CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOQUÍMICA DE AQÜÍFERO FRATURADO NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO SÃO DOMINGOS NW DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO - PDF
CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOQUÍMICA DE AQÜÍFERO FRATURADO NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO SÃO DOMINGOS NW DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
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Herman Palmeira Rosa
1 CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOQUÍMICA DE AQÜÍFERO FRATURADO NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO SÃO DOMINGOS NW DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Juliana Magalhães Menezes 1 ; Gerson Cardoso da Silva Jr. 1 ; Luana Alves de Lima 1. Resumo O presente trabalho teve como objetivo a caracterização hidrogeoquímica da Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos (BHRSD), localizada no Noroeste do Estado do Rio de Janeiro. Essa região vem sofrendo com a escassez dos recursos hídricos superficiais e a água subterrânea se tornou uma alternativa tanto para o abastecimento doméstico como para a agricultura. Os aqüíferos da BHRSD são de dois tipos: 1) aqüífero raso, aluvionar, constituído predominantemente por materiais arenosos inconsolidados; e 2) aqüífero fraturado profundo em geral de caráter semiconfinado, composto predominantemente por granulitos e migmatitos heterogêneos e brechas alternadas a materiais mais básicos, anfibolitos e ígneas com caráter intermediário. Realizou-se amostragem de água em 65 pontos da bacia, incluindo nascentes, poços rasos, poços profundos e pontos superficiais. Os resultados indicam que as águas são, predominantemente, bicarbonatadas-mistas com tendência a bicarbonatadas-sódicas. As águas do aqüífero raso apresentaram a maior variedade de tipos hidroquímicos, por conta da influência do tipo de solo e de processos que dependem da vegetação, clima e influência antrópica. Nas águas profundas, no entanto, há em maior quantidade os íons Ca +2 e Mg +2, o que deve refletir o maior tempo de contato da água subterrânea percolante com os materiais mais básicos e calciossilicatados. Abstract The objective of this work is to show the characteristics of groundwater and surface water in the São Domingos River Basin (BHRSD), located in the northwest region of Rio de Janeiro State, Brazil. The area has experienced a shortage of surface water supply, and deep and shallow wells have become an alternative to domestic and agriculture use. Aquifers of BHRSD are of two types: 1) shallow alluvial aquifer, constituted predominantly by unconsolidated sandy materials; and 2) deep semiconfined fractured aquifer, composed predominantly by granulites and heterogeneous migmatites and also by breccias and basic materials, such as amphibolites and igneous rocks with intermediate character. Field water sampling was executed in 65 points of the basin, including samples of springs, deep and shallow wells. Results indicate that the water is basically bicarbonatemixed with a tendency to bicarbonate-sodium. Shallow aquifer water presented the largest variety 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro, I. Geociências, Laboratório de Hidrogeologia, sala J0-05, CEP , RJ. Fone (21) XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 1
2 of hydrochemical classes, due to the influence of soil type and of processes that depend on the vegetation, climate and man influence. In the deep aquifer, however, there is a larger amount of Ca +2 and Mg +2 ions, reflecting probably a longer contact of percolating groundwater with basic materials and calciumsilicate rocks. Palavras-chave: hidrogeoquímica, rochas cristalinas, noroeste fluminense. 1 - INTRODUÇÃO Grande parte do território brasileiro está assentada sobre os terrenos cristalinos. Muitas vezes é no interior desses maciços que se encontram os únicos recursos hídricos possíveis de serem utilizados, já que os rigorosos períodos de seca, a grande densidade populacional ou ainda a utilização inadequada do solo para agricultura ao longo de séculos, tornam insuficientes as águas superficiais [1]. Até o início da década de 80 do século XX, só havia estudos sobre a ocorrência de água subterrânea nos terrenos cristalinos no semi-árido do Nordeste brasileiro, embora a perfuração de poços no cristalino seja muito anterior a essa época em todo o país [2]. Desse período em diante, muitos estudos vêm sendo realizados, inclusive no Sudeste do país, mas, ainda hoje, há muito para ser compreendido nesse sentido. Tal situação também ocorre em nível mundial, já que apenas muito recentemente estudos hidrogeológicos aprofundados dos aqüíferos cristalinos fraturados vêm sendo realizados [3, 4, 5, 6]. O presente estudo foi desenvolvido na área da Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos (BHRSD). Este rio é afluente do Rio Muriaé pertencente ao Complexo Hidrográfico do Rio Paraíba do Sul, e compreende a totalidade do município de São José de Ubá e parte do município de Itaperuna, no noroeste do Estado do Rio de Janeiro (Figura 1). A BHRSD é uma área predominantemente agrícola, sendo o município de São José de Ubá o terceiro maior produtor de tomates do estado do RJ. Essa cultura tem grande necessidade de água, sendo utilizada irrigação para seu desenvolvimento, boa parte desta com água subterrânea. O estudo integra o projeto Planejamento Conservacionista das Terras Visando a Recarga do Sistema Hídrico em Bacias Hidrográficas sobre o Embasamento Cristalino, que tem como objetivo proporcionar diretrizes para a otimização da recarga do sistema hídrico da BHRSD, através do planejamento integrado do uso e melhor manejo dos recursos naturais. Faz parte do Programa de Apoio ao Desenvolvimento de Tecnologias Agropecuárias para o Brasil PRODETAB/EMBRAPA e está sendo desenvolvido em parceria com diversas instituições, a saber: Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA - Centro Nacional de Pesquisas em Solos), Departamento de Recursos Minerais do Estado do Rio de Janeiro (DRM), Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ/Instituto de Geociências), Pontifícia Universidade Católica (PUC-Rio), Instituto Nacional de XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 2
3 Tecnologia (INT), Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente (FEEMA-Campos), Observatório Nacional (ON) e a Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). O estudo teve como objetivo principal a realização de uma caracterização hidrogeoquímica na BHRSD, no contexto da ocorrência de materiais cristalinos como substrato geológico, de forma a fornecer informações referentes necessárias ao gerenciamento desse recurso, para a mitigação dos problemas associados. Por ser a área de estudo constituída por rochas cristalinas, esse estudo se torna importante para as vastas regiões do Brasil que são constituídas por essas rochas. 2 - ÁREA DE ESTUDO De acordo com o mapa de favorabilidade hidrogeológica do estado do Rio de Janeiro [7], as informações existentes sobre as captações dos poços na região são predominantemente sobre o aqüífero fraturado. Isto não exclui a importância de alguns aqüíferos superficiais, principalmente pelo fato de que em algumas regiões, apesar do alto potencial, as águas contidas no aqüífero fraturado podem apresentar altos teores de ferro [8], por exemplo, fato que compromete bastante o seu uso. Conforme informações no CIDE [9], no Rio de Janeiro, é possível observar a predominância de rochas ígneas e metamórficas pré-cambrianas (Arqueozóico e Proterozóico) e de acordo com o trabalhos realizados [10], 84,5% da área cristalina do Estado do Rio de Janeiro está classificada como de favorabilidade boa, acima da média que geralmente é encontrada em áreas de cristalino. Isso se deve provavelmente à intensa deformação rúptil que grande parte do território fluminense sofreu ao longo do tempo geológico, em vários episódios deformacionais ao longo, principalmente, da chamada Faixa Paraíba do Sul, onde se localiza a área de estudo. XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 3
4 Figura 1. Localização da BHRSD no Estado do Rio de Janeiro e dos pontos de amostragem de água, classificados pelo tipo de corpo d água [8] Geologia Local O Departamento de Recursos Minerais do Estado do Rio de Janeiro (DRM/ RJ) elaborou um mapa 1: para a BHRSD, apresentado na figura 2. A este mapa, foram acrescentados os pontos, separados por origem, que foram usados para a amostragem de água na BHRSD. A área da BHRSD geologicamente pode ser dividida em dois domínios principais: a área de ocorrência do Complexo Juiz de Fora (rochas ortoderivadas) e o Complexo Paraíba do Sul (rochas metassedimentares marinhas) [11]. O Complexo Juiz de Fora compreende as rochas discriminadas no mapa como unidades São José de Ubá, São João do Paraíso e Vista Alegre, descritas a seguir, pela ordem de predominância territorial: p Iju - Unidade São José de Ubá: granulitos noríticos de coloração marrom acinzentada escura, de granulação fina a grosseira. Trata-se de uma brecha magmática de matriz afanítica de chert, envolvendo fragmentos angulosos de quartzo, calcedônia e de rocha; XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 4
5 p IIIjp - Unidade São João do Paraíso: migmatitos de coloração cinza-azulada, constituídos de biotita-plagioclásio-microclina gnaisses, geralmente porfiroblásticos, e de leptinitos. Englobam corpos de rochas da "suíte charnockítica" e núcleos de calciossilicatadas (granofels). p IIIva - Unidade Vista Alegre: complexa associação de migmatitos e metamorfitos extremamente heterogêneos, constituídos por biotita-plagioclásio gnaisses, leptinitos, com intercalações em proporções e dimensões variadas de granulitos enderbíticos e noríticos, enderbitos e charnockitos homogêneos e restritamente hornfelses, cataclasitos e milonitos enderbíticos. O Complexo Paraíba do Sul compreende as rochas paraderivadas das unidades Santo Eduardo e Catalunha, compreendendo as seguintes unidades: p Icl - Unidade Catalunha: migmatitos metatexíticos heterogêneos de coloração cinza arroxeada a amarelada, bem foliados ou mesmo laminados, constituídos por silimanita e granadabiotita-plagioclásio-quartzo gnaisses (gnaisses kinzigíticos), com granulação fina a média, equigranulares a porfiroblásticos. Incluem lentes de rocha calcissilicatada e corpos de mármore dolomítico (diopsídio mármore, forsterita mármore, etc), geralmente sob a forma de lentes alongadas. p IIse - Santo Eduardo: milonito gnaisse e blastomilonito predominantes, geralmente bandeados, porficlásticos e porfiroblásticos, portando intercalações de variada litologia além de intercalações de anfibólio - (biotita) gnaisse migmatizado interestratificado com quartzo xisto. A BHRSD é composta ainda por sedimentos fluviais recentes, do Quaternário: Qa - Sedimentos Fluviais: Depósitos de planície de inundação, canais fluviais, leques aluviais e tálus. XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 5
6 Figura 2: Mapa Geológico da Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos [11]. As rochas pré-cambrianas da bacia apresentam-se dobradas e milonitizadas. As zonas de cisalhamento possuem direção geral NE-SW. 3 - METODOLOGIA A partir da sobreposição dos mapas de classes de declividade, geologia, hidrografia, localização das culturas de tomate e estradas no software Arcview (versão 3.2 da ESRI), identificaram-se locais onde os pontos de amostragem deveriam ser alocados, de forma que toda a área da bacia fosse contemplada, assim como todas as unidades geológicas. Dessa forma foram identificados e georreferenciados 65 pontos de amostragem bem distribuídos ao longo da BHRSD, sendo 28 poços rasos, 8 nascentes, 10 poços profundos e 19 pontos superficiais (Figura 2). A coleta ocorreu em outubro de 2004 e foram obtidos in situ valores de temperatura, o ph, a condutividade elétrica, e alcalinidade total (método volumétrico com ampolas Titrets da Chemetrics). No Laboratório da Embrapa Solos foram analisados a alcalinidade total e o bicarbonato pelo método Titulométrico [12], os cátions foram obtidos pela técnica de análise elementar por espectroscopia de emissão por plasma ICP e os ânions foram obtidos utilizando-se um Cromatógrafo de íons Dionex- DX120. As análises de materiais sólidos na água foram realizadas no Laboratório de XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 6
7 Hidrogeologia da UFRJ, pelo método gravimétrico [12]. Todos os dados foram inseridos em Banco de Dados Georreferenciado. Para a análise dos dados, estes foram agrupados por tipo de água: superficial, nascente, poço raso e poço profundo. Em um segundo momento, os dados das análises químicas foram exportados para o software AquaChem (Aqueous Geochemical Data Analysis and Plotting, versão 3.7, da Waterloo Hydrogeologic) para elaboração de gráficos e diagramas para fins de caracterização hidrogeoquímica da BHRSD. Na terceira parte, os dados foram exportados para o software Arcview (versão 3.2 da ESRI), para que os resultados pudessem ser visualizados espacialmente e com temas sobrepostos. Dessa forma, criou-se uma base de dados geográficos com as informações do cadastro dos pontos d água e das análises físico-químicas. Em seguida a essa etapa foram realizadas as representações gráficas, processamento e elaboração dos resultados e interpretações conseqüentes, que deram origem às discussões e conclusões apresentadas ao fim do trabalho. 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES Foram delineadas as principais características das águas da BHRSD e estas foram classificadas segundo suas características químicas, conforme descrito a seguir Comportamento Hidrogeoquímico Geral O erro analítico para os íons maiores foi estimado a partir da Eletroneutralidade (E.N.). A média obtida foi de 2,96% e o desvio padrão de 0,16. Esses valores estão dentro do aceitável, já que um erro em torno de 2% é praticamente inevitável [13]. A partir da análise das informações da tabela 2 e do diagrama de Piper da figura 3, verificouse que, de maneira geral, as águas da BHRSD apresentaram características bicarbonatadas-mistas com tendência a bicarbonatadas-sódicas. Ocorreram, ainda, os tipos cloretadas-sódicas, bicarbonatadas-cálcicas, e também uma mescla dos tipos dominantes. A comparação dos ânions indicou que as águas se comportam de maneira homogênea, e se constatou a predominância do íon bicarbonato (HCO - 3 ) sobre o íon cloreto (Cl - ) e desses sobre o íon sulfato (SO -2 4 ). Esta característica é considerada muito comum para ambientes cristalinos, já que o conteúdo de Cl - e SO -2 4 nas rochas ígneas é, em geral, muito baixo [14]. A massa de HCO - 3 é devida ao CO 2 dissolvido, originário do ar atmosférico e do solo, da dissolução de calcitas e dolomitas que pode ocorrer em alguns trechos da BHRSD - e da hidrólise de silicatos em presença do CO 2, sendo também função do ph. No caso da BHRSD nenhuma amostra apresentou ph acima de 8,3, o que sugere que tratamse de águas de circulação rápida tamponadas pela alcalinidade do solo. Já no caso dos cátions, observou-se que o íon sódio (Na + ) predominou sobre os demais íons. E esses apresentaram XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 7
8 concentrações com uma variação menos regular, ora predominando o magnésio (Mg +2 ), ora o cálcio (Ca +2 ), mas nunca o potássio (K +2 ). Esse fato deve ser relacionado, principalmente, ao problema do intercâmbio catiônico que ocorre nos solos, como é explicado mais adiante. Em águas que percolam rochas cristalinas ácidas, os íons alcalinos são, em geral, predominantes. O Na + quase sempre é o cátion mais abundante, porque é liberado, principalmente, pelos plagioclásios e hornblendas, minerais que são presentes na região. De forma geral, o Ca +2 aparece em menores quantidades nessas rochas, tendo valor significativo nos dioritos e nos anfibólios, também presentes na área. A presença de Ca +2 e Mg +2 em maior quantidade ocorre de modo bastante evidente nas amostras de água dos poços profundos, o que reflete o maior tempo de contato da água subterrânea percolante com materiais mais básicos (anfibolitos, ígneas com caráter intermediário) como observado na figura 3. O íon Mg +2 tem a sua distribuição na área ocorrendo de modo menos regular, com grande dispersão de resultados, provavelmente devido à heterogeneidade dos materiais percolados. Figura 3: Diagrama de Piper ilustrando as composições químicas entre as águas subterrâneas provenientes dos poços rasos (escavados) e dos poços profundos, das nascentes e dos pontos superficiais da BHRSD. O círculo verde mostra a concentração da maioria das amostras e o círculo vermelho aponta a concentração dos poços profundos. É possível fazer algumas considerações a partir do diagrama de Piper (Figura 3). Esse mostra que em 60% das amostras, os alcalinos terrosos excederam os alcalinos. E que em 89%, os ácidos XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 8
9 fracos (HCO - 3 ) excederam os ácidos fortes (Cl -, SO -2 4 ) e em 28% das amostras analisadas, nenhum par de cátion-ânion excedeu 50%, principalmente, nas águas das nascentes, onde metade das amostras foi encontrada nessa situação. Tal situação reflete um ambiente de percolação das águas subterrâneas bastante heterogêneo, com fenômenos de dissolução em sub-superfície dominados pela ação do ácido carbônico em porções rasas do perfil do subsolo Dureza A classificação das águas em relação à dureza [15] encontra-se na tabela 1. As águas mais duras são as de origem profunda, mostrando maior predominância dos íons cálcio e magnésio. Todos os usuários dos poços profundos entrevistados reclamaram sobre a dureza das águas subterrâneas, já que essas são incrustantes e produzem grande consumo de sabão. Alguns poços da prefeitura de São José de Ubá contam com sistemas de abrandamento da dureza, aparentemente pouco efetivos. Esse problema, portanto, é um importante elemento na avaliação das águas subterrâneas profundas dos aqüíferos cristalinos da região, já que 80% das águas analisadas em poços profundos apresentam esse tipo de problema. Tabela 1. Classificação das águas da BHRSD segundo a dureza em mg/l de CaCO 3. Tipos de Dureza Teor de CaCO 3 (mg/l) Nascentes (%) Poços rasos (%) Poços profundos (%) Pontos superficiais (%) Branda Pouco Dura Dura % Muito Dura > XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 9
10 Tabela 2. Principais ânions e cátions em meq/l das amostras da BHRSD. ID Na Ca Mg K Fe HCO 3 Cl SO 4 1N N N N N N R N N N R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R P R P P P P P P P P P P S S S S S S S S S S S S S S S S S S N= Nascentes, R= Poços rasos, P= Poços profundos, S= Pontos superficiais. XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 10
11 4.3 - Índice de troca de bases O sentido da troca de bases ocorre em direção a um equilíbrio das bases presentes na água e nos materiais mais finos do aqüífero, como já exposto. Três tipos de índices de troca de bases (itb) foram calculados, tendo como referência os trabalhos consagrados [15,16, 17], sendo eles: itb1 rhco = r( Ca + Mg ) 3 rcl + + ( Na + K ) itb 2 = rcl (2) itb 3 = r + + rcl r( Na + K ) 2 ( SO + HCO + NO ) (1) (3) Na maioria das amostras os índices itb calculados a partir das expressões supracitadas foram negativos. Esses resultados indicam, de acordo com as equações 1 e 2, uma deficiência de íons de Ca +2, que provém, em geral, da troca do Ca +2 por Na +. Por isso a predominância do tipo hidroquímico bicarbonatado-sódico sobre o bicarbonatado-cálcico. Quanto à equação 3, os resultados negativos sugerem uma água que inicialmente teve uma composição iônica equilibrada, do tipo alcalino-terroso (Ca +2 +Mg +2 =SO NO 3- ) e que sofreu uma troca com íons alcalinos do aqüífero. Os índices de troca de base analisados indicam uma troca do Ca +2 pelo Na + e a ocorrência de um processo de salinização do solo. Considerou-se, porém, o fato da água estar circulando em rochas cristalinas que, quase sempre, possuem os índices negativos pela simples dissolução das rochas, que liberam mais íons alcalinos do que íons de cloreto. Um pequeno número de amostras, 17%, obteve o itb positivo. De forma geral, o itb da água subterrânea é próximo a zero. Mas em algumas dessas amostras os índices foram bem maiores, indicando a ocorrência de um processo de endurecimento da água. Essas amostras estão concentradas nas localidades de Barro Branco e Santa Maria/Cambiocó, possivelmente o mapa geológico mais detalhado, em elaboração [18], indicaria diferenças nas características litológicas, o que explicaria melhor esses resultados. 5. CONCLUSÕES A composição química das águas da Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos foi definida, predominantemente, como bicarbonatada-mista com tendência à bicarbonatada-sódica. Entre as águas das nascentes, o tipo hidroquímico bicarbonatado-sódico prevaleceu sobre os demais; as águas do aqüífero raso foram as que apresentaram a maior variedade de tipos hidroquímicos, XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 11
12 por conta da influência do tipo de solo e de processos que dependem da vegetação, clima e influência antrópica, mas a maioria das amostras classificou-se como bicarbonatada-sódica ou bicarbonatadamista. Nas águas profundas, no entanto, a presença de Ca +2 e Mg +2 em maior quantidade ocorre de modo bastante evidente, o que deve refletir o maior tempo de contato da água subterrânea percolante com materiais mais básicos, anfibolitos, ígneas com caráter intermediário; já as águas superficiais foram classificadas em 90% das suas amostras como bicarbonatada mista. Em 28% das amostras analisadas, nenhum par de cátion-ânion excedeu 50%, refletindo um ambiente de percolação das águas subterrâneas bastante heterogêneo, com fenômenos de dissolução em sub-superfície dominados pela ação do ácido carbônico em porções rasas do perfil do subsolo. As águas mais duras são as de origem profunda, 80% das águas dos poços profundos analisadas apresentaram dureza e mostraram maior predominância dos íons cálcio e magnésio. Suspeita-se de alguma litologia, particularmente, suscetível à dissolução, como materiais carbonáticos metamórficos ou ainda processos de evaporação em sistemas fratura-solo, comuns em ambientes mais áridos, hipótese a ser comprovada em estudos mais dirigidos. Na maioria das amostras os índices de troca de bases calculados foram negativos. Indicando uma deficiência de íons de Ca +2, que provém em geral da troca do Ca +2 por Na +. Por isso, estaria predominando o tipo hidroquímico bicarbonatado-sódico. Considera-se, porém, o fato de a água estar circulando em rochas cristalinas que, quase sempre, possuem os índices negativos pela simples dissolução das rochas, que liberam mais íons alcalinos do que de cloreto. 6. AGRADECIMENTOS À população da BHRSD, à Embrapa Solos (Rachel Bardy Prado, Daniel Perez, Fabiano de Oliveira Araújo, Flávio Barbosa Bezerra, Viviane Escaleira e Luciana Rios) e ao DRM (Kátia Mansur, Aderson Martins Marques, Thaís Salgado Pimenta, Luis Gomes de Carvalho e Francisco Dourado) pela infra-estrutura, auxílio na coleta de campo e nas análises laboratoriais. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] LADEIRA, E. A. Contribuição da Geologia Estrutural à Pesquisa de Águas Subterrâneas em Rochas Cristalinas. Revista Brasileira de Águas Subterrâneas, n p XIV Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas 12
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