HIDROGEOLOGIA AVANÇADA
PARTE II – Aula 02
As Águas Subterrâneas no Ciclo
Hidrológico
Prof. Milton Matta
O CICLO HIDROLÓGICO
A água na hidrosfera se encontra em seus três estados físicos
básicos: sólido, líquido e gasoso. O segundo estado é o que tem
maior interesse para a hidrogeologia, uma vez que é na fase líquida
que a água se acumula no interior da Terra, além de constituir os
principais cursos superficiais.
Tanto na linguagem vulgar, como na científica,
a palavra água, salvo quando especificado diferentemente,
se refere à sua fase líquida.
O ciclo hidrológico representa o movimento da água no meio físico.
Dentro do ciclo hidrológico, a água pode estar no estado gasoso,
líquido ou sólido, distribuindo-se tanto na subsuperfície e superfície
da Terra como na atmosfera. Portanto, a água está em constante
circulação, passando de um meio a outro e de um estado físico a
outro, sempre mantendo o equilíbrio, sem ganhos ou perdas de massa
no sistema.
Fig. 01 -Esquema do Ciclo Hidrológico
Os processos que permitem esta circulação da água são: evaporação,
transpiração, precipitação, escoamento superficial, infiltração e
escoamento subterrâneo.
O ciclo da água na terra, ou ciclo hidrológico, é a contínua
circulação da água em nosso planeta. Não tem início nem fim, mas
é comum se começar sua descrição com as águas do oceano, uma
vez que cobrem cerca de três quartos da superfície terrestre.
Assim, a água evapora a partir dos oceanos e corpos
d’água, formando as nuvens, que, em condições favoráveis,
dão origem à precipitação, seja na forma de chuva, neve ou
granizo. Os hidrólogos e outros chamam-na de “água de
origem meteórica”.
A precipitação, ao atingir o solo, pode escoar superficialmente até
atingir os corpos d’água ou infiltrar até atingir o lençol freático.
Além disso, a água, interceptada pela vegetação e outros seres
vivos, retorna ao estado gasoso através da transpiração.
A precipitação sobre a superfície da Terra é a origem de todos os
nossos suprimentos de água potável. Dela depende a reposição da
quantidade que é retirada dos lagos e outros cursos superficiais para
os numerosos usos do homem.
A água retorna ao mar através do escoamento superficial pelos
rios, do escoamento subterrâneo pela descarga dos aqüíferos na
interface água doce/água salgada e, também, através da própria
precipitação sobre a área dos oceanos.
Outra parte se impregna no solo. Grande parte da água que
penetra no solo é retida na zona das raízes das plantas,
retornando eventualmente à superfície, pelos vegetais ou pela
capilaridade do solo. Parte, porém, se infiltra abaixo da zona
das raízes, continuando a mover-se para baixo, até alcançar os
reservatórios de água subterrânea.
Ao juntar-se à massa da água subterrânea, a água infiltrada
move-se através dos poros da matéria do subsolo podendo,
eventualmente, reaparecer na superfície em diferentes locais
dependendo de diversos fatores que gerenciam os fluxos
subterrâneos e suas interações com a superfície topográfica e as
águas superficiais.
Os cursos, carreando as águas de escoamento superficial e as
descargas naturais da água subterrânea, eventualmente as fazem
retornar ao oceano.
Um outro tipo de água chega também à superfície terrestre,
associada às emanações magmáticas e tem sido denominada de
água juvenil ou primária.
A relevância dessas águas para o ciclo hidrológico tem sido objeto
de discussão na comunidade geológica. Essas águas primárias têm
um alto teor de substâncias dissolvidas e os volumes que,
efetivamente, chegam à superfície têm sido considerados como
pouco significantes para o ciclo hidrológico.
O ciclo hidrológico é, pois, o sistema pelo qual a natureza faz a
água circular dos oceanos para a atmosfera e retornar, superficial
e subterraneamente, aos oceanos por vias tortuosas, umas curtas
e outras longas, quer quanto ao tempo, quer quanto ao espaço. Os
agentes que participam desse processo são a irradiação solar, a
gravidade, a atração molecular e a capilaridade.
De uma maneira geral, o ciclo hidrológico pode ser
dividido em três setores distintos.
O sistema hidrometeorológico está relacionado com a porção
aérea do ciclo, envolvendo o processo de evaporação,
evapotranspiração e precipitação.
O sistema hidrográfico cobre os aspectos superficiais do ciclo,
envolvendo os diversos cursos de águas que se direcionam aos
oceanos.
O sistema hidrogeológico,
gico por sua vez, está relacionado à porção
subterrânea do ciclo, envolvendo processos de infiltração, além de
fluxos horizontais e verticais subsuperficiais
Figura 02 – Representação Esquemática do Ciclo Hidrológico.
Pode dizer-se que a quantidade de água do planeta se tem mantido
constante desde o aparecimento do homem. A água existente nos oceanos,
continentes e atmosfera faz parte de um ciclo perpétuo que é mantido em
movimento pela energia do sol e pela força gravítica.
O ciclo hidrológico é essencial ao Meio
Ambiente:
¾ transporta e faz circular a água de umas regiões
para as outras;
¾ é um importante agente modelador da crosta
terrestre ( devido à erosão e ao transporte de
sedimentos);
¾ e acaba por ser um condicionante de toda a
cobertura vegetal do planeta, ou seja, de toda a vida
na Terra.
O BALANÇO HÍDRICO MUNDIAL
É importante que se discuta alguns dados numéricos
sobre o balanço hídrico mundial, no sentido de se
avaliar a importância quantitativa das águas
subterrâneas relativamente à ouros componentes do
ciclo hidrológico.
EVAPORAÇÃO: embora a maior parte da umidade
atmosférica provenha da evaporação dos mares, a
evaporação dos lagos, cursos superficiais e do solo, mais a
transpiração das folhas das plantas também concorrem
para o total. Cientistas calculam que aproximadamente
335 000 km3 de água são evaporados anualmente dos
oceanos. Outros 65 000 km3 são evaporados de áreas
continentais (Cetesb, 1978)
PRECIPITAÇÃO: a precipitação total da atmosfera é
sempre igual
à evaporação por ela recebida.
Assim cerca de 400 000 km3 de água caem sobre a
Terra a cada ano. Às superfícies continentais cabem
cerca de 100 000 km3 desse total (Cetesb, 1978)
ÁGUA SUBTAERRÂNEA: Freeze & Cherry, 1979)
mostraram que se for removido os 94% de água da
Terra que se encontra em oceanos e mares com alta
salinidade, a auqntidade de água subterrânea passará a
constituir cerca de 2/3 de toda água doce do mundo.
Se nos limitarmos à parcela utilizável da água doce do
mundo (retirando a porção que se encontra sob a forma
de gelo –icecaps e glaciers), a água subterrânea será
responsável por quase a totalidade do volume disponíve
na Terra.
Pode-se também considerar somente a fração explotável
das águas subterrâneas, retirando os volumes que se
encontram em condições desfavoráveis do ponto de vista
financeiro. A estimativa de Lvovitch apud Freeze & Cherry
(1979) é de tenhamos 4x106 km3 de volume explotável de
águas subterrâneas. Isso corresponderia a cerca de 95% do
total, ficando 3.5% para lagos, pântanos, reservatórios e
canais de rios e 1.5% para solos em geral.
Outro fator importante a ser considerado nesse balanço
é o tempo de residência médio.
Águas de rios
Águas
subterrâneas
Tempo médio de residência
de 2 semanas
Tempos de residência de
dezenas, centenas ou mesmo
milhares de anos
ÁGUAS SUPERFICIAIS
Como foi mostrado na discussão do ciclo hidrológico, existe uma
interação bastante importante entre os recursos hídricos superficiais e
as águas subterrâneas.
De uma maneira geral, a parte superficial do ciclo hidrológico é
formada pelos oceanos e mares, rios, lagos e outros reservatórios,
pântanos, etc.
A quantidade de água que se acumulará nesses elementos será função
de uma série de fatores, como clima, taxa de evaporação, índice
pluviométrico local, interação com outros elementos do ciclo, etc.
Conforme discutido nos itens anteriores, cerca de 97% da água da terra
está concentrada nos mares e oceanos. Apesar da grande importância
dessas regiões para o balanço hídrico mundial e para a preservação da
vida humana no que concerne ao equilíbrio de nosso ecossistema, essas
águas tem uma salinidade muito elevada o que as inviabilizam para o
consumo humano. Elas não contribuem, portanto, para compor a
quantidade de água doce disponível na Terra.
Nas regiões costeiras do mundo, as interações das águas do mar
com as águas subterrâneas tem representado um problema
bastante sério para o abastecimento populacional.
São bastante comuns as cunhas de água salgada que interagem
com os aqüíferos contaminando-os e exigindo um controle muito
rígido na alocação de poços e nas relações espaciais entre poços
e/ou redes de poços.
Outro elemento de importância na hidrologia superficial é a
rede de drenagem que, gradual e continuamente, se dirige para
os oceanos e mares.
Essa água constitui um dos elementos físicos mais importantes
na composição da paisagem terrestre, interferindo na vida
animal-vegetal e humana, a partir da interação com os demais
elementos .
ÁGUAS SUBSUPERFICIAIS
Nem toda a água que se infiltra no solo vai compor as águas
subterrâneas. Três situações podem ocorrer:
1) a água pode voltar à superfície por capilaridade e
evaporar-se na atmosfera;
2) Pode ser absorvida pelas raízes das plantas e retornar à
atmosfera pela transpiração vegetal;
3) A água que penetrou bastante desce por gravidade até
atingir o nível da zona de saturação, passando a fazer parte
das águas subterrâneas que, eventualmente, abastecerá
poços.
A taxa de infiltração de água no solo depende de
muitos fatores:
1-Sua porosidade: A presença de argila no solo diminui sua
porosidade não permitindo uma grande infiltração.
2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais
permeável do que um solo desmatado.
3-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água
corre mais rápido diminuindo o tempo de infiltração.
4-Do tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo,
ao passo que chuvas finas e demoradas tem mais tempo para se
infiltrarem.
O MOVIMENTO DA ÀGUA NO SOLO
A água proveniente da precipitação penetra no solo e infiltra-se
gradualmente até chegar à ZONA SATURADA. Em solos altamente
permeáveis a taxa de percolação é de vários metros por ano, em
solos argilosos é de cerca de 1 – 2 m e, em solos muito compactos,
pode ser de apenas alguns centímetros por ano.
Uma parte da água infiltrada, a chamada água capilar, é retida e
armazenada nos poros do solo. A quantidade de água retida como água
capilar e aquela que se infiltra como água gravitacional depende da
natureza do solo e das dimensões e distribuição dos seus poros (Fig. 15).
Poros com menos de 10 μm de diâmetro retêm a água por capilaridade,
enquanto que os poros maiores (> 60 μm de diâmetro) deixam a água
infiltrar-se mais rapidamente (Larcher, 1995).
A água que permanece num solo depois da passagem da água
gravitacional é retida nos poros por capilaridade; pode ficar presa aos
colóides do solo e, no caso dos solos salinos, pode ficar
osmoticamente ligada a iões.
Figura 03 - O estado
da água em solos
saturados (a parte
esquerda do esquema)
e
em
solos
bem
arejados
(parte
direita).
FONTE: Larcher (1995)
Forças que interagem no processo de
Infiltração da Água
Tensão Superficial
Quando um líquido está em repouso e
em contacto com o ar, as forças de
atração que se exercem entre as
moléculas do líquido são diferentes para
as que estão à superfície e para as que
estão no interior do líquido.
No interior do líquido, cada molécula liga-se às restantes por
forças iguais em todas as direções. À superfície, as moléculas são
apenas puxadas para o interior líquido, pois não existem moléculas
na parte exterior do líquido para exercerem qualquer força,
formando-se assim uma espécie de película elástica.
A água líquida tem uma tensão superficial extremamente
elevada, explicada pelas ligações por pontes de hidrogênio que
mantêm as moléculas fortemente unidas.
As gotas de água que se
observam nas folhas ilustram
bem a tensão superficial. As
menores constituem esferas
perfeitas. As maiores são
ovais, achatadas e as maiores
de todas, pesadas demais
para serem sustentadas pela
tensão superficial,
espalham-se.
Alguns insetos como o
alfaiate passeiam
sobre a água devido à
sua tensão superficial
CAPILARIDADE
O fenômeno da capilaridade está relacionado com a
tensão superficial: quando se introduz um tubo capilar em
água, esta sobe espontaneamente pela parede do tubo,
formando um filme fino e aderente.
Tubos
Capilares
Atração
Adesiva
A INFILTRAÇÃO E O CAMINHO SUBTERRÂNEO DA
ÁGUA
A água que se infiltra está submetida a duas
forças fundamentais: a gravidade e a força de
adesão de suas moléculas às superfícies das
partículas do solo (força de capilaridade).
Pequenas quantidades de água no solo tendem
a se distribuir uniformemente pela superfície
das partículas. A força de adesão é mais forte
do que a força da gravidade que age sobre esta
água. Como conseqüência ela ficará retida,
quase imóvel, não atingindo zonas mais
profundas. Chuvas finas e passageiras
fornecem somente água suficiente para repor
esta umidade do solo. Para que haja infiltração
até a zona saturada é necessário primeiro
satisfazer esta necessidade da força capilar.
Relação entre Zona Saturada, Zona Não Saturada e
Solo – Aqüífero Livre
Relação entre Aqüífero Confinado e Zona de Solo
Zonas de ocorrência da água no solo de um aqüífero
freático
Zonas de ocorrência da água no solo de um
aqüífero freático (Livre)
Zona de aeração:
é a parte do solo que está parcialmente
preenchida por água. Nesta zona a água
ocorre na forma de películas aderidas aos
grãos do solo. Solos muito finos tendem a ter
mais umidade do que os mais grosseiros,
pois há mais superfícies de grãos onde a
água pode ficar retida por adesão.
Na zona de aeração podemos distinguir três regiões:
1- Zona de umidade do solo:
é a parte mais superficial, onde a perda de água de adesão para a
atmosfera é intensa. Em alguns casos é muito grande a quantidade de
sais que se precipitam na superfície do solo após a evaporação desta
água, dando origem a solos salinizados ou a crostas ferruginosas
(lateríticas).
2- Franja de capilaridade:
é a região mais próxima ao nível d’água do lençol freático, onde a
umidade é maior devido à presença da zona saturada logo abaixo.
3- Zona intermediária
região compreendida entre as duas anteriores e com umidade
menor do que na franja capilar e maior do que na zona superficial
do solo.
Em áreas onde o nível freático está próximo da superfície, a zona
intermediária pode não existir, pois a franja capilar atinge a
superfície do solo. São brejos e alagadiços, onde há uma intensa
evaporação da água subterrânea.
Zona de Saturação ou Zona Saturada
é a região abaixo do lençol freático (nível freático) onde os poros ou
fraturas da rocha estão totalmente preenchidos por água. Observe-se
que em um poço escavado num aqüífero deste tipo a água o estará
preenchendo até o nível freático.