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

vitor.v.v@gmail.com