A importância da água subterrânea reside no fato de ser a água essencial à vida e, muitas vezes, ser esta a única fonte de água, ou representar uma porção significante da água total utilizada por uma cidade. A maioria dos habitantes e dos subúrbios, 90% das indústrias e quase 50% dos habitantes urbanos do Brasil usam água subterrânea (Rebouças, 1988). Nos Estados Unidos aproximadamente metade da população serve-se de água subterrânea para beber e cerca de 95% da população rural depende de água subterrânea. A água subterrânea constitui então uma reserva estratégica. Ela representa 95% do volume de água doce do globo e apesar da abundância em quantidade é extremamente susceptível à degradação de sua qualidade por focos de poluição. Mais grave ainda é o fato de que uma vez poluída, a descontaminação do aqüífero até um nível de zero de concentração não pode ser obtida, ou então, a um custo financeiro muito elevado, consegue-se remediar esta poluição a um nível aceitável acima de zero. O desafio, então, que enfrentam as municipalidades empenhadas no fornecimento de água de boa qualidade aos seus cidadãos é duplo: a) proteção de seus poços municipais (o ponto de suprimento mais comumente usado) para prevenir que sejam contaminados e b) remediação dos aqüíferos que, acidentalmente ou por negligência, acabaram sofrendo contaminação. Tendo em mente a importância deste assunto o governo americano estabeleceu em 1987 o Wellhead Protection Program (Programa de Proteção de Poços (PPP)), inspirado em programas similares europeus, para a delineação de Wellhead Protection Areas (Áreas de Proteção de Poços (APP)) para todos os poços municipais. Devido ao quase total desconhecimento do assunto pelos órgãos brasileiros, e à importância do assunto, esta dissertação de tese de mestrado aplica modelação matemática para investigar os efeitos dos principais parâmetros hidrogeológicos e processos envolvidos tanto em prevenção (APP) de contaminantes como em remediação. Embora prevenção e remediação usem modelos matemáticos similares estes são assuntos claramente distintos, que merecem tratamento individual. Esta tese, então, foi dividida em duas partes: Parte I: investiga os efeitos dos principais parâmetros hidrogeológicos na fase de prevenção de contaminação de água subterrânea para poços municipais, quando as APPs são delineadas; Parte II: investiga os efeitos de heterogeneidade geológica, parâmetros hidráulicos e processos atenuantes de transporte sobre o tempo e os esquemas de remediação, quando, apesar dos PPPs, ocorre contaminação e os níveis de concentração dos contaminantes precisam ser reduzidos a níveis aceitáveis para proteger a saúde pública e o meio ambiente natural. Na parte I os efeitos dos seguintes parâmetros em APPs foram investigados, através de modelos de fluxo analíticos e numéricos: 1-gradiente regional; 2-transmissividade; 3-anisotropia; 4-falhamento; 5-pososidade efetiva. Na parte II foram investigados, através de modelos de transporte advectivo e dispersivo, os seguintes parâmetros: 1-dispersividade; 2-retardamento; 3-heterogeneidade. Entre os muitos resultados mostrados nesta tese pode-se citar: 1- Para um poço único, bombeando em aqüífero homogêneo e isotrópico, e usando o Modelo Analítico de Fluxo Uniforme, a largura da APP desenvolvida é inversamente afetada pelo aumento da condutividade hidráulica, da espessura e do gradiente do aqüífero onde se encontra o poço a ser protegido, e diretamente afetados pelo aumento da taxa de bombeamento deste poço; 2- O desenvolvimento da APP não ocorre na direção perpendicular a linhas eqüipotenciais perfeitamente eqüidistantes e paralelas, se a anisotropia deste aqüífero for levada em consideração; 3- A condição assintótica da concentração de contaminantes em água subterrânea sujeita a bombeamento e tratamento mostrou estar sujeita a ter como causa heterogeneidades do aqüífero, que envolve meios de baixa e de alta condutividade hidráulica onde ocorre o desenvolvimento da zona que contribui água para o poço. Em poços de remediação esta condição pode representar um aumento significativo do tempo necessário de bombeamento até que uma concentração menor pré-estabelecida seja obtida; 4- A heterogeneidade é, de todos os parâmetros investigados, aquele que causa os efeitos mais dramáticos em APPs e em esquemas de remediação. / The importance of groundwater resides in the fact that it is essential to life and, many times, it is the only source of water, or it represents a significant portion of the total water used in a city. The majority of the inhabitants living in rural and suburban areas, 90% of the industries and almost 50% of the urban inhabitants in Brazil use groundwater (Rebouças, 1988). In the United States, approximately half of the population utilizes groundwater for drinking and about 95% of the rural population depends on groundwater. Groundwater is, then, a strategic resource. It represents 95% of the volume of the fresh water of the globe, and, despite its abundancy in quantity, it is extremely susceptible to degradation of its quality by pollution sources. Even worse is the fact that once pollution occurs, the complete cleanup of the aquifer (levels of zero concentration) likely will not be possible. Even to remediate to non-zero acceptable levels will have high financial costs (the average cleanup cost for superfund sites in the U.S. is 20 million dollars) The challenge, then, that the municipalities face to supply good quality water to their citizens is double: a)protection of municipal wellheads (the most common supply) to prevent their being contaminated and b)remediation of the aquifers that, by accident or by negligence, end up being contaminated. With the importance of this subject in mind, the American government established in 1987 the Wellhead Protection Program (Programa de Protecao de Pocos PPP)), inspired by similar European programs, for the delineation of the Wellhead Protection Area (Area de Protecao de Pocos (APP)) for each municipal wellhead. Due to the almost total lack of knowledge of this subject by Brazilian organizations, and to its critical importance, this master\'s thesis applies mathematical modeling to investigate the effects of the principal hydrogeologic parameters and processes involved in prevention (APP) of contamination as well as in its remediation. Although prevention and remediation use similar mathematical models, they are clearly distinct subjects, and they deserve individual treatment. The thesis, then, is divided into two parts: Part I: Investigate the effects of the principal hydrogeologic parameters on the delineation of APPs (to prevent groundwater contamination). Part II: Investigate the effects of geologic heterogeneity, hydraulic parameters and transport attenuation processes on the total time for remediation, when, despite the PPPs, contamination occurs and the concentration levels of the contaminants need to be reduced to acceptable levels to protect the public health and the natural environment. In part I the effects of the following parameters on APPs were investigated through analytical and numerical flow models: 1- regional gradient; 2- transmissivity; 3- anisotropy; 4- faults; 5- effective porosity. In part II the following parameters were investigated through the use of advective and dispersive transport models: 1- dispersivity; 2- retardation; 3- heterogeneity. The following are some of the results found in this thesis: 1- For a single well, pumping in a homogeneous isotropic aquifer, and using the Uniform Flow Analytical Model, the boundary limit of the developed APP is inversely proportional to the hydraulic conductivity, the thickness and the gradient of the aquifer and directly proportional to the pumping rate of the well. 2- The development of the APP in isotropic, homogeneous, sloping aquifers produces elipsoidal-shaped drawdown and equipotential curves. The simulation of the above situation, however, produces perfect circular drawdown curves because the available mathematical models for microcomputers do not account for the slope of the aquifer base, as suggested by Hantush (1964). If anisotropy is present, the simulated drawdown curves are elipsoidal (like the theoretical drawdown curves). 3- The asymptotic condition of the concentration of the contaminants in groundwater, subject to pump and treat, is shown to be able to be caused by heterogeneities of the aquifer, which involve areas of low and high hydraulic conductivity located throughout the contribution zone of the aquifer. 4- Of all the parameters investigated, hydraulic conductivity heterogeneity is the one that causes the most dramatic effects on APPs and remediation schemes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-26082015-142842 |
| Date | 01 April 1993 |
| Creators | Cleary, Maria Tereza de Castelo Branco Ferreira |
| Contributors | Cleary, Robert William |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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