Recarga de Aquíferos: subsídios à gestão hídrica e ambiental – Bacia
do Rio Paracatu (SF-7)
Doutorando: Vitor Vieira Vasconcelos Orientador: Prof. Dr. Paulo Pereira Martins Junior
Coorientadores: Prof. Dr. Renato Moreira Hadad (PUC-Minas)
Prof. Dr. Sucharit Koontanakulvong (Chulalongkorn University)
Março de 2014
Objetivo Geral
• Apresentar métodos de avaliação de recarga e descarga de aquíferos que podem servir de subsídio para gestão e tomada de decisão ambiental dentro dos Instrumentos das Políticas Públicas de Meio Ambiente e de Recursos Hídricos.
Contexto de Pes quisa
• Grupo de Pesquisa sobre a Bacia do Rio Paracatu: 2002 – atual.
• Instituições
– UFOP
– CETEC-MG
– IGA
– PUC-Minas
Epistemologia
• Recarga de aquíferos como eixo de ligação entre as Políticas de Meio Ambiente e de Recursos Hídricos.
• Interdisciplinaridade no estudo e gestão da circulação hídrica
• Avaliação Crítica dos Instrumentos Jurídicos Existentes
O que está faltando nos diagnósticos ambientais tradicionais?
• Relações topológicas – Circulação Hídrica:
• Superficial • Subsuperficial • Subterrânea
– Geossistemas – Ecossistemas Drenabilidade do solo
• Dinâmica temporal de uso do solo e da circulação hídrica
• Integração entre os estudos e as necessidades de gestão da bacia
Caracterização Ambiental da Bacia do Rio Paracatu
• Localização • Litoestratigrafia • Geologia Estrutural • Geomorfologia • Pedologia • Integração entre Rochas, Geoformas e Solos • Climatologia • Vegetação e Uso do Solo • Hidrogeologia
Litoestratigrafia Croquis Estruturais
Estruturas Rúpteis e Dúcteis
Geomorfologia
Análise de Agrupamento Altimetria Declividade
Solos
Densidade de Bifurcação e Drenagem Hidrografia
Padrões de Drenagem Densidades de surgências
e de corpos de água
Pluviosidade Regiões Homogêneas de Sistemas Hídricos
Vegetação e Uso do Solo
Rochas Portadoras de Sistemas Aquíferos
Estudos Aplicados
• 5 métodos:
– Diagnóstico Expedito de Áreas de Recarga em Contextos Locais
– Caracterização Espaço-Temporal da Dinâmica de Ocupação em Áreas de Maior Favorabilidade de Recarga de Aquíferos
– Caracterização Cartográfica de Favorabilidade de Recarga de Aquíferos
– Mapeamento da Contribuição de Vazão Específica e Componentes de Fluxo
– Modelagem Espacial da Influência dos Atributos Ambientais nos Componentes de Fluxo
Metodologia de Atuação Local
Diagnósticos Locais de Potencialidade e Segurança de Recarga
1 – Vale do Rio da Areia; 2 – Serrinha; 3 – Chapada da Serra do Boqueirão; 4 – Serra do Sabão; 5 – Serra das Araras; 6 – Lagoas do Rio da Prata; 7 – Captação do Córrego da Bica; 8 – Captação do Ribeirão dos Órfãos; 9 – Chapadão do Pau Terra.
ATRIBUTO P
OTE
NC
IALI
DA
DE
DE
REC
AR
GA
(QU
AN
TID
AD
E D
E Á
GU
A)
Vegetação na área de recarga (infiltração menos evapotranspiração)
Caatinga
Campo
Cerrado
Cerradão
Floresta Decídua
Caatinga Arbórea
Cultura permanente
Cultura temporária
Área desmatada
Floresta Semidecídua
Mata Ciliar
Vegetação Higrófita ou
Hidrófila
Floresta Ombrófila
1,3 1,1 0,9 0,8 0,7
Declividade (infiltração)
Plano
0-3%
Suave-Ondulado
3-8%
Ondulado
8-20%
Forte-Ondulado
20-45%
Escarpado
> 45%
2,5 1,5 1 0,5 0,25
Solos (drenagem)
Neossolos Quartzarênicos
(solos arenosos
profundos)
Latossolos
(solos não arenosos
profundos)
Cambissolos (solos rasos)
Solos de horizonte B
textural (solos com
camada argilosa) ou
plíntico (enrijecido)
Neossolos litólicos
(solos muito rasos, com
afloramentos rochosos)
Solos hidromórficos e
aluviais
6 2,5 1 0,6 0,3
Geologia (potencial hídrico do aquífero)
Arenito
(porosos profundos)
Acamamento detrito-
laterítico
(porosos rasos)
Karst Basáltico Fissurado
3 2,2 1,4 0,9 0,7
Tipologia de Recarga e Surgência
Sumidouros e
Ressurgência kárstica
Vereda
Dolinas
Nascente de contato
litológico ou artesiana
Nascente de fratura Nascente intermitente
1,5 1,3 1,2 0,8 0,4
Uso do Solo (compactação e impermeabilização)
Nativo Cultura permanente
Cultura temporária
Pastagem Solo Exposto Urbano
Industrial
1,5 0,8 0,5 0,3 0,1
Técnicas de conservação do solo e da água
Barragens de Captação Terraceamento
Camalhões em curvas de
nível
Plantio Direto
Sem técnicas
3 1,5 1,4 1,2 1
ATRIBUTO P
RO
TEÇ
ÃO
SO
BR
E A
REC
AR
GA
(QU
ALI
DA
DE
DA
ÁG
UA
) Fontes de poluição
Esgoto não tratado Esgoto tratado
Fossa negra
Lixão
Mineração (metais)
Fossa séptica
Aterro sanitário
Pocilga
Curral
Granja
Mineração (não-metais)
Pastagem
Plantação
0,1 0,3 0,5 0,7 0,9
Distância da fonte de poluição à surgência (autodepuração subsuperficial e subterrânea)
Despejo direto 1-5 metros 6-25 metros 26-50 metros
Poluição Difusa
> 50 metros
Poluição Difusa
0,1 0,2 0,5 0,8 1
Posição topográfica da fonte de poluição em relação à surgência (Profundidade do nível freático)
Várzea Vale Fluvial
Encosta Topo de elevação (Relevo
ondulado ou montanhoso)
Tabuleiro em altitude
0,2 0,4 1 4 10
Transmissão no solo (autodepuração subsuperficial)
Solos hidromórficos e
aluviais
Neossolos litólicos
(solos muito rasos, com
afloramentos rochosos)
Neossolos Quartzarênicos
(solos arenosos profundos)
Cambissolos (solos rasos)
Solos de horizonte B textural
(solos com camada argilosa)
Latossolos
(solos não arenosos
profundos)
0,1 0,3 0,5 1 3
Transmissão do aquífero (autodepuração subterrânea)
Kárstico (sumidouros e
ressurgências)
Kárstico (dutos)
Basáltico
Aluvial Fraturado Poroso
0,3 0,5 0,6 1 3
Processos Erosivos
Voçorocas Ravinas Sulcos Laminar Sem erosão
0,8 0,85 0,9 0,95 1
Assoreamento
Sedimentos não permitem
a água aflorar
Mais de 50% da largura do
leito com sedimentos
aflorantes
Bancos de sedimento aflorando
no leito
Sedimentos no fundo do leito Sem assoreamento
(menos de 5% do fundo
do leito)
0,6 0,75 0,9 1 1,2
Vegetação no entorno da surgência (função tampão e filtragem biológica)
Sem vegetação, com solo
impermeabilizado ou
compactado
Sem vegetação, com solo
permeável
Até 5 metros de floresta
Até 10 metros de cerrado
Campo
5-30 metros de florestas
> 10 metros de cerrado
> 30 metros de floresta
0,25 0,5 0,75 1 1,5
Técnicas de conservação do solo e da água
Sem técnicas Plantio Direto Camalhões em curvas de nível Terraceamento Barragens de Captação
1 1,3 1,7 2 3
Diagnósticos Locais de Potencialidade e Segurança de Recarga
Delimitação de Áreas de Favorabilidade de Recarga e Análise de Impacto Ambiental
Bacia de Entre-Ribeiros
Pluviosidade
Classes
1975
Variação
1975-1989
(%)
1989
Variação
1989-2008
(%)
2008
Variação
1975-2008
(%) Hectare % Hectare % Hectare %
Agricultura
Tradicional
Agricultura
Irrigada
Pecuária
Assentamentos
Reflorestamento
Área Alagada
Cerrado
Mata
3287,91
0,00
58564,34
0,00
0,00
6011,93
285968,28
42300,10
0,83
0,00
14,78
0,00
0,00
1,52
72,19
10,68
+1189,18
-
+83,01
-
-
-69,12
-32,23
-14,50
42387,22
14743,63
107181,11
0,00
0,00
1856,74
193797,94
36168,39
10,70
3,72
27,06
0,00
0,00
0,47
48,92
9,13
+135,47
+165,41
+7,72
-
-
-61,79
-55,72
+17,66
99808,69
39131,38
115452,98
11426,19
1230,89
709,38
85821,77
42555,09
25,20
9,88
29,14
2,88
0,31
0,18
21,66
10,74
+2935,63
-
+97,14
-
-
-88,20
-69,99
+0,60
Sub-Total
Antrópico 61852,25 15,61 +165,65 164311,96 41,48 +62,53 267050,13 67,41 +331,75
Sub-Total Nativo 334280,32 84,39 -30,65 231823,07 58,52 -44,32 129086,24 32,59 -61,38
Total 396132,57 100,00 396135,03 100,00 396136,36 100,00
Área, Porcentagem e Variação Temporal da Ocupação da Bacia de Entre-Ribeiros.
Classes
1975 Variação
1975-
1989(%)
1989 Variação
1989-2008
(%)
2008 Variação
1975-2008
(%) Hectare % Hectare
%
Hectare
%
Agricultura
Tradicional
Agricultura
Irrigada
Pecuária
Assentamentos
Reflorestamento
Área Alagada
Cerrado
Mata
277,25
0,00
7274,44
0,00
0,00
124,99
48555,24
6212,83
0,44
0,00
11,65
0,00
0,00
0,20
77,76
9,95
+1244,57
-
+112,95
-
-
0,00
-21,15
-26,65
3727,76
256,51
15491,11
0,00
0,00
124,99
38287,76
4557,05
5,97
0,41
24,81
0,00
0,00
0,20
61,31
7,30
+108,26
+2150,62
+60,75
-
-
0,00
-75,60
+6,78
7763,27
5773,15
24901,27
9674,50
0,00
124,99
9341,92
4866,17
12,43
9,25
39,88
15,49
0,00
0,20
14,96
7,79
+2700,14
+242,31
-
-
0,00
-80,76
-21,68
Sub-Total
Antrópico 7551,69 12,09 +157,89 19475,38 31,19 +147,04 48112,19 77,05 +537,10
Sub-Total Nativo 54893,06 87,91 -21,72 42969,79 68,81 -66,64 14333,08 22,95 -73,89
Total 62444,75 100,00 62445,17 100,00 62445,27 100,00
Área, Porcentagem e Variação Temporal da Ocupação das Áreas Prováveis de Recarga da Bacia de Entre-Ribeiros.
Visão integrada: Ocupação do Solo
X Recarga de Sistemas Hídricos
• Agricultura Irrigada e Tradicional deslocam pecuária para as cabeceiras (planas ou onduladas)
• Assentamentos de Reforma Agrária nas áreas preferencias de recarga de aquífero
Cartografia de Favorabilidade de Recarga de Aquíferos
Ponderação dos atributos das
Unidades Hidrológicas de Paisagem
Altitude em relação ao nível de nascentes
Abaixo de -5
metros;
Descarga
De -5 a +5
metros
Flutuação do
contato freático
De +5 a +20
metros
Transiência
Acima de +20
metros
Recarga
0,7 0,85 1,6 2,25
Altitude em relação ao curso d’água de jusante
Abaixo de +10
metros
Descarga
De +10 a +20
metros
Flutuação do
contato freático
De +20 a +40
metros
Transiência
Acima de +40
metros
Recarga
0,7 0,85 1,6 2,25
Solos (drenagem)
Neossolos
Quartzarênicos
Latossolos Cambissolos
Solos de
horizonte B
textural ou
plíntico
Neossolos
litólicos
Solos
hidromórficos e
aluviais
6 2,5 1 0,6 0,3
Litoestratigrafia (potencial de recarga do aquífero)
Aquíferos
porosos
profundos
Aquíferos
porosos rasos
Karst Kárstico/fissurad
o
Fissurado
3 2,2 1,4 1,1 0,7
Declividade
(infiltração)
Plano
0-3%
Suave-Ondulado
3-8%
Ondulado
8-20%
Forte-Ondulado
20-45%
Escarpado
> 45%
2,5 1,5 1 0,5 0,25
Ponderação preliminar da Drenagem de Solos e do Potencial de Recarga de Aquíferos
X Pluviosidade (em mm/ano) / 1000
Modelagem de Sistemas Hídricos
1. Estimativa dos componentes de vazão (Base, Interfluxo, Fluxo Rápido)
2. Mapeamento da contribuição específica dos componentes de vazão
3. Mapeamento de atributos ambientais
4. Regressão sobre as influências dos atributos ambientais nos componentes de vazão
5. Mapeamento de contribuição dos atributos ambientais para os componentes de vazão
Quantificação de Componentes de Vazão por Meio de Filtros Recursivos
1. Escolha das estações fluviométricas i. Período 1976-2000: 23 estações.
ii. Outras 2 estações com períodos mais curto
2. Testes de Estacionariedade e Correlação
3. Preenchimento de Falha i. Escolha das Estações de Apoio
ii. Desagregação por período chuvoso e período seco
iii. Preenchimento de Falhas por Maximização da Expectância e por Imputação Múltipla
4. Separação do fluxo de base por filtros recursivos i. Mapa de vazão específica de Fluxo de Base,
Interfluxo, Fluxo Rápido e Vazão total
Preenchimento de falhas no período chuvoso da Estação 42251000 por Maximização de Expectativa (EM) e por Imputação Múltipla (MI).
Preenchimento de falhas no período chuvoso da Estação 42250000 por EM e por MI
Integrado ao restritor lógico para evitar sobre-estimação de vazão
Hidrograma Conceitual
Aplicação do Filtro de Chapman e Maxwell (1996), com parâmetro α = 0,925, para os dados de vazão diária da Estação 42290000, ano hidrológico de 1976.
Separação do Interfluxo e do Fluxo de Base da estação 42860000, ano hidrológico de 1996, utilizando o filtro Bflow (Lyne e Hollick, 1979).
Modelagem de Sistemas Hídricos por Mínimos Quadrados Parciais - PLS
• 25 observações – 2 eixos multivariados de explicação
• Variáveis • independentes: Atributos Ambientais • dependentes: Componentes de Vazão
• Análise de Agrupamento das variáveis
• Comparação de modelos: • Sem fluxos regionais • Com fluxos regionais
• Regionalização de Vazão para a foz do Paracatu
• Mapas de vazão específica ponderados para fluxo de base, interfluxo, fluxo rápido e vazão total
• Análise gráfica e cartográfica das variáveis
Atributo
Va
riáv
eis
Ind
ep
en
de
nte
s
Variáveis morfométricas: altitude, altitude normalizada, altitude padronizada,
balanço de massas, altitude de encosta, declividade, declividade acumulada
de drenagem, curvatura, módulo da curvatura, índice de convergência, índice
de rugosidade, índice de rugosidade vetorial, dispersão de fluxo, índice
topográfico de umidade, índice topográfico de escoamento subsuperficial,
fator de visão do céu, fator de visão de terreno, visibilidade do céu, insolação
total anual, aquecimento anisotrópico diurno, índice de barlavento
predominante (NEE), índice de sotavento predominante (NEE), índice de
efeito do vento predominante (NEE), força efetiva do vento predominante
(NEE)
Variáveis morfométricas de drenagem: nível de base, nível de nascentes,
altura ao curso de água, altura ao nível de base, distância horizontal ao curso
de água, distância ao exutório (foz) da bacia
Distância a Estruturas Rúpteis
Pluviosidade anual média
Atributos de Poços Perfurados (vazão de estabilização, vazão específica, nível
dinâmico, rebaixamento)
Variáveis Espaciais (latitude, longitude, distância à borda)
Variável
Dependente
Vazão Total, Fluxo de Base, Interfluxo e Fluxo Rápido
Resultados do Modelo PLS
Regressão Modelo sem fluxos
regionais
Modelo com fluxos
regionais
R2 Q2 Desvio
Padrão
R2 Q2 Desvio
Padrão
Vazão total 0.35 -0.10 0.84 0.84 0.73 0.42
Fluxo
rápido
0.40 -0.12 0.81 0.76 0.43 0.51
Interfluxo 0.40 -0.04 0.81 0.43 -0.12 0.79
Fluxo de
Base
0.35 -0.21 0.85 0.84 0.67 0.42
Predito Corrigido com desvio
de predição da
última estação à
montante
Vazão
Específica
(m3.s/km2)
Vazão
média
anual
(m3.s)
Vazão
Específica
(m3.s/km2)
Vazão
média
anual
(m3.s)
Vazão Total 4.31 194719.87 4.41 199070.7
Fluxo Rápido 1.48 66703.57 1.50 67917.31
Interfluxo 1.19 53411.52 1.10 49518
Fluxo de Base 1.67 75184.58 1.81 81797.97
Somatório dos
componentes
4.33 195299.67 4.41 199233.3
Regionalização de Vazões e seus respectivos componentes para a Bacia do Rio Paracatu
Análises do Modelo
• Coeficientes
• Coeficientes Padronizados
• Desvio Padrão dos Coeficientes Padronizados
• VIP – Valor de Influência na Projeção
• Desvio Padrão do VIP
• Comportamento Espacial
Vazão
Total
Fluxo
de
B
ase
Inte
rfluxo
Fluxo
R
ápid
o
Altitude de Encosta , Altitude em relação aos Rios, Altitude Normalizada, Altitude em Relação ao Nível de Base (Micro-relevo )
+ + -
Altitude absoluta, altitude de nascentes, nível de base, distância à foz, chuva (Macro-relevo)
+ -
Distância Horizontal aos Rios - + -
Vazão de Estabilização de Poços, Vazão Específica de Poços
+ + -
Aquecimento Anisotrópico Diurno - - +
Distância a mesofraturas + -
Balanço de Massas + +
Convergência +
Rebaixamento de Poços +
• Vales próximos aos rios – Maior fluxo rápido e fluxo total
– Menor Fluxo de Base e Interfluxo
– Relação mais acentuada em vales encaixados
• Ondulação do relevo diversidade de geotopos – Convergência, declividade, rugosidade, posição de encosta (exposição
à radiação solar e aos ventos), curvatura e módulo da curvatura
Fluxo Rápido
Interfluxo
Fluxo total
Fluxo de Base
Vazão
Total
Fluxo
de
B
ase
Inte
rfluxo
Fluxo
R
ápid
o
Longitude - +
Latitude -
Distância às bordas - -
Mais afetado
Menos afetado
Análise Integrada
- Delimitação de áreas mais relevantes para recarga de aquíferos • Relevância das áreas altimetricamente mais elevada
- Análise interescalar: • Interpretação de Campo
• Sensoriamento Remoto
• Análise quantitativa o Vazão
o Índices hidromorfométricos
o SIAGAS
Análise Integrada
• Diferenças entre potencial de infiltração e contribuição para fluxo de base:
– Contribuição inter-bacias
• Fraturas nas bacias altimetricamente mais elevadas
• Abaulamento da Bacia do São Francisco
– Efeito pistão
– Lentes de pelitos nos aquíferos porosos
Obrigado
Vitor Vieira Vasconcelos
Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais – DEGEO/UFOP