Hidrogeologia - Hydrogeology

Hidrogeologia ( hidro significado água e -geology ou seja, o estudo da Terra ) é a área da geologia que trata da distribuição e movimentação de águas subterrâneas no solo e rochas da Terra crosta (normalmente em aquíferos ). Os termos hidrologia de águas subterrâneas , geohidrologia e hidrogeologia são freqüentemente usados ​​de forma intercambiável.

Engenharia de águas subterrâneas, outro nome para hidrogeologia, é um ramo da engenharia que se preocupa com o movimento das águas subterrâneas e projetos de poços, bombas e drenos. As principais preocupações na engenharia de águas subterrâneas incluem a contaminação das águas subterrâneas, conservação de suprimentos e qualidade da água.

Poços são construídos para uso em países em desenvolvimento, bem como para uso em países desenvolvidos em lugares que não estão conectados a um sistema de água municipal. Os poços devem ser projetados e mantidos para manter a integridade do aquífero e para evitar que contaminantes atinjam as águas subterrâneas. A controvérsia surge no uso da água subterrânea quando seu uso impacta os sistemas de águas superficiais, ou quando a atividade humana ameaça a integridade do sistema de aqüífero local.

Introdução

A hidrogeologia é um assunto interdisciplinar; pode ser difícil contabilizar totalmente as interações químicas , físicas , biológicas e até legais entre o solo , a água , a natureza e a sociedade . O estudo da interação entre o movimento da água subterrânea e a geologia pode ser bastante complexo. A água subterrânea nem sempre segue a topografia da superfície ; a água subterrânea segue gradientes de pressão (fluxo de alta pressão para baixa), muitas vezes através de fraturas e condutos em caminhos tortuosos. Levar em consideração a interação das diferentes facetas de um sistema multicomponente muitas vezes requer conhecimento em diversos campos diversos, tanto a nível experimental como teórico . O que se segue é uma introdução mais tradicional aos métodos e nomenclatura da hidrologia de subsuperfície saturada.

Hidrogeologia em relação a outros campos

A hidrogeologia, como afirmado acima, é um ramo das ciências da terra que lida com o fluxo de água através de aquíferos e outros meios porosos rasos (normalmente menos de 450 m abaixo da superfície da terra). O fluxo muito raso de água no subsolo (os 3 m superiores) é pertinente aos campos de ciência do solo , agricultura e engenharia civil , bem como à hidrogeologia. O fluxo geral de fluidos (água, hidrocarbonetos , fluidos geotérmicos , etc.) em formações mais profundas também é uma preocupação de geólogos, geofísicos e geólogos de petróleo . A água subterrânea é um fluido viscoso e lento (com um número de Reynolds menor que a unidade); muitas das leis derivadas empiricamente do fluxo de água subterrânea podem ser derivadas alternadamente na mecânica dos fluidos do caso especial do fluxo de Stokes ( termos de viscosidade e pressão , mas nenhum termo inercial).

As relações matemáticas usadas para descrever o fluxo de água através de meios porosos são a lei de Darcy , a difusão e as equações de Laplace , que têm aplicações em diversos campos. O fluxo constante de água subterrânea (equação de Laplace) foi simulado usando analogias elétricas , elásticas e de condução de calor . O fluxo transitório da água subterrânea é análogo à difusão de calor em um sólido, portanto, algumas soluções para problemas hidrológicos foram adaptadas da literatura de transferência de calor .

Tradicionalmente, o movimento das águas subterrâneas tem sido estudado separadamente das águas superficiais, climatologia e até mesmo os aspectos químicos e microbiológicos da hidrogeologia (os processos são desacoplados). À medida que o campo da hidrogeologia amadurece, as fortes interações entre as águas subterrâneas, as águas superficiais , a química da água , a umidade do solo e até mesmo o clima estão se tornando mais claras.

A Califórnia e Washington exigem certificação especial de hidrogeologistas para oferecer serviços profissionais ao público. Vinte e nove estados exigem licenciamento profissional para geólogos oferecerem seus serviços ao público, o que geralmente inclui trabalho nas áreas de desenvolvimento, gerenciamento e / ou remediação de recursos hídricos subterrâneos.

Por exemplo: aquífero rebaixamento ou overdrafting e a bombagem de água fóssil pode ser um factor que contribui para a elevação do nível do mar.

assuntos

Uma das principais tarefas que um hidrogeólogo normalmente executa é a previsão do comportamento futuro de um sistema aqüífero, com base na análise de observações passadas e presentes. Algumas perguntas hipotéticas, mas características, seriam:

• O aquífero pode suportar outra subdivisão ?
• O rio vai secar se o fazendeiro dobrar sua irrigação ?
• Os produtos químicos da instalação de lavagem a seco viajaram pelo aquífero até o meu poço e me deixaram doente?
• A coluna de efluentes que sai do sistema séptico do meu vizinho fluirá para o meu poço de água potável ?

A maioria dessas questões pode ser abordada por meio de simulação do sistema hidrológico (usando modelos numéricos ou equações analíticas). A simulação precisa do sistema aquífero requer conhecimento das propriedades do aquífero e das condições de contorno. Portanto, uma tarefa comum do hidrogeólogo é determinar as propriedades do aquífero usando testes de aqüífero .

A fim de caracterizar melhor os aquíferos e aquitardos, algumas propriedades físicas primárias e derivadas são apresentadas a seguir. Os aquíferos são amplamente classificados como confinados ou não confinados ( aquíferos do lençol freático ) e saturados ou insaturados; o tipo de aquífero afeta quais propriedades controlam o fluxo de água naquele meio (por exemplo, a liberação de água do armazenamento para aqüíferos confinados está relacionada à estocagem , enquanto está relacionada ao rendimento específico para aqüíferos não confinados).

Aquíferos

Um aquífero é uma coleção de água abaixo da superfície, grande o suficiente para ser útil em uma nascente ou poço. Os aquíferos podem ser não confinados, onde o topo do aquífero é definido pelo lençol freático , ou confinados, onde o aquífero existe sob um leito confinante.

Existem três aspectos que controlam a natureza dos aquíferos: estratigrafia , litologia e formações e depósitos geológicos. A estratigrafia relaciona a idade e a geometria das diversas formações que compõem o aquífero. A litologia se refere aos componentes físicos de um aquífero, como a composição mineral e o tamanho do grão. As características estruturais são os elementos que surgem devido às deformações após a deposição, como fraturas e dobras. Compreender esses aspectos é fundamental para entender como um aquífero é formado e como os profissionais podem utilizá-lo para a engenharia de águas subterrâneas.

Cabeça hidráulica

As diferenças na carga hidráulica ( h ) fazem com que a água se mova de um lugar para outro; a água flui de locais com alto h para locais com baixo h. O cabeçote hidráulico é composto de cabeçote de pressão ( ψ ) e cabeçote de elevação ( z ). O gradiente de carga é a mudança na carga hidráulica por comprimento do caminho de fluxo e aparece na lei de Darcy como sendo proporcional à descarga.

A carga hidráulica é uma propriedade diretamente mensurável que pode assumir qualquer valor (devido ao dado arbitrário envolvido no termo z ); ψ pode ser medido com um transdutor de pressão (este valor pode ser negativo, por exemplo, sucção, mas é positivo em aquíferos saturados) e z pode ser medido em relação a um datum pesquisado (normalmente o topo do revestimento do poço ). Normalmente, em poços que atingem aqüíferos não confinados, o nível de água em um poço é usado como um substituto para a carga hidráulica, assumindo que não há gradiente vertical de pressão. Freqüentemente, apenas mudanças na carga hidráulica ao longo do tempo são necessárias, então o termo de elevação constante pode ser omitido ( Δh = Δψ ).

Um registro da carga hidráulica ao longo do tempo em um poço é um hidrograma ou, as mudanças na carga hidráulica registradas durante o bombeamento de um poço em um teste são chamadas de rebaixamento .

Porosidade

A porosidade ( n ) é uma propriedade do aquífero diretamente mensurável; é uma fração entre 0 e 1 indicando a quantidade de espaço de poro entre as partículas de solo não consolidadas ou dentro de uma rocha fraturada. Normalmente, a maioria da água subterrânea (e qualquer coisa nela dissolvida) se move através da porosidade disponível para fluir (às vezes chamada de porosidade efetiva ). A permeabilidade é uma expressão da conexão dos poros. Por exemplo, uma unidade de rocha não fraturada pode ter uma alta porosidade (ela tem muitos orifícios entre seus grãos constituintes), mas uma baixa permeabilidade (nenhum dos poros está conectado). Um exemplo desse fenômeno é a pedra - pomes , que, quando não fraturada, pode formar um aqüífero pobre.

A porosidade não afeta diretamente a distribuição da carga hidráulica em um aquífero, mas tem um efeito muito forte na migração de contaminantes dissolvidos, uma vez que afeta as velocidades de fluxo do lençol freático por uma relação inversamente proporcional.

A lei de Darcy é comumente aplicada para estudar o movimento da água, ou outros fluidos através de meios porosos, e constitui a base para muitas análises hidrogeológicas.

Conteúdo de água

O conteúdo de água ( θ ) também é uma propriedade mensurável diretamente; é a fração da rocha total que é preenchida com água líquida. Esta também é uma fração entre 0 e 1, mas também deve ser menor ou igual à porosidade total.

O conteúdo de água é muito importante na hidrologia da zona vadosada, onde a condutividade hidráulica é uma função fortemente não linear do conteúdo de água; isso complica a solução da equação do fluxo de água subterrânea não saturada.

Condutividade hidráulica

A condutividade hidráulica ( K ) e a transmissividade ( T ) são propriedades indiretas do aquífero (não podem ser medidas diretamente). T é o K integrado sobre a espessura vertical ( b ) do aquífero ( T = Kb quando K é constante em toda a espessura). Essas propriedades são medidas da capacidade de um aquífero de transmitir água . A permeabilidade intrínseca ( κ ) é uma propriedade do meio secundário que não depende da viscosidade e densidade do fluido ( K e T são específicos para água); é mais utilizado na indústria do petróleo.

Armazenamento específico e rendimento específico

Armazenamento específico ( S _s ) e seu equivalente integrado em profundidade, armazenamento ( S = S _s b ), são propriedades indiretas do aquífero (não podem ser medidos diretamente); eles indicam a quantidade de água subterrânea liberada do armazenamento devido a uma unidade de despressurização de um aqüífero confinado. Eles são frações entre 0 e 1.

O rendimento específico ( S _y ) também é uma razão entre 0 e 1 ( S _y ≤ porosidade) e indica a quantidade de água liberada devido à drenagem da redução do lençol freático em um aquífero não confinado. O valor do rendimento específico é menor do que o valor da porosidade porque alguma água permanecerá no meio mesmo após a drenagem devido às forças intermoleculares. Freqüentemente, a porosidade ou porosidade efetiva é usada como um limite superior para o rendimento específico. Normalmente S _y tem ordens de magnitude maiores do que S _s .

Hidrogeologia da zona de falha

A hidrogeologia da zona de falha é o estudo de como as rochas deformadas fragilmente alteram os fluxos de fluidos em diferentes configurações litológicas , como rochas clásticas , ígneas e carbonáticas . Movimentos de fluidos, que podem ser quantificados como permeabilidade , podem ser facilitados ou impedidos devido à existência de uma zona de falha . Isso ocorre porque diferentes mecanismos e rochas deformadas podem alterar a porosidade e, portanto, a permeabilidade dentro da zona de falha. Os fluidos envolvidos geralmente são águas subterrâneas ( água doce e marinha) e hidrocarbonetos (petróleo e gás).

Propriedades de transporte de contaminantes

Freqüentemente, estamos interessados ​​em como a água subterrânea em movimento transportará os contaminantes dissolvidos (o subcampo da hidrogeologia de contaminantes). Os contaminantes podem ser produzidos pelo homem (por exemplo, produtos de petróleo , nitrato , cromo ou radionuclídeos ) ou de ocorrência natural (por exemplo, arsênio , salinidade ). Além da necessidade de entender para onde a água subterrânea está fluindo, com base nas outras propriedades hidrológicas discutidas acima, existem propriedades adicionais do aquífero que afetam como os contaminantes dissolvidos se movem com a água subterrânea.

Dispersão hidrodinâmica

A dispersividade hidrodinâmica (α _L , α _T ) é um fator empírico que quantifica o quanto os contaminantes se afastam do caminho das águas subterrâneas que os transportam. Alguns dos contaminantes estarão "atrás" ou "à frente" da água subterrânea média, dando origem a uma dispersividade longitudinal (α _L ), e alguns estarão "nas laterais" do fluxo de água subterrânea advectiva puro, levando a uma dispersividade transversal ( α _T ). A dispersão nas águas subterrâneas ocorre porque cada "partícula" de água, passando além de uma partícula do solo, deve escolher para onde ir, se para a esquerda ou direita ou para cima ou para baixo, de modo que as "partículas" de água (e seu soluto) se espalhem gradualmente em todas as direções. em torno do caminho médio. Este é o mecanismo "microscópico", na escala das partículas do solo. Mais importante, em longas distâncias, podem ser as inomogeneidades macroscópicas do aquífero, que podem ter regiões de maior ou menor permeabilidade, de modo que alguma água pode encontrar um caminho preferencial em uma direção, outra em uma direção diferente, de modo que o contaminante pode se espalhar de forma totalmente irregular, como no delta (tridimensional) de um rio.

A dispersividade é na verdade um fator que representa nossa falta de informação sobre o sistema que estamos simulando. Existem muitos pequenos detalhes sobre o aquífero que são efetivamente calculados ao usar uma abordagem macroscópica (por exemplo, minúsculos leitos de cascalho e argila em aqüíferos de areia); estes se manifestam como uma dispersividade aparente . Por causa disso, α é frequentemente reivindicado como dependente da escala de comprimento do problema - a dispersividade encontrada para o transporte através de 1 m ³ de aqüífero é diferente daquela para o transporte através de 1 cm ³ do mesmo material do aquífero.

Difusão molecular

A difusão é um fenômeno físico fundamental, que Albert Einstein caracterizou como movimento browniano , que descreve o movimento térmico aleatório de moléculas e pequenas partículas em gases e líquidos. É um fenômeno importante para pequenas distâncias (é essencial para a obtenção de equilíbrios termodinâmicos), mas, como o tempo necessário para percorrer uma distância por difusão é proporcional ao quadrado da própria distância, é ineficaz para espalhar um soluto sobre distâncias macroscópicas. O coeficiente de difusão, D, é tipicamente muito pequeno, e seu efeito pode frequentemente ser considerado desprezível (a menos que as velocidades de fluxo da água subterrânea sejam extremamente baixas, como são em aquitardos de argila).

É importante não confundir difusão com dispersão, pois a primeira é um fenômeno físico e a segunda é um fator empírico que se concretiza em uma forma semelhante à difusão, porque já sabemos como resolver esse problema.

Retardamento por adsorção

O fator de retardo é outra característica muito importante que faz com que o movimento do contaminante se desvie do movimento médio das águas subterrâneas. É análogo ao fator de retardamento da cromatografia . Ao contrário da difusão e dispersão, que simplesmente espalham o contaminante, o fator de retardamento muda sua velocidade média global , de modo que pode ser muito mais lento do que a água. Isso se deve a um efeito físico-químico: a adsorção ao solo, que retém o contaminante e não permite sua progressão até que seja adsorvida a quantidade correspondente ao equilíbrio químico de adsorção. Esse efeito é particularmente importante para contaminantes menos solúveis, que, portanto, podem se mover centenas ou milhares de vezes mais devagar do que a água. O efeito desse fenômeno é que apenas espécies mais solúveis podem cobrir longas distâncias. O fator de retardamento depende da natureza química do contaminante e do aquífero.

História e Desenvolvimento

Henry Darcy: século 19

Henry Darcy foi um cientista francês que fez avanços no fluxo de fluidos através de materiais porosos. Ele conduziu experimentos que estudaram o movimento de fluidos através de colunas de areia. Esses experimentos levaram à determinação da lei de Darcy , que descreve o escoamento de fluidos em um meio com altos níveis de porosidade. O trabalho de Darcy é considerado o início da hidrogeologia quantitativa.

Oscar Edward Meinzer: século 20

Oscar Edward Meinzer foi um cientista americano que costuma ser chamado de "pai da hidrologia moderna das águas subterrâneas". Ele padronizou termos-chave no campo, bem como determinados princípios relativos à ocorrência, movimento e descarga. Ele provou que o fluxo da água obedece à lei de Darcy. Ele também propôs o uso de métodos geofísicos e registradores em poços, bem como sugeriu testes de bombeamento para reunir informações quantitativas sobre as propriedades dos aqüíferos. Meinzer também destacou a importância de estudar a geoquímica da água, bem como o impacto dos altos níveis de salinidade nos aquíferos.

Equações governamentais

Lei de darcy

A lei de Darcy é uma equação constitutiva , derivada empiricamente por Henry Darcy em 1856, que afirma que a quantidade de água subterrânea descarregada por uma determinada porção do aquífero é proporcional à área da seção transversal do fluxo, ao gradiente hidráulico e à condutividade hidráulica .

Equação de fluxo de água subterrânea

A equação do fluxo da água subterrânea, em sua forma mais geral, descreve o movimento da água subterrânea em um meio poroso (aquíferos e aquitardos). É conhecido em matemática como a equação de difusão e tem muitos análogos em outros campos. Muitas soluções para problemas de fluxo de água subterrânea foram emprestadas ou adaptadas de soluções de transferência de calor existentes .

Muitas vezes é derivado de uma base física usando a lei de Darcy e uma conservação de massa para um pequeno volume de controle. A equação é frequentemente usada para prever o fluxo para poços , que têm simetria radial, então a equação de fluxo é comumente resolvida em coordenadas polares ou cilíndricas .

A equação de Theis é uma das soluções fundamentais e mais comumente usadas para a equação de fluxo de água subterrânea; pode ser usado para prever a evolução transitória da carga devido aos efeitos do bombeamento de um ou vários poços de bombeamento.

A equação de Thiem é uma solução para a equação de fluxo de água subterrânea em estado estacionário (Equação de Laplace) para fluxo para um poço. A menos que haja grandes fontes de água nas proximidades (um rio ou lago), o verdadeiro estado estacionário raramente é alcançado na realidade.

Ambas as equações acima são usadas em testes de aquífero (testes de bomba).

A equação de Hooghoudt é uma equação de fluxo de água subterrânea aplicada à drenagem subterrânea por tubos, drenos de azulejos ou valas. Um método alternativo de drenagem subterrânea é a drenagem por poços para os quais as equações de fluxo de água subterrânea também estão disponíveis.

Cálculo do fluxo de água subterrânea

Para usar a equação de fluxo de água subterrânea para estimar a distribuição de cargas hidráulicas, ou a direção e taxa de fluxo de água subterrânea, esta equação diferencial parcial (PDE) deve ser resolvida. Os meios mais comuns de resolver analiticamente a equação de difusão na literatura de hidrogeologia são:

• Transformadas de Laplace , Hankel e Fourier (para reduzir o número de dimensões do PDE),
• A transformação de similaridade (também chamada de transformação de Boltzmann) é comumente como a solução de Theis é derivada,
• separação de variáveis , que é mais útil para coordenadas não cartesianas, e
• Funções de Green , que é outro método comum para derivar a solução de Theis - da solução fundamental para a equação de difusão no espaço livre.

Não importa qual método usamos para resolver a equação do fluxo de água subterrânea , precisamos de ambas as condições iniciais (cabeças no tempo ( t ) = 0) e condições de contorno (representando os limites físicos do domínio ou uma aproximação do domínio além desse ponto ) Freqüentemente, as condições iniciais são fornecidas para uma simulação transiente, por uma simulação de estado estacionário correspondente (onde a derivada de tempo na equação de fluxo de água subterrânea é definida como 0).

Existem duas categorias amplas de como o (PDE) seria resolvido; tanto analíticos métodos numéricos métodos, ou algo possivelmente no meio. Normalmente, os métodos analíticos resolvem a equação do fluxo da água subterrânea sob um conjunto simplificado de condições exatamente , enquanto os métodos numéricos resolvem em condições mais gerais para uma aproximação .

Métodos analíticos

Os métodos analíticos normalmente usam a estrutura da matemática para chegar a uma solução simples e elegante, mas a derivação necessária para todas as geometrias de domínio, exceto as mais simples, pode ser bastante complexa (envolvendo coordenadas não padronizadas , mapeamento conforme , etc.). Normalmente, as soluções analíticas também são simplesmente uma equação que pode fornecer uma resposta rápida com base em alguns parâmetros básicos. A equação de Theis é uma solução analítica muito simples (mas ainda muito útil) para a equação do fluxo de água subterrânea , normalmente usada para analisar os resultados de um teste de aquífero ou teste de lesma .

Métodos numéricos

O tópico dos métodos numéricos é bastante amplo, obviamente sendo útil para a maioria dos campos da engenharia e da ciência em geral. Os métodos numéricos existem há muito mais tempo do que os computadores (na década de 1920, Richardson desenvolveu alguns dos esquemas de diferenças finitas ainda em uso hoje, mas eles foram calculados à mão, usando papel e lápis, por "calculadoras" humanas), mas eles se tornaram muito importante através da disponibilidade de computadores pessoais rápidos e baratos . Um rápido levantamento dos principais métodos numéricos usados ​​em hidrogeologia e alguns dos princípios mais básicos são mostrados abaixo e discutidos no artigo do modelo de águas subterrâneas .

Existem duas categorias amplas de métodos numéricos: métodos em grade ou discretizados e métodos sem grade ou sem malha. No método comum de diferenças finitas e no método dos elementos finitos (FEM), o domínio é completamente reticulado ("cortado" em uma grade ou malha de pequenos elementos). O método do elemento analítico (AEM) e o método da equação integral de limite (BIEM - às vezes também chamado de BEM, ou Método do Elemento de Limite) são apenas discretizados em limites ou ao longo de elementos de fluxo (sumidouros de linha, fontes de área, etc.), a maioria dos o domínio é livre de malha.

Propriedades gerais de métodos em grade

Métodos em grade, como diferenças finitas e métodos de elementos finitos , resolvem a equação de fluxo de água subterrânea dividindo a área do problema (domínio) em muitos elementos pequenos (quadrados, retângulos, triângulos, blocos, tetraedros , etc.) e resolvendo a equação de fluxo para cada elemento (todos as propriedades do material são consideradas constantes ou possivelmente linearmente variáveis ​​dentro de um elemento), ligando então todos os elementos usando a conservação de massa através dos limites entre os elementos (semelhante ao teorema da divergência ). Isso resulta em um sistema que geralmente se aproxima da equação de fluxo de água subterrânea, mas corresponde exatamente às condições de contorno (a cabeça ou fluxo é especificado nos elementos que cruzam os limites).

Diferenças finitas são uma forma de representar operadores diferenciais contínuos usando intervalos discretos ( Δx e Δt ), e os métodos de diferenças finitas são baseados neles (eles são derivados de uma série de Taylor ). Por exemplo, a derivada de tempo de primeira ordem é frequentemente aproximada usando a seguinte diferença finita direta, onde os subscritos indicam uma localização de tempo discreta,

${\ displaystyle {\ frac {\ partial h} {\ partial t}} = h '(t_ {i}) \ approx {\ frac {h_ {i} -h_ {i-1}} {\ Delta t}} .}$

A aproximação direta da diferença finita é incondicionalmente estável, mas leva a um conjunto implícito de equações (que deve ser resolvido usando métodos de matriz, por exemplo, LU ou decomposição de Cholesky ). A diferença semelhante para trás é apenas condicionalmente estável, mas é explícita e pode ser usada para "marchar" para a frente na direção do tempo, resolvendo um nó da grade por vez (ou possivelmente em paralelo , uma vez que um nó depende apenas de seus vizinhos imediatos) . Em vez do método de diferença finita, às vezes a aproximação de Galerkin FEM é usada no espaço (isso é diferente do tipo de FEM frequentemente usado em engenharia estrutural ) com diferenças finitas ainda usadas no tempo.

Aplicação de modelos de diferenças finitas

MODFLOW é um exemplo bem conhecido de um modelo geral de fluxo de água subterrânea com diferenças finitas. Ele é desenvolvido pelo US Geological Survey como uma ferramenta de simulação modular e extensível para modelar o fluxo de água subterrânea. É um software livre desenvolvido, documentado e distribuído pelo USGS. Muitos produtos comerciais cresceram em torno dele, fornecendo interfaces gráficas de usuário para sua interface baseada em arquivo de entrada e, normalmente, incorporando pré e pós-processamento de dados do usuário. Muitos outros modelos foram desenvolvidos para trabalhar com entrada e saída do MODFLOW, possibilitando modelos vinculados que simulam diversos processos hidrológicos (modelos de fluxo e transporte, modelos de águas superficiais e subterrâneas e modelos de reação química), devido à natureza simples e bem documentada do MODFLOW .

Aplicação de modelos de elementos finitos

Os programas de elementos finitos são mais flexíveis em design (elementos triangulares vs. elementos de bloco que a maioria dos modelos de diferença finita usa) e existem alguns programas disponíveis (SUTRA, um modelo de fluxo dependente da densidade 2D ou 3D do USGS; Hydrus , um fluxo comercial não saturado modelo; FEFLOW , um ambiente de modelagem comercial para processos de fluxo subsuperficial, soluto e transporte de calor; OpenGeoSys, um projeto científico de código aberto para processos termo-hidromecânico-químicos (THMC) em meios porosos e fraturados; COMSOL Multiphysics (um comercial geral ambiente de modelagem), FEATool Multiphysics uma caixa de ferramentas de simulação MATLAB fácil de usar e Modelo de Fluxo de Água Integrado (IWFM), mas eles ainda não são tão populares entre os hidrogeólogos praticantes como o MODFLOW. Modelos de elementos finitos são mais populares em universidades e ambientes de laboratório , onde modelos especializados resolvem formas não padrão da equação de fluxo ( fluxo insaturado , fluxo dependente da densidade , calor acoplado e fluxo de água subterrânea, etc.)

Aplicação de modelos de volume finito

O método dos volumes finitos é um método para representar e avaliar equações diferenciais parciais como equações algébricas. Semelhante ao método das diferenças finitas, os valores são calculados em locais discretos em uma geometria em malha. "Volume finito" refere-se ao pequeno volume em torno de cada ponto de nó em uma malha. No método dos volumes finitos, integrais de volume em uma equação diferencial parcial que contém um termo de divergência são convertidos em integrais de superfície, usando o teorema da divergência. Esses termos são então avaliados como fluxos nas superfícies de cada volume finito. Como o fluxo que entra em um determinado volume é idêntico ao que sai do volume adjacente, esses métodos são conservadores. Outra vantagem do método de volume finito é que ele é facilmente formulado para permitir malhas não estruturadas. O método é usado em muitos pacotes de dinâmica de fluidos computacional.

O pacote de software PORFLOW é um modelo matemático abrangente para simulação de fluxo de água subterrânea e gerenciamento de resíduos nucleares desenvolvido pela Analytic & Computational Research, Inc., ACRi.

O pacote de software FEHM está disponível gratuitamente no Laboratório Nacional de Los Alamos . Este simulador de fluxo poroso versátil inclui recursos para modelar química reativa multifásica, térmica, de estresse e multicomponente. O trabalho atual usando este código inclui simulação de formação de hidrato de metano , sequestro de CO ₂ , extração de xisto betuminoso , migração de contaminantes nucleares e químicos, migração de isótopos ambientais na zona insaturada e formação cárstica .

Outros métodos

Estes incluem métodos sem malha, como o Método do Elemento Analítico (AEM) e o Método do Elemento Limite (BEM), que estão mais próximos das soluções analíticas, mas eles se aproximam da equação do fluxo de água subterrânea de alguma forma. O BEM e o AEM resolvem exatamente a equação do fluxo de água subterrânea (balanço de massa perfeito), enquanto aproximam as condições de contorno. Esses métodos são mais exatos e podem ser soluções muito mais elegantes (como os métodos analíticos), mas ainda não foram amplamente utilizados fora de grupos acadêmicos e de pesquisa.

Poço de água

Um poço de água é um mecanismo para trazer água subterrânea para a superfície por meio de perfuração ou escavação e trazê-la à superfície com uma bomba ou manualmente usando baldes ou dispositivos semelhantes. O primeiro exemplo histórico de poços de água foi no século 52 aC na Áustria dos dias modernos . Hoje, os poços são usados ​​em todo o mundo, desde os países em desenvolvimento até os subúrbios dos Estados Unidos.

Existem três tipos principais de poços: rasos, profundos e artesianos. Poços rasos atingem aqüíferos não confinados e são, geralmente, rasos, com menos de 15 metros de profundidade. Os poços rasos têm um diâmetro pequeno, geralmente menos de 15 centímetros. Poços profundos acessam aqüíferos confinados e são sempre perfurados por máquina. Todos os poços profundos trazem água à superfície por meio de bombas mecânicas. Em poços artesianos, a água flui naturalmente sem o uso de uma bomba ou algum outro dispositivo mecânico. Isso se deve ao fato do topo do poço estar localizado abaixo do lençol freático.

Projeto e construção de poços de água

Um dos aspectos mais importantes da engenharia e hidrogeologia de águas subterrâneas é o projeto e a construção de poços de água. O projeto e a construção adequados do poço são importantes para manter a saúde das águas subterrâneas e das pessoas que usarão o poço. Os fatores que devem ser considerados no projeto do poço são:

• Um aquífero confiável, fornecendo um abastecimento contínuo de água
• A qualidade da água subterrânea acessível
• Como monitorar o poço
• Custos operacionais do poço
• Rendimento esperado do poço
• Qualquer perfuração anterior no aquífero

Existem cinco áreas principais a serem consideradas ao planejar e construir um novo poço de água, juntamente com os fatores acima. Eles são:

• Adequação do aquífero
• "Considerações sobre o projeto do poço
• Métodos de Perfuração de Poços
• Projeto e desenvolvimento da tela do poço
• Teste de Poço "

A adequação do aquífero começa com a determinação de possíveis localizações para o poço usando " relatórios do USGS , registros de poços e seções transversais" do aquífero. Essas informações devem ser usadas para determinar as propriedades do aquífero, como profundidade, espessura, transmissividade e rendimento do poço. Nessa etapa, também deve ser determinada a qualidade da água do aqüífero e deve ser feita uma triagem para verificar a existência de contaminantes.

Depois que fatores como profundidade e rendimento do poço são determinados, o projeto do poço e a abordagem de perfuração devem ser estabelecidos. O método de perfuração é selecionado com base nas "condições do solo, profundidade do poço, projeto e custos". Nesta fase, as estimativas de custo são preparadas e os planos são ajustados para atender às necessidades orçamentárias.

As partes importantes de um poço incluem as vedações de poço, revestimentos ou liners, sapatas de acionamento, conjuntos de tela de poço e um pacote de areia ou cascalho (opcional). Cada um desses componentes garante que o poço retire apenas de um aqüífero e que nenhum vazamento ocorra em qualquer estágio do processo.

Existem vários métodos de perfuração que podem ser usados ​​na construção de um poço de água. Eles incluem: Técnicas de perfuração "Ferramenta de cabo, Rotação de ar, Rotação de lama e Circulação reversa inundada dupla rotativa". A perfuração com ferramenta de cabo é barata e pode ser usada para todos os tipos de poços, mas o alinhamento deve ser verificado constantemente e tem uma taxa de avanço lenta. Não é uma técnica de perfuração eficaz para formações consolidadas, mas fornece uma pequena pegada de perfuração. A perfuração rotativa a ar é econômica e funciona bem para formações consolidadas. Tem uma taxa de avanço rápida, mas não é adequada para poços de grande diâmetro. A perfuração rotativa de lama é especialmente econômica para poços profundos. Ele mantém um bom alinhamento, mas requer uma pegada maior. Tem uma taxa de avanço muito rápida. A perfuração giratória dupla com circulação reversa inundada é mais cara, mas boa para projetos de poços grandes. É versátil e mantém o alinhamento. Tem uma taxa de avanço rápida.

As telas dos poços garantem que apenas a água chegue à superfície e que os sedimentos permaneçam abaixo da superfície da Terra. As telas são colocadas ao longo do poço do poço para filtrar os sedimentos à medida que a água é bombeada em direção à superfície. O design da tela pode ser afetado pela natureza do solo, e designs de pacotes naturais podem ser usados ​​para maximizar a eficiência.

Após a construção do poço, testes devem ser feitos para avaliar a produtividade, eficiência e rendimento do poço, bem como determinar os impactos do poço no aquífero. Vários testes diferentes devem ser concluídos no poço a fim de testar todas as qualidades relevantes do poço.

Questões em engenharia de águas subterrâneas e hidrogeologia

Contaminação

A contaminação das águas subterrâneas acontece quando outros fluidos penetram no aquífero e se misturam com as águas subterrâneas existentes. Pesticidas, fertilizantes e gasolina são contaminantes comuns de aquíferos. Os tanques de armazenamento subterrâneo de produtos químicos como a gasolina são especialmente preocupantes com as fontes de contaminação das águas subterrâneas. À medida que esses tanques sofrem corrosão, eles podem vazar e seu conteúdo pode contaminar as águas subterrâneas próximas. Para edifícios que não estão conectados a um sistema de tratamento de águas residuais , fossas sépticas podem ser usadas para descartar o lixo em uma taxa segura. Se as fossas sépticas não forem construídas ou mantidas de maneira adequada, podem vazar bactérias, vírus e outros produtos químicos para as águas subterrâneas circundantes. Os aterros são outra fonte potencial de contaminação das águas subterrâneas. À medida que o lixo é enterrado, os produtos químicos nocivos podem migrar do lixo para as águas subterrâneas circundantes se a camada de base protetora estiver rachada ou danificada de alguma outra forma. Outros produtos químicos, como sais de estradas e produtos químicos usados ​​em gramados e fazendas, podem escoar para reservatórios locais e, eventualmente, para aqüíferos. Conforme a água passa pelo ciclo da água, os contaminantes na atmosfera podem contaminar a água. Essa água também pode chegar às águas subterrâneas.

Controvérsia

Fracking

A contaminação das águas subterrâneas devido ao fraturamento hidráulico tem sido debatida há muito tempo. Uma vez que os produtos químicos comumente usados ​​no fraturamento hidráulico não são testados por agências governamentais responsáveis ​​por determinar os efeitos do fraturamento hidráulico nas águas subterrâneas, os laboratórios da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos , ou EPA, têm dificuldade em determinar se os produtos químicos usados ​​no fraturamento estão presentes em aqüíferos próximos . Em 2016, a EPA divulgou um relatório que afirma que a água potável pode ser contaminada por fracking. Isso foi uma reversão de suas políticas anteriores após um estudo de US $ 29 milhões sobre os efeitos do fraturamento hidráulico na água potável local.

Califórnia

A Califórnia vê algumas das maiores controvérsias no uso de água subterrânea devido às condições de seca que a Califórnia enfrenta, alta população e agricultura intensiva. Os conflitos geralmente ocorrem sobre o bombeamento de água subterrânea e seu transporte para fora da área, uso injusto de água por uma empresa comercial e contaminação de água subterrânea por projetos de desenvolvimento. No condado de Siskiyou, no norte da Califórnia, o Tribunal Superior da Califórnia decidiu que os regulamentos inadequados de água subterrânea permitiram que o bombeamento diminuísse os fluxos no rio Scott e perturbasse o habitat natural do salmão. Em Owens Valley, no centro da Califórnia, a água subterrânea foi bombeada para uso em fazendas de peixes, o que resultou na morte de prados locais e outros ecossistemas. Isso resultou em uma ação judicial e um acordo contra as empresas de pescado. O desenvolvimento no sul da Califórnia está ameaçando os aquíferos locais, contaminando as águas subterrâneas por meio da construção e da atividade humana normal. Por exemplo, um projeto solar no condado de San Bernardino supostamente ameaçaria o ecossistema de espécies de pássaros e animais selvagens por causa do uso de até 1,3 milhão de metros cúbicos de água subterrânea, o que poderia impactar o Lago Harper . Em setembro de 2014, a Califórnia aprovou a Lei de Gestão de Águas Subterrâneas Sustentáveis , que exige que os usuários gerenciem as águas subterrâneas de maneira adequada, visto que estão conectadas aos sistemas de águas superficiais.

Colorado

Devido ao seu clima árido, o estado do Colorado obtém a maior parte da água do subsolo. Por causa disso, tem havido problemas em relação às práticas de engenharia de águas subterrâneas. Cerca de 65.000 pessoas foram afetadas quando altos níveis de PFCs foram encontrados no Aquífero Widefield. O uso de água subterrânea no Colorado data de antes do século XX. Dezenove dos 63 condados do Colorado dependem principalmente das águas subterrâneas para abastecimento e uso doméstico. O Colorado Geological Survey tem três relatórios significativos sobre as águas subterrâneas na Bacia de Denver. O primeiro relatório Geologia dos Estratos do Cretáceo Superior, Paleoceno e Eoceno na Bacia de Denver do sudoeste, O segundo relatório Geologia, Estrutura e Mapas de Isopach do Cretáceo Superior ao Paleógeno entre Greeley e Colorado Springs, a terceira publicação Cross Sections of the Freshwater Estratos de sustentação da Bacia de Denver entre Greeley e Colorado Springs.

Novas tendências em engenharia de águas subterrâneas / hidrogeologia

Desde que os primeiros poços foram feitos há milhares de anos, os sistemas de água subterrânea foram alterados pela atividade humana. Há cinquenta anos, a sustentabilidade desses sistemas em maior escala começou a ser considerada, tornando-se um dos principais focos da engenharia de águas subterrâneas. Novas ideias e pesquisas estão avançando a engenharia de águas subterrâneas no século 21, enquanto ainda consideram a conservação das águas subterrâneas.

Mapeamento Topográfico

Novos avanços surgiram no mapeamento topográfico para melhorar a sustentabilidade. O mapeamento topográfico foi atualizado para incluir radar, que pode penetrar no solo para ajudar a localizar áreas de interesse. Além disso, grandes cálculos podem usar dados coletados de mapas para aprofundar o conhecimento dos aquíferos subterrâneos nos últimos anos. Isso tornou possíveis modelos de ciclo da água altamente complexos e individualizados, o que ajudou a tornar a sustentabilidade das águas subterrâneas mais aplicável a situações específicas.

O papel da tecnologia

Os avanços tecnológicos têm avançado mapeamento topográfico e também melhoraram a qualidade das simulações de litosfera, hidrosfera, biosfera e atmosfera. Essas simulações são úteis por si mesmas; no entanto, quando usados ​​em conjunto, eles ajudam a dar uma previsão ainda mais precisa da sustentabilidade futura de uma área e quais mudanças podem ser feitas para garantir a estabilidade na área. Isso não seria possível sem o avanço da tecnologia. Conforme a tecnologia continua a progredir, as simulações aumentarão em precisão e permitirão estudos e projetos mais complexos em engenharia de águas subterrâneas.

Populações em crescimento

À medida que as populações continuam a crescer, as áreas que usavam as águas subterrâneas em uma taxa sustentável estão começando a enfrentar problemas de sustentabilidade para o futuro. Populações do tamanho visto atualmente nas grandes cidades não foram levadas em consideração quando da sustentabilidade de longo prazo dos aqüíferos. Esses grandes tamanhos populacionais estão começando a prejudicar o abastecimento de água subterrânea. Isso levou à necessidade de novas políticas em algumas áreas urbanas. Isso é conhecido como gerenciamento proativo do uso do solo, em que as cidades podem se mover proativamente para conservar as águas subterrâneas.

No Brasil, a superpopulação fez com que a água fornecida pelo município diminuísse. Devido à escassez de água, as pessoas começaram a perfurar poços dentro da faixa normalmente atendida pelo sistema municipal de água. Essa foi uma solução para pessoas de alto nível socioeconômico, mas deixou grande parte da população carente sem acesso à água. Por conta disso, foi criada uma nova política municipal que perfura poços para atender quem não tem condições financeiras de fazer seus próprios poços. Como a cidade é responsável pela perfuração dos novos poços, eles podem planejar melhor a sustentabilidade futura das águas subterrâneas da região, colocando os poços com cuidado e levando em consideração o crescimento da população.

Dependência de águas subterrâneas nos Estados Unidos

Nos Estados Unidos , 51% da água potável vem de fontes subterrâneas. Cerca de 99% da população rural depende das águas subterrâneas. Além disso, 64% do total das águas subterrâneas do país são utilizadas para irrigação, e parte dela é utilizada para processos industriais e recarga de lagos e rios. Em 2010, 22% da água doce usada nos EUA veio de águas subterrâneas e os outros 78% vieram de águas superficiais. A água subterrânea é importante para alguns estados que não têm acesso a água doce. a maior parte da água doce subterrânea 65 por cento é usada para irrigação e os 21 por cento são usados ​​para fins públicos, principalmente para beber.

Veja também

• A engenharia ambiental é uma ampla categoria na qual a hidrogeologia se encaixa;
• Flownet é uma ferramenta de análise para fluxo em estado estacionário;
• Balanço de energia da água subterrânea: equações de fluxo da água subterrânea com base no balanço de energia;
• Hidrogeologia de zona de falha : campo analisando especificamente a hidrogeologia em zonas de falha
• Hidrogeofísica : campo integrando hidrogeologia com geofísica
• Hidrologia (agricultura)
• A hidrologia isotópica é freqüentemente usada para entender as fontes e tempos de viagem nos sistemas de água subterrânea;
• Lista de publicações importantes em geologia # Hidrogeologia  : publicações importantes;
• Oscar Edward Meinzer é considerado o "pai da hidrologia moderna das águas subterrâneas";
• SahysMod é um modelo espacial de agro-hidro-salinidade com fluxo de água subterrânea em uma rede poligonal;
• Fonte (hidrologia) e rede de abastecimento de água são temas que preocupam o hidrogeólogo;
• Ciclo da água , hidrosfera e recursos hídricos são conceitos maiores dos quais a hidrogeologia faz parte;

Referências

Leitura adicional

Hidrogeologia geral

Modelagem numérica de águas subterrâneas

Modelagem analítica de águas subterrâneas

• Fitts, C. R (2010). "Modelagem de sistemas aquíferos com elementos analíticos e subdomínios". Pesquisa de recursos hídricos . 46 (7). Bibcode : 2010WRR .... 46.7521F . doi : 10.1029 / 2009WR008331 .

links externos

• International Association of Hydrogeologists - associação mundial para especialistas em águas subterrâneas.
• UK Groundwater Forum - Groundwater in the UK
• Center for Groundwater Studies - Groundwater Education and Research.
• Padrões de água potável da EPA - os níveis máximos de contaminantes (mcl) para espécies dissolvidas na água potável dos EUA.
• Página inicial de recursos hídricos do US Geological Survey - um bom lugar para encontrar dados gratuitos (para águas superficiais e subterrâneas dos EUA) e software gratuito de modelagem de águas subterrâneas como o MODFLOW .
• Índice TWRI do US Geological Survey - uma série de manuais de instrução que cobrem procedimentos comuns em hidrogeologia. Eles estão disponíveis gratuitamente online como arquivos PDF.
• Centro Internacional de Modelagem de Água Subterrânea (IGWMC) - um repositório educacional de software de modelagem de água subterrânea que oferece suporte para a maioria dos softwares, alguns dos quais são gratuitos.
• The Hydrogeologist Time Capsule - uma coleção de vídeos de entrevistas de hidrogeólogos eminentes que fizeram uma diferença material para a profissão.
• Centro Internacional de Avaliação de Recursos Hídricos Subterrâneos IGRAC
• Centro Geoespacial do Exército dos EUA - Para obter informações sobre as águas superficiais e subterrâneas OCONUS.