De um modo geral, observa-se que os valores
mais baixos, inferiores a 5,0 são representativos dos poços aluvionares e os valores
mais elevados, superiores a 5,50 são mais representativos dos aqüíferos fissurais. O
pH do aqüífero Barreiras foi de 6,66. O histograma da Figura 31 apresenta a
distribuição dos valores de pH de todos os pontos analisados, os valores
identificados por um triangulo são os valores de pH dos poços aluvionares. Observa-
se uma distribuição binormal com valores médios entre 4,5 e 5,0 para os poços do
aqüífero aluvionar e valores médios entre 5,5 e 6,0 para os poços do aqüífero
cristalino fissural.
376
3 4 5 6 7 8pH
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
Freq
uen c
y (c
ount
s)
Histogram
Figura 31 – Histograma do pH das águas subterrâneas
6.5.2. Condutividade Elétrica – CE (µS/cm)
A condutividade elétrica apresentou valores entre 25 µS/cm no poço PM-00H
e 426 µ/cm no poço PM-00B. Considerando todos os dados, Figura 32, observa-se
uma distribuição lognormal da condutividade elétrica, sendo que as amostras do
aqüífero freático aluvionar foram as que apresentaram os menores valores de CE,
setas vermelhas indicadas no gráfico – no geral valores inferiores 75 µS/cm. Os
valores de CE das águas dos aqüíferos cristalinos fissurais, tendo em vista resultar
muna circulação mais profunda e com maiores tempos de residência, tendem a
apresentar maior quantidade de íons dissolvidos, entretanto os baixos valores
resultantes sugerem que as águas subterrâneas circularam em rochas cristalinas
pouco reativas, resultando em baixos valores de CE. Os valores de CE dos
aqüíferos aluvionares apresentaram valores entre 25 µS/cm no ponto PM-00H e 426
µS/cm no ponto PM-00B. Com exceção do PM-00B, os valores da CE dos aqüíferos
aluvionares são bem mais baixos. O valor da CE na amostra coletada no PM-084
localizado no aqüífero Barreiras/Macacu foi de 202 µS/cm, valor bem superior às
medias observadas nos aqüíferos aluvionares e cristalinos fissurais.
377
0 100 200 300 400 500CE - uS/cm
0
2
4
6
8
10
Freq
uenc
y (c
oun t
s)
Histogram
Figura 32 – Distribuição da CE em todos os pontos de monitoramento
6.5.3. Potencial Redox – Eh (mV)
Foram medidos os valores de Eh de campo, sendo posteriormente corrigidos
para os valores do Ehsys, eletrodo de hidrogênio, nos poços de monitoramento
instalados PM-00A a PM-00J e no PM-084 (PM-VVNA). O gráfico da Figura 33
apresenta a distribuição estatística dos valores de Eh para os poços amostrados.
Observa-se que os valores de Eh são elevados, entre 200 e 350 mV, sugerindo a
ocorrência de águas subterrêneas bem oxidadas, com exceção da amostra do PM-
00I que apresentou valor de Eh de 53 mV, portanto bem mais reduzido que os
demais. De fato, durante a amostragem foi observado odor característico da
presença de sulfetos na água, com provável ocorrência de H2S dissolvido nas
águas. De todos os aqüíferos aluvionares amostrados, o aqüífero do baixo rio
Macacu foi o único que apresentou Eh reduzido, provavelmente devido a presença
de argilas orgânicas intercaladas ao sedimento depositado mais próximo a baia de
Guanabara nos períodos onde o nível d’água médio era bem mais elevado que o
atual.
378
0 100 200 300 400 5000
1
2
3
4
5
Freq
uen c
y (c
ount
s)
Histogram
Figura 33 – Distribuição estatística do Eh todos os pontos amostrados
6.5.4. Oxigênio Dissolvido – OD (mg/L)
Os valores de oxigênio dissolvido foram medidos no campo com eletrodo
específico, nos poços de monitoramento instalados PM-00A a PM-00J e no PM-084
(PM-VVNA). O gráfico da Figura 34 apresenta a distribuição estatística dos valores
de OD nas amostras de água subterrânea. O menor valor de OD registrado foi no
poço PM-00D com 0,54 mg/L e o poço que apresentou o maior valor foi o PM-00J
com 4,68 mg/L. Observando o histograma do gráfico de OD, observa-se que a
grande maioria das amostras apresentam valores entre 0,5 e 1,0 mg/L, sendo
portanto, valores representativos de águas subterrâneas com pouco contato
atmosférico ou reduzidas pela oxidação da matéria orgânica durante o processo de
infiltração e fluxo subterrâneo.
379
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0O2 dissolvido - mg/L
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Freq
uen c
y (c
ount
s)
Histograma
Figura 34 – Distribuição estatística do OD de todos os pontos amostrados
6.5.5. Total de Sólidos Dissolvidos – TDS (mg/L)
O Total de Sólidos Dissolvidos – TDS foi determinado em laboratório pelo
LABAGUAS somente nas amostras do PM-00A a PM-00J e PA-084 (PM-VVNA), nas
demais amostras o TDS foi calculado analiticamente a partir dos íons maiores
utilizando o programa AquaChem. O TDS apresentou valores entre 29,92 mg/L no
poço PA-02 (DNPM-02) e 371 mg/L no poço PM-00B, demonstrando comportamento
similar ao observado na CE. O gráfico da Figura 35 ilustra um comportamento log-
normal do TDS com a maioria dos valores inferiores a 50 mg/L, ilustrando a baixa
salinidade das águas subterrâneas, característico de ambientes pouco reativos e de
rápida circulação, denotanto a existência de um aqüífero extremamente vulnerável a
contaminação superficial. O valor do TDS para o PM-084 (PM-VVNA) instalado no
aqüífero Macacu/Barreiras foi de 185 mg/L, sugerindo uma circulação mais profunda
atravessando formações um pouco mais reativas que nos aqüíferos aluvionares,
como era de se esperar tendo em vista ser um aqüífero bem mais profundo.
380
0 80 160 240 320 400TDS - mg/L
0
2
4
6
8
10
Freq
uenc
y (c
ount
s)
Histogram
Figura 35 – Distribuição estatística do TDS de todos os pontos amostrados
A Figura 36 apresenta a relação entre a condutividade elétrica CE e o total de
sólidos dissolvidos TDS para todas as amostras de água subterrânea. A reta de
ajuste entre os dois parâmetros obteve um coeficiente de regressão linear R de 0,91,
resultando na seguinte equação: TDS (mg/L) = 0,729 x CE + 25,9 (µS/cm),
obedecendo o valor teórico entre 0,6 e 0,8. Observa-se que os valores de CE e TDS
menores apresentam menor dispersão em relação a reta de ajuste e os valores
maiores apresentam maior dispersão em relação a reta de ajuste, representado
pelas amostra dos seguintes pontos DNPM-01 (PA-01) e DNPM-03 (PA-03).
381
0 100 200 300 400 500CE (uS/cm)
0
80
160
240
320
400
TDS
(mg /
l)
Scatter Plot
A
B
C
D
E F
GH
I
J
KL
M
NO
BB
B
CD
EFGHIJ
C
LegendaLegenda
B PM-00A
B PM-00B
C PM-00C
D PM-00D
E PM-00E
F PM-00F
G PM-00G
H PM-00H
I PM-00I
J PM-00J
A DNPM - 01
B DNPM - 02
C DNPM - 03
D DNPM - 04
E DNPM - 05
F DNPM - 06
G DNPM - 07
H DNPM - 08
I DNPM - 09
J DNPM - 10
K DNPM - 11
L DNPM - 12
M DNPM - 13
N DNPM - 14
O DNPM - 15
C PM-VVNA Figura 36 – Relação entre a condutividade elétrica (CE) e o total de sólidos
dissolvidos (TDS)
6.5.6. Classificação Iônica das Águas Subterrâneas
A partir das concentrações dos cátions (Ca, Mg, Na e K) e anions maiores (Cl,
SO4 e HCO3), pode-se classificar as águas subterrâneas de modo a melhor
compreender a sua evolução geoquímica. A Figura 37 apresenta o diagrama Piper
com todas as amostras dos pontos de água subterrânea. Observa-se que alguns
pontos apresentam o HCO3 como anion principal e outras apresentam o Cl como
anion principal, as demais apresentam um equilíbrio entre as concentrações de Cl e
HCO3. As concentrações de SO4 não são significativas, com exceção da amostra
PM-00C que apresentou concentração pouco superior ao valor do Cl. Com relação
aos cátions, observa-se que o Na é o elemento dominante em quase todas as
amostras, seguido pelo Ca com menor importância. As concentrações de Mg não
são dominantes em nenhuma amostra. Deste modo, temos os seguintes grupos de
amostras:
382
• Águas cloretadas sódicas NaCl: PA-12, PM-00A, PM-00D, PM-00E e PM-00I;
• Água sulfatada-cloretada-sódica - Na-SO4-Cl: PM-00C;
• Águas bicarbonatadas sódicas e bicarbonatadas sódico-calcicas Na-HCO3 e
Na-Ca-HCO3: PA-01, PA-02, PA-03, PA-04, PA-05, PA-08, PA-09, PA-10,
PA-11, PA-14, PM-00G, PM-VVNA;
• Água bicarbonatada-calco-magnesiana - Ca-Mg-HCO3: PA-013;
• Águas bicarbonatada-cloretada-sódica e bicarbonatada-cloretada-sódica-
cálcica – Na-HCO3-Cl e Na-Ca-HCO3-Cl: PA-06, PA-15, PM-00B, PM-00H E
PM-00J;
• Água cloretada-bicarbonatada-magnesiana - Mg-Cl-HCO3: PA-07;
• Água Bicarbonatada-sulfatada-sódico-calcica-magnesiana – Na-Ca-Mg-
HCO3-SO4: PM-00F.
80 60 40 20 20 40 60 80
20
40
60
80 80
60
40
20
20
40
60
80
20
40
60
80
Ca Na+K HCO3 Cl
Mg SO4
Piper Plot
AA
A
BB
B
C
C
C
DD
D
E E
E
FF
F
G
G
G
H H
H
II
I
J J
J
K K
K
LL
L
M M
M
NN
N
O O
O
BB
B
BB
B
B B
B
C
C
C
DD
D
E
E
E
FF
F
GG
G
HH
H
I I
I
J
J
J
C C
C
LegendaLegenda
B PM-00A
B PM-00B
C PM-00C
D PM-00D
E PM-00E
F PM-00F
G PM-00G
H PM-00H
I PM-00I
J PM-00J
A DNPM - 01
B DNPM - 02
C DNPM - 03
D DNPM - 04
E DNPM - 05
F DNPM - 06
G DNPM - 07
H DNPM - 08
I DNPM - 09
J DNPM - 10
K DNPM - 11
L DNPM - 12
M DNPM - 13
N DNPM - 14
O DNPM - 15
C PM-VVNA
Figura 37 – Diagrama de Piper para todos os pontos de água subterrânea
Na-Cl
NaCaHCO3
Na-HCO3Cl
383
A Figura 38 apresenta o diagrama de Schoeller para todos os pontos d’água
subterrânea. O diagrama de Schoeller permite visualizar os cátions e anions
principais e as concentrações relativas de cada íon. Neste diagrama, observa-se que
a amostra que possui maior concentração iônica total e maior concentração de Na,
Cl, SO4 e HCO3 é do poço PM-00B, tendo apresentado também maior valor de CE
e TDS, conforme apresentado anteriormente. A amostra que possui a maior
concentração de Ca é a amostra do PA-03 (DNPM-03). A amostra que possui a
menor concentração de Mg é a amostra do poço PA-01 (DNPM-01). A amostra que
possui a menor concentração de Cl é a amostra do poço PA-05 (DNPM-05) e as
amostras que apresentam as menores concentrações de SO4 são as amostras dos
poços PA-05 (DNPM-05) e PA-07 (DNPM-07).
Ca Mg Na Cl SO4 HCO3Parameters
0.0001
0.001
0.01
0.1
1.
10.
Con
cent
ratio
n ( m
eq/l)
Schoeller Plot
AAAAA
AAAAA
AAAAA
AAAAA AAAAA
AAAAA
BBBBB
BBBBB
BBBBB
BBBBB
BBBBB
BBBBB
CCCCC
CCCCC CCCCC
CCCCC
CCCCC
CCCCC
DDDDD
DDDDD DDDDD
DDDDD DDDDD
DDDDD
EEEEE
EEEEE
EEEEE
EEEEEEEEEE
EEEEE
FFFFF FFFFF
FFFFFFFFFF
FFFFF
FFFFFGGGGG
GGGGGGGGGG GGGGG
GGGGG
GGGGGHHHHH HHHHH
HHHHH
HHHHHHHHHH
HHHHH
IIIIIIIIII
IIIIIIIIII
IIIII
IIIIIJJJJJ
JJJJJ
JJJJJ
JJJJJ JJJJJ
JJJJJ
KKKKK
KKKKK
KKKKKKKKKK
KKKKK
KKKKK
LLLLL LLLLL
LLLLL LLLLL
LLLLL
LLLLLMMMMM
MMMMM
MMMMM
MMMMM
MMMMM
MMMMM
NNNNN
NNNNN
NNNNN
NNNNNNNNNN
NNNNN
OOOOO
OOOOO
OOOOOOOOOO
OOOOO
OOOOO
BBBBB BBBBB
BBBBBBBBBB
BBBBB BBBBBBBBBB BBBBB
BBBBBBBBBB
BBBBB BBBBB
BBBBB
BBBBB
BBBBBBBBBB
BBBBB
BBBBB
CCCCC
CCCCC
CCCCC
CCCCC CCCCCCCCCC
DDDDD DDDDD
DDDDDDDDDD
DDDDD DDDDD
EEEEE
EEEEEEEEEE EEEEE
EEEEEEEEEE
FFFFF FFFFFFFFFF
FFFFFFFFFF
FFFFF
GGGGGGGGGG
GGGGGGGGGG
GGGGG
GGGGG
HHHHH HHHHH
HHHHH HHHHH
HHHHH
HHHHH
IIIII
IIIII
IIIII IIIII
IIIIIIIIII
JJJJJ JJJJJ
JJJJJJJJJJ
JJJJJ
JJJJJCCCCC
CCCCC
CCCCC
CCCCC
CCCCC
CCCCC
LegendaLegenda
B PM-00A
B PM-00B
C PM-00C
D PM-00D
E PM-00E
F PM-00F
G PM-00G
H PM-00H
I PM-00I
J PM-00J
A DNPM - 01
B DNPM - 02
C DNPM - 03
D DNPM - 04
E DNPM - 05
F DNPM - 06
G DNPM - 07
H DNPM - 08
I DNPM - 09
J DNPM - 10
K DNPM - 11
L DNPM - 12
M DNPM - 13
N DNPM - 14
O DNPM - 15
C PM-VVNA
Figura 38 – Diagrama de Schoeller para todos os pontos de água subterrânea
384
6.5.7. Elementos Maiores – Cátions
Considerando os cátions maiores como cálcio (Ca), magnésio (Mg), sódio
(Na) e potássio (K), a Figura 39 apresenta os histogramas de distribuição destes
elementos nas amostras de água subterrânea. Observa-se que as concentrações
são em geral bem baixas com valores inferiores a 40 mg/L de Ca, 9,0 mg/L de Mg,
80, mg/L de Na e 7,0 mg/L de K. as setas em vermelho indicam as amostras de
água subterrânea dos aqüíferos aluvionares que apresentaram em geral as menores
concentrações destes cátions. Com relação a distribuição estatística, observa-se
que o Ca, Mg e o Na apresentam uma distribuição log-normal e o K apresenta uma
distribuição normal com valor médio próximo de 1,0 mg/L de K.
0 8 16 24 32 40Ca - mg/L
0
4
8
12
16
20
Freq
uenc
y ( c
ount
s)
0 2 4 5 7 9Mg - mg/L
0
4
8
12
16
20
Freq
u enc
y (c
ount
s )
0 16 32 48 64 80Na - mg/L
0
4
8
12
16
20
Freq
u enc
y (c
ount
s )
0 1 3 4 6 7K - mg/L
0
2
3
5
6
8
Freq
uenc
y (c
oun t
s)
Figura 39 – Histograma de distribuição estatística dos cátions maiores: Ca (cálcio),
Mg (magnésio), Na (sódio) e K (potássio)
385
6.5.8. Elementos Maiores – Anions
Considerando os anions maiores como Cloreto (Cl), sulfato (SO4) e
bicarbonato (HCO3), a Figura 40 apresenta os histogramas de distribuição destes
elementos nas amostras de água subterrânea. Observa-se que as concentrações
são em geral bem baixas com valores inferiores a 70 mg/L de Cl, 40,0 mg/L de SO4
e 180, mg/L de HCO3. As setas em vermelho indicam as amostras de água
subterrânea dos aqüíferos aluvionares que apresentaram em geral as menores
concentrações destes anions. Com relação a distribuição estatística, observa-se que
todos os anions apresentam uma distribuição log-normal.
0 14 28 42 56 70Cl - mg/L
0
4
8
12
16
20
Freq
uenc
y (c
o unt
s)
0 8 16 24 32 40SO4 - mg/L
0
4
8
12
16
20Fr
eque
ncy
(cou
nts)
0 40 80 120 160 200HCO3 - mg/L
0
4
8
12
16
20
Freq
uenc
y (c
ount
s)
Figura 40 – Histograma de distribuição estatística dos anions maiores: Cl (cloreto),
SO4 (sulfato), HCO3 (bicarbonato)
386
6.6. Qualidade de Águas para Consumo Humano
Para avaliação da qualidade das águas para consumo humano utilizou-se o
padrão da ANVISA da portaria 518 de 2004 do Ministério da Saúde que define o
padrão de potabilidade para substâncias que representam risco a saúde humana e
padrões de aceitação para consumo humano.
6.7. Substâncias Inorgânicas que Representam Riscos à Saúde Humana
Das substancias inorgânicas que representam risco à saúde humana, temos:
− Antimônio Sb – todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de detecção do método < 0,001 mg/L e, portanto, inferior ao limite de
potabilidade de 0,005 mg/L;
− Arsênio As - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de detecção do método < 0,001 mg/L e, portanto, inferior ao limite de
potabilidade de 0,01 mg/L;
− Bário Ba - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao limite
de potabilidade de 0,7 mg/L, a amostra que apresentou maior concentração
foi a do poço DNPM-09 (PA-009) com 0,20 mg/L de Ba;
− Cádmio Cd - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de detecção do método < 0,001 mg/L e, portanto, inferior ao limite de
potabilidade de 0,003 mg/L;
− Cianeto - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao limite
de detecção do método < 0,001 mg/L e, portanto, inferior ao limite de
potabilidade de 0,07 mg/L;
− Chumbo Pb – com exceção da amostra PM-00C que apresentou
concentração de 0,13 mg/L de Pb, conforme ilustrado no gráfico da Figura 41,
todas as demais amostras apresentaram concentrações inferiores ao limite de
potabilidade de 0,01 mg/L de Pb;
− Cobre Cu - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de potabilidade de 2,0 mg/L, sendo que a amostra que apresentou a
maior concentração foi a do poço PM-00C com 0,033 mg/L de Cu;
387
− Fluoreto F - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de potabilidade de 1,4 mg/L, sendo que as amostras que apresentaram
as maiores concentrações foram as do poço PM-00B e PM-00C com 0,53 e
0,54 mg/L de F respectivamente, conforme histograma da Figura 41. Vale
destacar que estas amostras são do aqüífero aluvionar da margem direita da
bacia do rio Caceribu onde há uma mina de fluorita desativada em Itaboraí,
de modo que as rochas nesta porção da bacia tendem a apresentam maiores
concentrações de flúor;
− Mercúrio Hg - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de detecção do método < 0,001 mg/L e, portanto, inferior ao limite de
potabilidade de 0,001 mg/L;
− Nitrato NO3 – com exceção da amostra do DNPM-13 (PA-13), que
apresentou uma concentração de 83 mg/L de NO3, ilustrado na Figura 41,
todas as demais amostras apresentaram concentrações inferiores ao limite de
potabilidade de 10,0 mg/L de N ou 45 mg/L de NO3;
− Nitrito NO2 - todas as amostras apresentaram concentrações inferiores ao
limite de detecção do método e, portanto, inferior ao limite de potabilidade de
1,0 mg/L de N;
− Selênio Se - todas as amostras apresentaram concentrações iguais ou
inferiores ao limite de detecção do método < 0,001 mg/L e, portanto, inferior
ao limite de potabilidade de 0,01 mg/L;
388
0. 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02
Pb - mg/L
0
1
2
3
4
5Fr
eque
ncy
(cou
nts)
0. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
F - mg/L
0
2
4
7
9
11
Freq
uenc
y (c
ount
s)
0 20 40 60 80 100NO3 - mg/L
0
6
12
18
24
30
Freq
uenc
y (c
ount
s)
Figura 41 – Distribuição estatística da concentração de Pb (Chumbo), F (Fluor), NO3
(Nitrato) nas amostras de água subterrânea
7. MODELAGEM DE RECARGA DOS AQUÍFEROS
A quantificação do escoamento das águas subterrâneas é uma das etapas
mais difíceis de quantificar no ciclo hidrológico. Seja pela falta de dados históricos ou
dificuldade de coleta de dados diretos. Para tal, foram desenvolvidos vários métodos
com objetivo de medição direta dos fluxos de água subterrânea, como: medição da
variação anual dos níveis d’água subterrânea, medição direta da infiltração através
da captação da água percolada utilizando de lisímetros, medição da descarga de
água subterrânea num corpo de água superficial através do fluxo de base de um
aqüífero.
389
Os métodos baseados na modelagem da infiltração (balanço hídrico – módulo
HELP), na curva de recessão obtida através de hidrogramas (método RORA) e no
monitoramento do nível de água através de poços serão mostrados a seguir.
7.1. Modelagem da Infiltração de Água 7.1.1. Metodologia
Foi utilizado o programa Unsat Suite Plus 2.2 da WHI (2004) a fim de
modelar-se a infiltração da água de chuva na área do Projeto Macacu. O valor da
infiltração trata-se de um parâmetro importante durante a modelagem da recarga do
aqüífero freático da região.
7.1.2. Seleção dos parâmetros do modelo
Para a modelagem da infiltração da água da chuva, foi necessária a criação
de um banco de dados de precipitação, a fim de posteriormente ser utilizado o
programa Unsat Suite Plus 2.2, onde são solicitados parâmetros de clima e
parâmetros físicos de cada solo a ser analisado.
Banco de dados
Foi criada uma base de dados pluviométricos das estações situadas nos
bairros da Ilha do Governador e Saúde, no Rio de Janeiro, por se tratar das mais
próximas da região e com representatividade do local, possuindo as mesmas
características fisiográficas. Para tal, foi realizada uma pesquisa no site da georio, a
fim de se obter as coordenadas das estações e os dados de precipitação,
posteriormente convertidos para uma planilha a fim de no programa Converte 3.1
(2009) converter o arquivo .xls para o formato .dat. Esse foi configurado para o
formato canadense, lido pelo programa.
No caso da estação do Rio de Janeiro foi utilizado os dados pluviométricos da
estação da Ilha do Governador e para a temperatura gerou-se um outro arquivo .dat,
também através do Converte 3.1 utilizando os dados médios de temperatura, sendo
esta posteriormente conferida no database do Weather Generator.
390
Parâmetros de Clima
Para gerar os parâmetros de clima, primeiramente foram importados os dados
convertidos em arquivos .dat utilizando-se o sub-programa Weather Generator,
juntamente com os dados de radiação solar e temperatura conforme ilustrado na
Figura 42. Para a radiação solar foi utilizada a base de dados do programa, que
possui um extenso número de estações meteorológicas espalhadas pelo mundo,
sendo escolhida, no caso da bacia do rio Macacu, a estação de Vitória, localizada a
426 Km, considerada para tal representativa.
A seguir, foram configurados latitude e longitude para as estações da Ilha do
Governador, Saúde e Rio de Janeiro, adicionando-as a base de dados do programa
conforme visto na Figura 43. Posteriormente foram conferidos, e de acordo com o
necessário, configurados alguns parâmetros pluviométricos, de temperatura e de
evapotranspiração no database do programa. O Weather Generator a partir dos
dados pluviométricos e de temperatura importados e da radiação solar obtidos,
permite modelar o clima da região, prevendo dessa forma, a partir dos dados
existentes, os dias chuvosos ou não, bem como qual a temperatura e a radiação
solar em cada dia, em um período de anos a ser determinado durante a simulação.
A Figura 44 ilustra os dados de entrada obtidos durante a simulação para a
precipitação e a temperatura na estação do Rio de Janeiro. Para a simulação foi
utilizado dados de evapotranspiração obtidos a partir de uma média da umidade
relativa no local de acordo com o apresentado na Figura 45.
391
Figura 42 - importação dos dados pluviométricos, de temperatura e radiação solar no
formato canadense para o Weather Generator
Figura 43 - Configuração de latitude e longitude de uma das estações, bem como
adição desta a base de dados do programa como estação meteorológica. No caso
foi a estação do Rio de Janeiro. Observa-se também que já foi selecionado o
período da simulação: 20 anos
392
Figura 44 - Dados de precipitação e temperatura médios para cada mês obtidos
após a simulação no Weather Generator para a estação do Rio de Janeiro
Figura 45 - Dados de evapotranspiração de referência da base de dados do Weather
Generator e de umidade obtidos a partir da umidade relativa média local para a
estação adicionada ao banco de dados, no caso Rio de Janeiro
393
Parâmetros Físicos do Solo
Foram realizados ensaios de laboratório para a determinação dos parâmetros
físicos de cada uma das 15 amostras indeformadas coletadas na região e a serem
modeladas. A Tabela 9 mostra a localização em coordenadas UTM de cada amostra
coletada, obtidas com o GPS e a Figura 46 apresenta o mapa com as referidas
amostras. A Tabela 10 mostra os parâmetros de Van Genuchten obtidos através da
modelagem empírica de cada amostra no programa RETC ou manualmente a partir
do melhor ajuste de uma curva a curva característica obtida nos ensaios.
Tabela 9 - Localização das amostras
AMOSTRA UTM-S UTM-L
A-1 7,490,522.0 710,719.0
A-2 7,488,188.0 715,851.0
A-3 7,475,649.0 725,385.0
A-4 7,477,333.0 725,381.0
A-5 7,511,922.0 726,720.0
A-6 7,511,918.0 726,700.0
A-7 7,511,445.0 727,883.0
A-8 7,512,583.0 726,620.0
A-9 7,510,652.0 725,835.0
A-10 7,496,370.0 713,090.0
A-11 7,496,569.0 712,926.0
A-12 7,496,566.0 712,929.0
A-13 7,481,387.0 737,515.0
A-14 7,481,329.0 737,170.0
A-15 7,488,287.0 735,708.0
394
Figura 46 - mapa com a localização das amostras
Tabela 10 - Parâmetros de Van Genuchten obtidos empiricamente através do
programa RETC e manualmente através da curva característica obtida em ensaios
Nº θr θs α n Ks (cm/dia) m TH33
(cm³/cm³) TH1500
(cm³/cm³)
A-1 0.110 0.611 0.0237 1.308 108.3 0.235 0.312 0.141
A-2 0.107 0.585 0.0218 1.328 85.0 0.247 0.289 0.131
A-3 0.079 0.485 0.005 1.2 2.67 0.167 0.378 0.169
A-4 0.053 0.456 0.0005 1.75 55.5 0.429 0.184 0.055
A-5 0.053 0.486 0.01 1.1 6.81 0.091 0.416 0.253
A-6 0.064 0.580 0.009 1.55 270.5 0.355 0.176 0.067
A-7 0.350 0.533 0.00046 1.6 8.94 0.375 0.444 0.353
A-8 0.260 0.546 0.015 1.16 25.2 0.138 0.460 0.336
A-9 0.025 0.511 0.012 1.11 10.5 0.099 0.418 0.228
A-10 0.060 0.413 0.00076 1.7 21.2 0.412 0.174 0.062
A-11 0.200 0.413 0.00009 1.95 29.2 0.487 0.275 0.200
A-12 0.280 0.383 0.00010 1.66 7.52 0.398 0.352 0.282
A-13 0.040 0.497 0.0011 1.629 122.1 0.386 0.201 0.043
A-14 0.050 0.379 0.0333 1.461 46.6 0.316 0.117 0.054
A-15 0.065 0.385 0.0269 1.321 14.9 0.243 0.184 0.082
395
7.1.3. Modelagem
Para a modelagem da infiltração, escolheu-se gerar uma série climática de 20
anos através do sub-programa Weather Generator, utilizando-se a configuração
citada no item 2.2.2. A seguir foi modelado o perfil de infiltração para cada uma das
15 amostras de solo, a partir dos parâmetros físicos do solo, citados anteriormente.
Para cada amostra, foram realizadas análises paramétricas, nas quais se variou a
declividade em 0%, 5%, 10% e 20%, a extensão em 100 e 1.000 metros e a
espessura do solo no local em 2, 5 e 10 metros.
Montagem do perfil de infiltração
O perfil de infiltração foi elaborado a partir de combinações que puderam
posteriormente levar a realização de análises paramétricas. Para tal, foi considerado
primeiramente para todas as amostras um terreno sem declividade, com
profundidade de 10 metros e extensão de 100 metros, conforme é apresentado na
Figura 47.
Os parâmetros para modelar a infiltração são completados na parte referente
à percolação vertical do solo ilustrado na Figura 48. Esses são a porosidade total, a
capacidade de campo, a umidade higroscópica e a condutividade saturada. Os
parâmetros de infiltração foram obtidos a partir das curvas características obtidas
através de ensaios no laboratório e de ajustes manuais para curvas empíricas
obtidas a partir dessas, exceto para as amostras A-1, A-2, A-14 e A-15, as quais
foram modeladas no programa RETC, versão 6.0, através da sub-rotina Rosetta Lite
versão 1.1 (Junho, 2003). A partir da porcentagem de silte, argila e areia contidas
em cada uma das amostras, do peso específico seco, e da mistura sujeita a sucção
de 1/3 e 15 bar foi gerada uma curva característica empírica, das quais foram
retirados os parâmetros necessários para a modelagem, além de ter sido possível
obter as permeabilidades saturadas de campo empíricas de todas as amostras,
conforme apresentado na Figura 49.
Posteriormente, foram alteradas a declividade para 5%, 10% e 20%, com a
mesma profundidade de 10 metros e extensão de 100 metros, anotando-se os
resultados numa planilha. Em seguida, alterou-se a extensão para 1000 metros,
sempre variando a declividade e registrando os valores. Por fim, variou-se a
396
profundidade do solo para 5 e depois para 2 metros, realizando o mesmo processo
descrito anteriormente.
Figura 47 - Dados gerais para a modelagem do perfil de infiltração no programa
Unsat Suite Plus, módulo HELP. Nesta janela é possível variar extensão, declividade
e profundidade do solo
Figura 48 - Entrada de dados dos parâmetros físicos para a modelagem do perfil de
infiltração no programa Unsat Suite Plus, módulo HELP
397
Figura 49 - Exemplo da entrada de dados para a modelagem no RETC, sub-rotina
Rosetta Lite, no caso foi a amostra A-4, onde a partir da porcentagem de areia, silte,
argila, peso específico seco, sucção de 1/3 e 15 bar, foi possível obter os
parâmetros de Van Genuchten, necessários para a entrada de dados no Unsat Suíte
Plus
Geração da série climática
A série climática é gerada utilizando-se o sub-programa Weather Generator,
selecionando no caso um período de 20 anos e com as configurações iguais as
especificadas no item 2.2.2. A Figura 50 representa o gráfico da precipitação média
anual na estação do Rio de Janeiro, após o período simulado de 20 anos. Observa-
se que a série anual de precipitação resultou em valores anuais de 755.3 mm no ano
1 até 1478.3 mm no ano 3. Com relação aos valores mensais, verificou-se que os
meses de junho a agosto são os meses mais secos com precipitações médias
inferiores a 70 mm e os meses de dezembro a março são os mais chuvosos, com
precipitações superiores a 120 mm.
A Figura 51 ilustra o gráfico da radiação solar média anual na estação do Rio
de Janeiro, após o período simulado de 20 anos. Nota-se com relação à radiação
solar anual que os valores variam de 17.852 mj/m² no ano 1 até 19.214 mj/m² no ano
20. Considerando-se os valores mensais, observou-se que os meses de maio a
agosto são os meses que apresentam os maiores valores médios de radiação solar,
398
superior a 20 mj/m² e os meses de outubro a março são os meses de menores
valores médios de radiação solar, inferior a 18 mj/m².
A Figura 52 ilustra o gráfico da temperatura média anual na estação do Rio de
Janeiro, após o período simulado de 20 anos. Observando-se a série anual de
temperatura obtêm-se valores mínimos anuais de 23,22ºC no ano 3 até 24,06ºC no
ano 15. Considerando-se os valores mensais, obteve-se que os meses de junho a
setembro são os meses mais frios com temperaturas médias inferiores a 21,5ºC, e
os meses mais quentes são os meses de novembro a março com temperaturas
médias superiores a 24,5ºC.
Years
Rio de Janeiro BRAZ
Year
1
Year
2
Year
3
Year
4
Year
5
Year
6
Year
7
Year
8
Year
9
Year
10
Year
11
Year
12
Year
13
Year
14
Year
15
Year
16
Year
17
Year
18
Year
19
Year
20
Prec
ipita
tion
(mm
)
1,500
1,450
1,400
1,350
1,300
1,250
1,200
1,150
1,100
1,050
1,000
950
900
850
800
750
Figura 50 - Gráfico da precipitação média anual na estação meteorológica do Rio de
Janeiro durante o período simulado no Weather Generator: 20 anos
399
Years
Rio de Janeiro BRAZ
Year
1
Year
2
Year
3
Year
4
Year
5
Year
6
Year
7
Year
8
Year
9
Year
10
Year
11
Year
12
Year
13
Year
14
Year
15
Year
16
Year
17
Year
18
Year
19
Year
20
Sola
r Rad
iatio
n (m
j/m²)
19
18
Figura 51 - Gráfico da Radiação Solar média anual na estação meteorológica do Rio
de Janeiro durante o período simulado no Weather Generator: 20 anos
Years
Rio de Janeiro BRAZ
Year
1
Year
2
Year
3
Year
4
Year
5
Year
6
Year
7
Year
8
Year
9
Year
10
Year
11
Year
12
Year
13
Year
14
Year
15
Year
16
Year
17
Year
18
Year
19
Year
20
Tem
pera
ture
(ºC
)
24.1
24.05
24
23.95
23.9
23.85
23.8
23.75
23.7
23.65
23.6
23.55
23.5
23.45
23.4
23.35
23.3
23.25
23.2
Figura 52 - Gráfico da Temperatura média anual na estação meteorológica do Rio de
Janeiro durante o período simulado no Weather Generator: 20 anos
400
Simulação da infiltração
Após a configuração e tendo sido gerada a série climática no Weather
Generator, pode-se rodar o módulo HELP do programa Unsat Suite Plus de modo a
calcular o balanço hídrico e extrair a quantidade de água infiltrada no solo no local
das amostras recolhidas e consideradas representativas do local.
Considerando-se os fatores climáticos modelados pelo Weather Generator e a
infiltração calculada pelo HELP a partir do perfil do solo, foram obtidos os valores da
percolação em 20 anos, em todas as situações testadas, variando-se a declividade,
extensão e profundidade do solo no local, conforme especificado anteriormente no
item 2.3.1. A Figura 53 ilustra o gráfico para a simulação da infiltração no caso da
amostra A-4, contendo a infiltração total em 20 anos de simulação, bem como a
precipitação total no período. Através desses fatores é possível obter a taxa de
infiltração de cada uma das amostras.
Observou-se que as amostras modeladas obtiveram taxa de infiltração média
de 45%, tendo a amostra A-2 às maiores taxas de infiltração observadas, no caso
valores em torno de 75% e a amostra A-3 as menores taxas de infiltração, variando
em torno de 30%. Esse fato é ilustrado na Tabela 11 para extensão de 100m,
profundidade de 10m e as variações de declividade.
Observou-se também como valor máximo anual para a infiltração no solo
0,8476m na amostra A-2 e mínimo de 0,3443m na amostra A-3, apresentados na
Tabela 12 para extensão de 100m, profundidade de 10m e as variações de
declividade. Para cada uma das amostras, os valores de infiltração médios anuais
encontrados em cada uma das situações propostas variando-se declividade,
extensão e profundidade, não diferem muito nas diferentes situações para cada
amostra.
401
Time (days)365 2365 4365 6365
Valu
e (m
)0.
310
.320
.3
Percolation or leakance through Layer 1-rate Precipitation-rate
X = 7305.127Y = 22.5828
X = 7305.127Y = 8.731964
Figura 53 - Exemplo de gráfico da infiltração e precipitação no solo simulado em 20
anos, no caso foi a amostra A-4
Tabela 11 - Valores médios das taxas de infiltração para a extensão de 100m,
profundidade de 10 m e variações de declividade
L = 100 m e H = 10 m
Nº Sem Inclinação
5% de inclinação
10% de inclinação
20% de inclinação
A-1 0.343 0.342 0.342 0.342
A-2 0.700 0.717 0.751 0.718
A-3 0.320 0.307 0.306 0.305
A-4 0.387 0.380 0.380 0.379
A-5 0.436 0.434 0.433 0.432
A-6 0.368 0.368 0.367 0.368
A-7 0.524 0.524 0.524 0.525
A-8 0.500 0.483 0.479 0.477
A-9 0.395 0.376 0.375 0.374
A-10 0.379 0.375 0.375 0.374
A-11 0.495 0.471 0.469 0.469
A-12 0.652 0.634 0.635 0.632
A-13 0.395 0.394 0.395 0.395
A-14 0.395 0.394 0.393 0.393
A-15 0.387 0.385 0.385 0.384
402
Tabela 12 - Valores médios anuais de infiltração para a extensão de 100m,
profundidade de 10 m e variações de declividade
L = 100 m e H = 10 m
Nº Sem Inclinação
5% de inclinação
10% de inclinação
20% de inclinação
A-1 0.3870 0.3864 0.3859 0.3858
A-2 0.7901 0.8094 0.8476 0.8106
A-3 0.3614 0.3469 0.3453 0.3443
A-4 0.4366 0.4292 0.4290 0.4276
A-5 0.4920 0.4899 0.4893 0.4882
A-6 0.4161 0.4153 0.4148 0.4150
A-7 0.5916 0.5913 0.5914 0.5924
A-8 0.5649 0.5450 0.5410 0.5391
A-9 0.4458 0.4251 0.4238 0.4218
A-10 0.4274 0.4240 0.4230 0.4225
A-11 0.5584 0.5320 0.5301 0.5290
A-12 0.7357 0.7156 0.7168 0.7134
A-13 0.4460 0.4454 0.4455 0.4457
A-14 0.4465 0.4448 0.4441 0.4438
A-15 0.4372 0.4346 0.4343 0.4336
8. MODELO RORA
8.1. Metodologia
Foi utilizado o programa RORA, primeiramente numa análise manual através
de planilha eletrônica (Excel) e posteriormente a utilização do programa adaptado
para C.
8.2. Abordagem Teórica
Em 1964, Rorabaugh definiu a recarga da água subterrânea como uma
função complexa do tempo após um evento de recarga instantâneo. Essa função
pode ser aproximada após o tempo crítico (tempo de concentração) por uma
equação que expressa o logaritmo da descarga da água subterrânea como uma
função linear no tempo, sendo o tempo crítico expresso por:
403
tc = 0,2 a² S/T (1)
onde:
- tc é o tempo crítico;
- a é a distância média do divisor de águas até a drenagem;
- S é o coeficiente de armazenamento;
- T é a transmissividade.
Após o tempo crítico, a inclinação da curva de recessão, expresso como
índice de recessão (K), é o número de dias que atravessa um ciclo logarítmico de
recessão.
A relação entre o índice de recessão e o tempo crítico pode ser derivada
através da equação (Rorabaugh e Simons, 1966):
K = 0,933 a² S/T (2)
Resolvendo a equação (2) para a²S/T e substituindo na equação (1), tc pode
ser expresso como:
tc = 0,2144 K (3)
Durante o período de tempo em que a curva de recessão apresenta-se linear
no gráfico de log da vazão vs. tempo, o volume total de água que drena do sistema
sem recarga adicional pode ser expresso pela seguinte equação:
V = QK/2,3026 (4) onde:
- V é o volume total potencial de água que pode descarregar do sistema sem
recarga adicional;
- Q é a descarga de água no tempo inicial, após o ultimo evento de recarga.
Formulações desenvolvidas por Glover (1964) e Rorabaugh (1964) mostraram
que a descarga total potencial no tempo crítico é igual a aproximadamente a metade
404
do volume total que recarrega o sistema. Esta hipótese combinada com o princípio
da superposição são as bases do método da curva de recessão. Dessa forma, a
recarga total pode ser calculada pela fórmula:
R = 2 (Q2 – Q1)K/2,3026 (5)
onde:
- R é o volume total da recarga;
- Q1 é a descarga de água subterrânea no tempo crítico, extrapolado da curva de
recessão do evento anterior;
- Q2 é a descarga de água subterrânea no tempo crítico extrapolado da curva de
recessão seguida do evento.
Os procedimentos usados pelo programa RORA incluem:
- A especificação dos segmentos do hidrograma que representam a descarga de
água subterrânea;
- A identificação do evento de recarga;
- Procedimentos de extrapolação para determinar Q1 e Q2.
O primeiro procedimento localiza os dias do hidrograma que representam a
curva de recessão que antecede um evento. Para preencher este quesito deve
haver N dias de recessão contínua antes da recarga, onde N é o tempo base para
escoamento superficial (Linsley et al. 1982):
N = A*0,2 (6)
Onde o valor N é arredondado até o próximo valor inteiro de dias e o valor A é
a área em milhas quadradas.
Os segmentos do hidrograma que se ajustam aos requisitos são considerados
para representar a descarga de água subterrânea, conforme ilustrado na Figura 54.
405
Figura 54 - Ilustração do método gráfico para determinar o valor do tempo crítico
tc após um evento de recarga ou pico do hidrograma e do valor de ∆Q = (Q2-Q1) no
método RORA
O programa RORA realiza a identificação de períodos de recessão do fluxo
de água subterrânea, que consistem em um ou mais dias consecutivos que se
ajustam a este requerimento e então define o pico como a maior vazão entre dois
períodos consecutivos de recessão de fluxo de água subterrânea, considerando o
tempo do pico como sendo o tempo do evento de recarga.
O aspecto critico do método é a extrapolação da descarga de períodos da
curva de recessão de água subterrânea para intervalos de tempo fora da curva de
recessão. Se o dado de recessão representa o período de tempo que é maior que o
evento anterior é utilizado a seguinte expressão de extrapolação linear:
Q = Qo x 10 (-dt/K) (7)
Onde:
- Q é a descarga de água subterrânea extrapolada do evento anterior;
- Qo é a descarga de água subterrânea no ponto inicial
406
A equação (7) é matematicamente o mesmo que o método gráfico de
desenhar uma linha reta a partir do ponto inicial, mantendo a declividade da linha
como K e partindo da vazão.
8.2.1. Método RORA em planilha eletrônica
Foi elaborada uma planilha eletrônica de modo a implementar métodos de
representação matemática da curva de recessão.
Q = Qo e-at (1) Q = Qo 10-t/k (2)
Onde:
- Q é a vazão num tempo t após o registro da vazão Qo em m3/s;
- a é a constante de recessão para a expressão exponencial, expressa em 1/t;
- k é a constante de recessão para a expressão na base 10, expressa em dias;
- t é o tempo após o início da recessão em dias.
Em seguida foram desenhados os hidrogramas da estação para todo o
período de registro de modo a visualizar toda a serie de dados disponíveis. A partir
do hidrograma, foram selecionadas algumas curvas de recessão mais
representativas para determinação dos coeficientes de recessão a e k. O gráfico da
Figura 55 ilustra as curvas de recessão que foram utilizadas para se determinar o
valor da constante de recessão k na base 10 para ser utilizada na equação 2 do
método RORA. Utilizando o gráfico semi-log, a constante de recessão é o numero
de dias que a curva de recessão precisa para reduzir a sua vazão em 1/10 do valor.
Por exemplo, no gráfico da Figura 14, a constante de recessão k é o numero de dias
para a vazão reduzir de 10 m3/s para 1,0 m3/s. Neste gráfico, observa-se que o valor
médio da constante k foi de 39 dias considerando todas as curvas de recessão
selecionadas.
Para utilização do método RORA manualmente, inicialmente foi elaborada
uma planilha contendo as datas das leituras, Q vazão em m3/s, ∆Q em m3/s,
407
Qrecessão m3/s, G em m3, recarga Rec (mm). A Tabela 13 ilustra a planilha de
dados utilizada. As datas das leituras e as leituras foram importadas do arquivo
importado da base de dados da ANA e depois convertido em colunas. O valor de ∆Q
é ajustado manualmente de modo a ajustar a curva de recessão modelada à curva
de recessão observada. O valor de Q é calculado a partir da equação 2 utilizando o
valor de k determinado experimentalmente para cada estação, considerando o
tempo t igual a 1 dia. O valor de G é calculado a partir da equação 3, formulada por
Rorabaugh (1960) para estimar a recarga resultante de um evento na bacia.
G = 2 ∆Q k / 2,3026 (3) Onde G é o valor da recarga em m3 e Rec é o valor da recarga em altura de
chuva expressa em mm.
Rec = G / A (4) Onde A é a área da bacia convertida para mm2 de modo a se obter uma altura de
chuva equivalente em mm.
1
10
100
0 10 20 30 40 50
Tempo (dias)
Vazã
o (m
3/s)
Figura 55 – Gráfico para determinação da constante de recessão k = 47 dias na
base 10 para a estação 59235000-MACACU
408
Tabela 13 – Modelo de planilha eletrônica utilizada para calcular o método RORA 59235000-Cach. Macacu curva de recessão Parametros de Rorabaugh
A 148 km2 a (K) 20 dias K (t1) 47 dias 11689D 2,65 dias tc 10,1 dias
data Q m3/s ∆Q m3/s Qrecessão G (m3) Rec (mm) run off Q_rec Q acum Desc mm run off mm1/1/1932 12,1 12 0,10 1036800 1036800 7,01 0,062/1/1932 14,2 11,4 2,79 986234,7 2023034,7 13,67 1,633/1/1932 10,9 10,9 0,04 938135,4 2961170,1 20,01 0,024/1/1932 32,5 10,3 22,17 892382 3853552,1 26,04 12,94
8.2.2. Programa RORA em C
Foi elaborado um programa em linguagem C para implementação da
metodologia RORA para o cálculo da recarga do aqüífero a partir das séries de
vazões naturais.
O programa original foi desenvolvido pelo USGS em linguagem Fortran com
entrada de dados no formato USGS com unidades no sistema inglês.
O programa desenvolvido permite a leitura dos dados no formato da ANA no
sistema internacional de unidades.
Foram implementadas 6 rotinas fundamentais. A rotina principal verifica a
existência do arquivo de entrada de dados e controla a chamada as demais rotinas.
A segunda rotina permite a leitura dos dados de um arquivo ASCII no formato ANA.
A terceira rotina solicita ao usuário a área de drenagem e o índice de recessão. A
quarta rotina verifica a consistência do índice de recessão, calcula alguns
parâmetros derivados da área de drenagem e do índice de recessão necessários ao
cálculo de recarga. A quinta rotina realiza o cálculo da recarga com base nos dados
obtidos do arquivo de entrada e dos dados fornecidos pelo usuário. A sexta rotina
gera a saída de dados de recarga. Finalizada as rotinas, foram realizados testes
para ajustes e validação do programa RORA em C.
Para utilizar o programa RORA em C desenvolvido é aconselhável ter um
registro contínuo de pelo menos 12 meses a contar de janeiro de um determinado
ano, porém para os períodos nos quais não houver dados, o programa admite
valores nulos, que podem ser facilmente perceptíveis depois, passiveis de serem
excluídos do tratamento de dados. Dessa forma é possível obter valores de média,
mediana, desvio padrão, máximos e mínimos valores de recarga após a
transferência dos dados para uma planilha eletrônica.
409
8.2.3. Resultados e discussões
Determinação das características hidrogeológicas por bacia por estação
De modo a facilitar o emprego do método RORA, foram selecionadas as
estações com dados disponíveis na bacia dos rios Caceribu, Macacu e Guapi-Açu,
Tabela 14. Além da relação das estações, observam-se as variáveis hidrogeológicas
determinadas para algumas estações como a constante da bacia D, a constante de
recessão na base 10 k, o valor do tempo crítico tc e os valores de Desc90% e
Desc95%.
Tabela 14 – Estações com dados disponíveis na bacia e algumas variáveis
hidrogeológicas determinadas
* D é a constante da bacia, onde D = 0,89 A0,2; A é a área da bacia em km2; k é a constante de recessão na base 10 em dias; a é a constante de recessão na base exponencial; tc é o tempo crítico em dias após o pico, onde tc = 0,2144 k; Q95% é a vazão mínima para 95% do período de observação; Desc95% é a descarga de água subterrânea para manter a vazão de Q95%.
Avaliação da recarga utilizando o método RORA em planilha eletrônica
Foi selecionado o registro do ano de 1932 da estação 59235000-MACACU
para testar o método RORA em planilha eletrônica. O gráfico da Figura 56 apresenta
o hidrograma e as sucessivas curvas de recessão após os picos de cheia
registrados no ano. Os valores de ∆Q foram selecionados considerando o tempo
crítico tc de 10 dias após cada pico de cheia registrado no hidrograma. Como cada
∆Q resultava num evento de recarga diário, foi calculado um valor total de recarga
mensal. O valor da descarga foi calculado a partir da integração das curvas de
410
recessão obtidas. O valor do armazenamento é a diferença entre a recarga e a
descarga e o run off é a diferença entre a vazão do hidrograma e a vazão da curva
de recessão. A Tabela 15 apresenta o resumo mensal dos valores de recarga,
descarga, armazenamento e run off calculados para a estação no ano de 1932.
Tabela 15 – Consolidação dos resultados obtidos com a aplicação do método RORA
em planilha eletrônica
(mm) jan/32 fev/32 mar/32 abr/32 mai/32 jun/32 jul/32 ago/32 set/32 out/32 nov/32 dez/32 totalrecarga 145,4 77,5 151,3 104,9 132,3 138,2 87,0 81,0 39,9 125,1 120,4 91,8 1294,7
descarga 148,4 64,96 75,89 62,76 62,80 70,01 56,21 36,25 30,31 38,67 64,71 83,23 794,2armaz/nto -3,0 12,5 75,4 42,1 69,5 68,2 30,8 44,8 9,6 86,4 55,6 8,5 500,5
run off 118,5 85,9 98,4 39,8 93,4 75,3 30,3 67,63 27,19 80,72 95,20 183,74 996,0
1
10
100
dez-31 jan-32 fev-32 mar-32 abr-32 mai-32 jun-32 jul-32 ago-32 set-32 out-32 nov-32 dez-32
Q -
m3/
s
.
Figura 56 – Hidrograma e respectivas curvas de recessão após os sucessivos picos
de recarga do aqüífero para o ano de 1932 na estação 59235000-MACACU
A Figura 57 apresenta os dados mensais do balanço de fluxo de água
subterrânea e água superficial na bacia do rio Macacu registrado em 1932 na
estação de 59235000-MACACU. Observa-se um valor total de recarga bastante
elevado de 1.294 mm de um total de 2.290 mm no ano, resultando numa taxa de
57% de recarga na bacia. A descarga de água subterrânea foi calculada em 794 mm
e o armazenamento ou perda por evapotranspiração na zona de descarga de 500
mm. Por fim, o escoamento superficial ou run off, foi de 996 mm no ano de 1932.
411
-50
0
50
100
150
200
jan/
32
fev/
32
mar
/32
abr/3
2
mai
/32
jun/
32
jul/3
2
ago/
32
set/3
2
out/3
2
nov/
32
dez/
32
(mm
) .recarga descarga armaz/nto run off
Figura 57 – Variação mensal no balanço de fluxo aqüífero rio Macacu para o ano de
1932 registrado na estação 59235000-MACACU
Ao longo do ano de 1932 observa-se que há uma redução nos valores de
recarga nos meses de fevereiro, julho, agosto, setembro e dezembro, com valores
inferiores a 100 mm de recarga por mês. No mês de janeiro houve um balanço entre
os valores de recarga e descarga e o mês de dezembro os valores de run off foram
muito superiores aos valores de recarga do aqüífero.
Conclui-se que a utilização do método RORA no formato de uma planilha
eletrônica é muito útil, pois permite um detalhamento muito preciso nos resultados.
Entretanto, é muito trabalhoso para ser utilizado numa série de dados muito extensa,
onde não é possível nem interessante fazer uma análise mês a mês.
Com relação à bacia do rio Macacu, foi possível obter um valor bastante
confiável para a constante de recessão da bacia na base 10 k com valor de 47 dias.
Os valores de recarga calculados são elevados, resultando num acumulado anual de
1.294 mm ou uma taxa de 57%, porém compatível com a precipitação média na
bacia.
412
Avaliação da recarga utilizando o método RORA
Foram elaborados para a execução do programa RORA arquivos de entrada
nos quais constava a área da bacia, a constante K, o tempo critico e as datas com
as suas respectivas vazões. Tais dados foram obtidos na ANA e após o tratamento
adequado dos valores evitando ao máximo vazios na série foram rodados no
programa, que permite obter na saída de dados os valores de recarga diária. A
Tabela 16 ilustra para cada uma das estações analisadas um resumo dos valores de
média, mediana, desvio padrão, máximos e mínimos valores de recarga após a
transferência dos dados para uma planilha eletrônica.
Observou-se que a estação de Cachoeiras de Macacu obteve seu valor de
máxima recarga no mês de dezembro, com valores de 1.123 mm, e seu valor
mínimo com 17 mm no mês de setembro. A estação de Duas Barras ilustrou como
recarga máxima o valor de 370 mm no mês de janeiro, e valor mínimo de 32 mm no
mês de outubro.
Notou-se também que a estação de Orindi apresentou valores de recarga
máxima de 269 mm no mês de dezembro e recarga mínima de 10 mm no mês de
julho. Já a estação de Ponte de Tanguá mostrou recargas máximas de 124 mm no
mês de janeiro e mínimas de 5 mm nos meses de março, julho, setembro e outubro.
A estação de Japuíba indicou valores de recarga máxima de 680 mm no mês de
dezembro e mínimo de 126 mm no mês de março.
Com relação à estação de Parque Ribeira constatou-se recargas máximas de
1.676 mm no mês de janeiro e mínimas de 37 mm no mês de setembro. A estação
de Quizanga apresentou valores máximos de 1.326 mm no mês de dezembro e
mínimos de 36 mm no mês de agosto. A estação de Reta Nova obteve recargas
calculadas nos valores máximos de 442 mm no mês de dezembro e mínimos de 5
mm no mês de agosto.
413
Tabela 16 - resumo das recarga mensais máximas, mínimas, médias, medianas e
respectivos desvios padrão das estações analisadas
A partir desses dados foram também gerados gráficos onde tornou-se
possível visualizar de forma mais precisa os dados. As Figuras 58 e 59 ilustram
alguns dos gráficos gerados.
414
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978
Ano
Reca
rga
- mm
/ano
.
Figura 58 - Variação da recarga anual para a estação 59245100 Orindi entre 1970 e
1978
0
50
100
150
200
250
300
J F M A M J J A S O N D
RE
CA
RG
A -
mm
.
MAXIMO MEDIA
MEDIANA MINIMO
Figura 59 - Variação da recarga mensal para toda a série histórica da estação
59245100 Orindi entre 1970 e 1978
O mapa da Figura 60 apresenta também a localização das estações
fluviométricas utilizadas para avaliar a recarga dos aqüíferos pelo método RORA.
Foram utilizados 9 postos fluviométricos sendo 4 na bacia do rio Macacu, 2 na bacia
dos rios Guapi-Açu e Orindi e 2 na bacia do rio Caceribu.
415
Figura 60 – Localização dos postos fluviométricos analisados pelo método RORA
para avaliar a recarga anual de cada aqüífero
Avaliação da recarga na bacia do rio Macacu
A bacia do rio Macacu possui 3 postos fluviométricos com registros históricos
de vazão. O posto 59235000 (CACHOEIRAS DE MACACU), localizado na porção
mais a montante do rio Macacu, em relação aos demais postos fluviométricos,
possui dados de vazão de 1932 a 1978, com algumas falhas de leitura nos anos de
1937, 1965 e 1966, totalizando 44 anos de registro de vazão neste posto.
Considerando as recargas anuais, observa-se que este posto resultou numa recarga
média 3.082 mm, valor extremamente elevado considerando uma média de chuvas
anuais da bacia. Acredita-se portanto que estejam contribuindo para a recarga das
águas subterrâneas locais precipitações externas a bacia hidrográfica, sugerindo
que a bacia hidrogeológica seja maior que os limites da bacia hidrográfica na área
da serra.
416
O posto 59237000 (JAPUÍBA), localizado na porção mediana do rio Macacu
possui dados de vazão de 6 anos, sendo que apenas no ano de 2000 foram
coletados dados completos todos os meses. A recarga anual do ano de 2000 foi
calculada em 3.006 mm, valor consistente com a média observada no posto
Cachoeira de Macacu mais a montante.
O posto 59240000 (PARQUE RIBEIRA), localizado na porção inferior do rio
Macacu em relação aos demais postos, possui dados de vazão de 1969 a 2007,
sendo que os anos de 1969, 1981, 1982, 1984, 2005, 2006 e 2007 não possuem
dados completos de todos os meses, totalizando 32 anos de registro de vazão neste
posto. Considerando o valor médio das recargas anuais, através do método Rora, a
recarga resultou em 3.735 mm anuais, corroborando os elevados valores
observados nos outros postos da mesma bacia.
Deste modo, conclui-se que a bacia hidrogeológica do rio Macacu, analisada
através do método Rora possui uma recarga natural extremamente elevada,
provavelmente devido a existência de uma grande área de recarga com vegetação
natural preservada, manto de alteração espesso sobrejacente a um aqüífero
cristalino bastante fraturado, permitindo um recarga elevada. Tendo em vista que a
recarga anual média de cerca de 3.000 mm é maior que a precipitação média anual
da bacia, acredita-se que a bacia hidrogeológica disponível para recarga seja maior
que a bacia hidrológica, de modo que parte das chuvas que caem na região da serra
fora da bacia, migram pelo aqüífero subterrâneo em direção a bacia do rio Macacu.
Avaliação da recarga na bacia dos rios Guapi-Açu e Orindi-Açu
A bacia dos rios Guapi-Açu e Orindi-Açu possui 3 postos fluviométricos com
registros históricos de vazão. O posto 59242000 (DUAS BARRAS), localizado na
porção mais a montante do rio Guapi-Açu, em relação aos demais postos
fluviométricos, possui dados de vazão de 1999 a 2007, sendo que apenas os anos
de 2000 e 2006 possuem registros completos, sem falhas de leituras diária.
Considerando as recargas anuais, observa-se que este posto resultou numa recarga
de 1.264 mm no ano de 1999 e 2.109 mm no ano de 2006, resultando num valor
médio de 1.686 mm. Destaca-se que este valor também é próximo ou superior ao
valor médio da precipitação nesta bacia, sugerindo que a bacia hidrogeológica local
seja maior que a bacia hidrológica.
417
O posto 59245000 (QUIZANGA), localizado na porção mais a jusante do rio
Guapi-Açu, em relação aos demais postos fluviométricos, possui dados completos
de vazão diária de 1970 a 1978. Considerando as recargas anuais, observa-se que
este posto resultou numa recarga de 3.951 mm, variando entre 3.068 mm no ano de
1974 e 4.406 mm no ano de 1973. Do mesmo modo que observado na bacia do rio
Macacu, estes valores de recarga anual são bem superiores aos valores das
precipitações anuais as respectivas bacias, sugerindo uma contribuição da bacia
hidrológica vizinha para os aqüíferos profundos da bacia do rio Guapi-Açu.
O posto 59245100 (ORINDI), localizado no rio Orindi-Açu, possui dados
completos de vazão diária de 1970 a 1978. Considerando as recargas anuais,
observa-se que este posto resultou numa recarga de 1.001 mm, variando entre 747
mm no ano de 1977 e 1.451 mm no ano de 1971. Considerando uma precipitação
média anual na bacia de 1.600 mm, observa-se que a recarga representa cerca de
62,5% da precipitação anual, bem superior aos 30% de referencia geral.
Avaliação da recarga na bacia do rio Caceribu
A bacia do rio Caceribu possui 2 postos fluviométricos com registros históricos
de vazão. O posto 59500014 (RETA NOVA), localizado na porção mais a jusante do
rio Guapi-Açu, em relação ao outro posto fluviométrico, possui dados de vazão de
1998 a 2007, sendo que apenas o ano de 2002 possui registros completos, sem
falhas de leituras diária. Sendo assim, este posto resultou numa recarga de 624 mm
no ano de 2002, resultando numa recarga de 39% da precipitação anual, estimada
em 1600 mm.
O posto 59500019 (PONTE DE TANGUÁ), localizado na porção mais a
montante do rio Guapi-Açu, em relação ao outro posto fluviométrico, possui dados
de vazão de 1999 a 2007, sendo que apenas o ano de 2006 possui registros
completos, sem falhas de leituras diária. Sendo assim, este posto resultou numa
recarga de 176 mm, resultando numa recarga de 11% da precipitação anual,
estimada em 1.600 mm.
9. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Em relação aos solos, os resultados das análises e ensaios com amostras
superficiais mostram que suas características correspondem ao que se esperava em
418
vista das cartas geológica e geomorfológica. Assim, os solos de baixada vão
gradando para texturas mais finas à medida que se aproximam da linha de costa.
Nos aluviões predominam solos arenosos e esses estão associados às
principais drenagens da Bacia Hidrográfica, havendo eventual exploração dessas
jazidas de areias.
Nos solos coluvionares, presentes nas vertentes das colinas, há predomínio
de areias argilo-siltosas, geralmente bem graduadas, que podem ser utilizadas como
material de construção em obras de terra.
As eventuais obras de terra, como a construção de barragens, podem
demandar o emprego de muito solo, de certa forma disponível na região, e intenso
transporte, além de muitos serviços preliminares, e custos sócio-econômicos e
ambientais na realocação dos atuais ocupantes e de estradas de acesso, afetados
por uma possível formação de reservatório de água, cujo espelho d’água ocuparia
uma área de aproximadamente 30 km2.
A complexa geologia local aponta para estudos geotécnicos mais detalhados
visando subsidiar obras de porte na região.
O uso intenso da água subterrânea pela população da região indica a
importância desse recurso como complemento da captação superficial, que já está
no seu limite de uso.
As condições de ocorrência das águas subterrâneas em aqüíferos estão
relacionadas à existência de ambiente geológico favorável ao armazenamento e a
circulação da água. Na bacia hidrográfica dos rios Guapi-Açu, Guapimirim e Macacu
são identificados dois sistemas de aqüíferos principais o Sistema Aqüífero
Sedimentar (aluvionar) e o Sistema Aqüífero Cristalino (fissural).
O Sistema Aqüífero Sedimentar é constituído por diferentes associações
sedimentares, compreendendo os aqüíferos: Formação Macacu; Aluvionar; e Flúvio-
Lagunar e Flúvio-Marinho Argilo-Arenoso. O segundo sistema é o Aqüífero
Cristalino, que é conexo às descontinuidades existentes nas rochas cristalinas,
ocorrendo em 60 a 70% das bacias, principalmente associadas às rochas do
embasamento granítico-gnáissico e, eventualmente, em rochas alcalinas e básicas.
Os 10 (dez) poços de monitoramento instalados mais os outros poços de
captação existentes que foram monitorados permitiram conhecer o comportamento
hidrodinâmico dos aquiferos e determinar as suas características hidroquímicas. Os
poços que apresentaram variação do nível d’água mais suave são característicos de
419
aqüíferos que possuem uma proteção superficial maior e são menos vulneráveis a
contaminação e os poços de apresentaram uma variação do NA mais acentuada em
períodos de tempo curto são característicos de aqüíferos mais permeáveis e mais
vulneráveis a contaminação, com pouco retardamento das águas de infiltração
direta. Em geral, a variação do nível d’água no período de recessão, independente
do aqüífero analisado é de 1,0 m, no período de recarga o aqüífero pode apresentar
uma recuperação de 1,0 m a 1,5 m. O poço PA-027 monitorado em Itaboraí, na
região denominada de Reta Velha, onde existem vários poços de captação
instalados pelo poder público, não apresentou indícios de superexplotação do
aqüífero no período de monitoramento.
As águas subterrâneas apresentam grande variação no pH de modo que as
águas com pH mais baixo são dos aqüíferos aluvionares e as águas com pH mais
próximo do neutro são dos aqüíferos mais profundos e com maior interação com a
rocha e respectivos minerais. Em geral as águas subterrâneas apresentam baixa
condutividade elétrica e, portanto, baixa salinidade com TDS (total de sólidos
dissolvidos) médio inferior a 150 mg/L. A existência de várias captações de água
mineral na região ilustra a boa qualidade química das águas subterrâneas.
A classificação iônica das águas subterrâneas indica que os anions principais
apresentam-se na seguinte ordem HCO3 > Cl > SO4 e os cátions principais
apresentam-se na seguinte ordem Na+K > Ca > Mg.
A avaliação da qualidade das águas subterrâneas para o consumo humano
indicou que praticamente todas as águas são próprias ao consumo considerando,
considerando as substâncias que representam risco a saúde humana. As exceções
foram as amostras dos poços PM-00C com 0,13 mg/L de Pb e no poço PA-13 com
83 mg/L de NO3.
O processo de modelagem da infiltração de água no solo revelou que a região
possui altos índices pluviométricos, e a partir dos parâmetros obtidos em laboratório
foi possível a modelagem do perfil adequado a cada amostra selecionada.
Observou-se que a taxa de infiltração media foi 45%, diferindo pouco entre as
diversas amostras de solo da região.
O método RORA mostrou-se extremamente eficaz na análise da recarga de
chuva, porém é viável somente no caso da utilização através de planilha eletrônica
para pequenos períodos, nos quais é possível obter detalhadamente todos os
parâmetros envolvidos. Para longos períodos e diversas estações fluviométricas, foi
420
necessária a utilização do programa, o qual possibilitou gerar os dados de recarga
que resultariam na análise da recarga da bacia.
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS BUREAU OF RECLAMATION – Design of Small Dam. United State Government Printing Office. Washington, 1974 pp. 267 e 270. CPRM – Geologia do Estado do Rio de Janeiro. Serviço Geológico do Brasil, Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais. Rio de Janeiro, 2001. ELETROBRAS – Diretrizes para Estudos e Projetos Básicos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. www.eletrobras.gov.br Biblioteca Virtual cap7 Barragens, 2009. FERRARI, A. L., Evolução Tectônica do Graben da Guanabara. Tese de Doutoramento. Instituto de Geociências, USP São Paulo, 2001. VARGAS, M., Introdução à Mecânica dos Solos. Ed. McGraw-Hill USP São Paulo, 1977 pp. 54.
