Análise de conflitos de usos múltiplos da água auxiliada por simulação computacional: bacia do rio Sapucaí - Mirim/Grande

Na mesma proporção que fontes de água potável são reduzidas, a competição por elas tem aumentado, conseqüência imediata da expansão de áreas urbanas e de novas demandas agro-industriais. Os conflitos gerados por esta competição tendem a comprometer o desenvolvimento sustentável e o progresso de uma forma geral, uma vez que resultam em perda de eficácia para vultuosos investimentos públicos e privados e em prejuízos para os usuários menos estruturados. Considerando os fatos acima, o objeto deste trabalho é o estabelecimento de cenários de alocação das disponibilidades hídricas entre usuários de água da bacia do Sapucaí-Mirim/Grande, visando determinar a convivência harmoniosa das várias finalidades de uso provenientes do mesmo recurso hídrico. Tal meta poderá ser alcançada através da análise dos indicadores de desempenho - confiabilidade, vulnerabilidade e resiliência - do sistema os quais serão obtidos com o auxílio do modelo de simulação IRAS (Interactive River Aquifer Simulation).

Investigação de aquífero fraturado para entendimento de fluxo e transporte de contaminantes clorados: estudo de caso em Valinhos, SP

Casos de contaminação de aquíferos fraturados são bastante complexos, tendo em vista a heterogeneidade das redes de fraturas, e no geral, sua investigação demanda a utilização de técnicas pouco usuais, como por exemplo o imageamento acústico e a perfilagem de velocidade de fluxo de água. Na área de estudo, localizada em Valinhos/SP, o uso inadequado de solventes organoclorados no passado ocasionou a contaminação do aquífero raso em duas áreas, e o aparecimento de concentrações no aquifero profundo levaram a condução do atual trabalho, que teve como principal objetivo a elaboração de um modelo conceitual de fluxo de água e transporte de contaminantes no aquífero cristalino. Previamente à investigação do aquífero fraturado, foi realizada uma análise de trabalhos existentes, incluindo a interpretação de lineamentos, levantamentos geológicos além de perfilagens geofísicas de superfície. Em cada área investigada, foi realizada a perfuração de um poço profundo e aplicadas as técnicas de perfilagens de raios gama, cáliper, flowmeter, imageamento acústico, além da filmagem do poço e realização de ensaios hidráulicos nos dois pontos perfurados. Para caracterização química do aquífero fraturado, foram realizadas coletas de água subterrânea em intervalos selecionados com a utilização de obturadores pneumáticos. As cargas hidráulicas medidas durante a amostragem também auxiliaram no entendimento da direção do fluxo de água. O aquífero cristalino é formado por rochas gnáissicas e se encontra bastante fraturado e intemperizado, principalmente na porção superficial da rocha (até aproximadamente 65,0 m) onde as maiores velocidades de fluxo de água também foram observadas. A rocha sã possui uma menor densidade de fraturas e predominância de minerais mais claros. As fraturas de baixo a médio angulo de mergulho (Grupo 1) são as mais frequentes em ambas as perfurações e possuem direção principal N-S a NE-SW. São observadas, no geral, exercendo grande influência sobre o fluxo de água, principalmente na porção alterada do gnaisse. Fraturas com ângulo elevado de mergulho, classificadas como Grupo 2 (paralelas à foliação) e Grupo 3 (direção NW à W), são também observadas ao longo de toda a perfuração estabelecendo a conexão hidráulica entre as fraturas do Grupo 1. Em menor proporção, são ainda verificadas fraturas com ângulos de mergulho >40 ° pertencente aos Grupos 4 (NE-SW), 5 (E-W), 6 (NW-SE) e 7 (E-W). O fluxo de água subterrânea se mostrou descendente na porção superior da rocha alterada e ascendente na porção mais profunda, possivelmente direcionando a água subterrânea para a região de transição da rocha mais alterada para a rocha sã (entre 61 a 65 m de profundidade). Apesar do fluxo ascendente em profundidade, o bombeamento de poços tubulares existentes no entorno ao longo dos anos, favoreceu a migração dos contaminantes para porções mais profundas. Os contaminantes observados no poço tubular P6 possuem maior semelhança com os contaminantes observados na Área 2, e ambos estão localizados entre lineamentos NW-SE, indicando uma possível influência dos lineamentos no controle sobre o fluxo de água. No entanto, para entendimento do transporte dos contaminantes em área, é necessário um adensamento da rede de monitoramento, levando em consideração a heterogeneidade do meio e as incertezas relacionadas à extrapolação dos dados para áreas não investigadas.

Aplicação de métodos geoestatísticos no estudo das distribuições espaciais de condutividade hidráulica em áreas do Sistema Aquífero Guarani (SAG) e do Sistema Aquífero Bauru (SAB) no Estado de São Paulo

A condutividade hidráulica (K) é um dos parâmetros controladores da magnitude da velocidade da água subterrânea, e consequentemente, é um dos mais importantes parâmetros que afetam o fluxo subterrâneo e o transporte de solutos, sendo de suma importância o conhecimento da distribuição de K. Esse trabalho visa estimar valores de condutividade hidráulica em duas áreas distintas, uma no Sistema Aquífero Guarani (SAG) e outra no Sistema Aquífero Bauru (SAB) por meio de três técnicas geoestatísticas: krigagem ordinária, cokrigagem e simulação condicional por bandas rotativas. Para aumentar a base de dados de valores de K, há um tratamento estatístico dos dados conhecidos. O método de interpolação matemática (krigagem ordinária) e o estocástico (simulação condicional por bandas rotativas) são aplicados para estimar os valores de K diretamente, enquanto que os métodos de krigagem ordinária combinada com regressão linear e cokrigagem permitem incorporar valores de capacidade específica (Q/s) como variável secundária. Adicionalmente, a cada método geoestatístico foi aplicada a técnica de desagrupamento por célula para comparar a sua capacidade de melhorar a performance dos métodos, o que pode ser avaliado por meio da validação cruzada. Os resultados dessas abordagens geoestatísticas indicam que os métodos de simulação condicional por bandas rotativas com a técnica de desagrupamento e de krigagem ordinária combinada com regressão linear sem a técnica de desagrupamento são os mais adequados para as áreas do SAG (rho=0.55) e do SAB (rho=0.44), respectivamente. O tratamento estatístico e a técnica de desagrupamento usados nesse trabalho revelaram-se úteis ferramentas auxiliares para os métodos geoestatísticos.

Migração de solutos em basalto fraturado: quantificação experimental em laboratório e validação matemática

A avaliação do risco a contaminação e a escolha de técnicas de remediação de poluentes em aquíferos fraturados depende da quantificação dos fenômenos envolvidos no transporte de solutos. A geometria da fratura, usualmente caracterizada pela abertura, é o principal parâmetro que indiretamente controla o transporte nos aquíferos fraturados. A simplificação mais comum desse problema é assumir que as fraturas são um par de placas planas e paralelas, isto é, com uma abertura constante. No entanto, por causa do limitado número de trabalhos experimentais, não está esclarecida a adequabilidade do uso de uma abertura constante para simular o transporte conservativo em fraturas do Aquífero Serra Geral (ASG), Brasil. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da abertura de uma fratura natural do Aquífero Serra Geral sob o transporte conservativo de solutos. Uma amostra natural de basalto fraturado foi usada em um experimento hidráulico e de transporte de um traçador conservativo (escala de laboratório). O campo de abertura foi medido usando a técnica avançada, de alta resolução e tridimensional, chamada microtomografia computadorizada de raios-X. A concentração de traçador medida foi utilizada para validar uma solução analítica unidimensional da Equação de Advecção-dispersão (ADE). O desemprenho do ajuste da ADE às curvas de passagem experimentais foi avaliado para quatro diferentes tipos de aberturas constantes. Os resultados mostraram que o escoamento de água e o transporte de contaminantes pode ocorrer através de fraturas micrométricas, ocasionando, eventualmente, a contaminação do ASG. A abertura de balanço de massa é a única que pode ser chamada propriamente de \"abertura equivalente\". O uso de aberturas constantes na ADE não permitiu representar completamente o formato das curvas de passagem porque o campo de velocidade não é uniforme e intrinsicamente bidimensional. Portanto, na simulação do transporte deve-se incorporar a heterogeneidade da abertura da fratura.

Estudo da remediação de um aquífero contaminado com sulfato e metais através de barreira reativa permeável orgânica.

Este trabalho teve como objetivo geral estudar a viabilidade técnica de utilizar bagaço de cana como meio reativo de barreiras reativas permeáveis (BRP) para remoção de sulfato e metais de águas subterrâneas contaminadas. O estudo baseou-se em investigação experimental, por meio de ensaios laboratoriais de coluna, e em modelagem matemática, para a qual utilizaram-se também alguns dados obtidos em um estudo de caso de uma unidade industrial contaminada com sulfato e metais. Neste local contaminado, as características hidrogeológicas e topográficas propiciam a utilização de uma barreira reativa permeável como técnica de remediação. Barreiras reativas permeáveis são uma alternativa para remediação de águas subterrâneas que vem progredindo rapidamente na última década, a partir de ensaios de bancada e coluna em laboratório para implementação em escala real em campo. Três colunas bióticas foram montadas utilizando bagaço de cana como meio reativo e um material de base poroso constituído de areia e cascalho para fornecer adequada condutividade hidráulica, com a proporção de 1:28 em massa seca. Também foi adicionado ao meio reativo um inóculo bacteriano composto por esterco bovino dissolvido. Uma quarta coluna, sem inóculo e contendo um agente biocida, compôs o experimento branco (abiótico). Uma solução sintética foi introduzida nas colunas simulando condições da água subterrânea do estudo de caso, com velocidade de Darcy em torno de 2,0x10-7 m/s composta por sulfato e metais (zinco e níquel) com concentrações de 6.000 mg/L e 15 mg/L, respectivamente. Os resultados das análises da fase líquida das colunas bióticas apresentaram: (i) média da taxa de remoção de sulfato durante todo o tempo do experimento de 49 mg/L/dia; (ii) as concentrações de Zn e Ni diminuíram de 15 mg/L para valores não detectáveis pela técnica analítica utilizada (< 0,01 mg/L); (iii) aumento do pH de 5.5-5.8 para valores entre 6,8-8,0; (iv) redução do valor do potencial de óxido redução (Eh) para valores de até -200mV. Não foram observadas reduções das concentrações de metais e sulfato na fase líquida da coluna abiótica e os valores de pH e Eh permaneceram dentro das faixas iniciais. Análises nas fases sólidas das colunas bióticas por MEV e EDS após o término do experimento identificaram a presença de Ni, Zn, S e Mn, indicando a precipitação desses metais em forma de sulfetos. Estes elementos não foram detectados na fase sólida da coluna abiótica. Assim, pôde-se inferir que toda a remoção de sulfato verificada nas colunas bióticas pode ser atribuída a redução bacteriana de sulfato. A partir das condições experimentais dos ensaios, foi realizada a modelagem e o dimensionamento da BRP. Para a estimativa da cinética de redução de sulfato, aplicou-se a solução analítica de Van Genuchten para transporte de contaminantes com degradação, obtendo-se uma taxa de decaimento de primeira ordem de 0,01 dia-1. A determinação da espessura e tempo de residência da barreira foi realizada considerando que a concentração de sulfato na saída da barreira fosse menor ou igual a 250 mg/L. O resultado do dimensionamento de uma BRP preenchida com bagaço de cana e areia nas proporções de 1:28 em massa seca resultaria em uma BRP de 7,1 m de espessura, com tempo de residência de 950 dias, no local de estudo de caso. Caso fosse utilizado o dobro da proporção de bagaço de cana e areia em massa seca (1:14), a implantação da BRP apresentar-se-ia viável, com espessura aproximada de 4 m. Através destes resultados, pôde ser comprovada a hipótese de que bagaço de cana como substrato e esterco bovino como inóculo compõem um meio reativo viável para a redução de sulfato e precipitação de metais em uma BRP.

Advanced interpretation of subsidence in Murcia (SE Spain) using A-DInSAR data – modelling and validation

Subsidence is a natural hazard that affects wide areas in the world causing important economic costs annually. This phenomenon has occurred in the metropolitan area of Murcia City (SE Spain) as a result of groundwater overexploitation. In this work aquifer system subsidence is investigated using an advanced differential SAR interferometry remote sensing technique (A-DInSAR) called Stable Point Network (SPN). The SPN derived displacement results, mainly the velocity displacement maps and the time series of the displacement, reveal that in the period 2004–2008 the rate of subsidence in Murcia metropolitan area doubled with respect to the previous period from 1995 to 2005. The acceleration of the deformation phenomenon is explained by the drought period started in 2006. The comparison of the temporal evolution of the displacements measured with the extensometers and the SPN technique shows an average absolute error of 3.9±3.8 mm. Finally, results from a finite element model developed to simulate the recorded time history subsidence from known water table height changes compares well with the SPN displacement time series estimations. This result demonstrates the potential of A-DInSAR techniques to validate subsidence prediction models as an alternative to using instrumental ground based techniques for validation.

Relationship between piezometric level and ground deformations measured by means of DInSAR in the Vega Media of the Segura River (Spain)

Differential SAR Interferometry (DInSAR) is a remote sensing method with the well demonstrated ability to monitor geological hazards like earthquakes, landslides and subsidence. Among all these hazards, subsidence involves the settlement of the ground surface affecting wide areas. Frequently, subsidence is induced by overexploitation of aquifers and constitutes a common problem that affects developed societies. The excessive pumping of underground water decreases the piezometric level in the subsoil and, as a consequence, increases the effective stresses with depth causing a consolidation of the soil column. This consolidation originates a settlement of ground surface that must be withstood by civil structures built on these areas. In this paper we make use of an advanced DInSAR approach - the Coherent Pixels Technique (CPT) [1] - to monitor subsidence induced by aquifer overexploitation in the Vega Media of the Segura River (SE Spain) from 1993 to the present. 28 ERS-1/2 scenes covering a time interval of about 10 years were used to study this phenomenon. The deformation map retrieved with CPT technique shows settlements of up to 80 mm at some points of the studied zone. These values agree with data obtained by means of borehole extensometers, but not with the distribution of damaged buildings, well points and basements, because the occurrence of damages also depends on the structural quality of the buildings and their foundations. The most interesting relationship observed is the one existing between piezometric changes, settlement evolution and local geology. Three main patterns of ground surface and piezometric level behaviour have been distinguished for the study zone during this period: 1) areas where deformation occurs while ground conditions remain altered (recent deformable sediments), 2) areas with no deformation (old and non-deformable materials), and 3) areas where ground deformation mimics piezometric level changes (expansive soils). The temporal relationship between deformation patterns and soil characteristics has been analysed in this work, showing a delay between them. Moreover, this technique has allowed the measurement of ground subsidence for a period (1993-1995) where no instrument information was available.

Monitorización de la subsidencia del terreno en la Vega Media del río Segura mediante Interferometría SAR diferencial (DInSAR)

Ground subsidence caused by aquifer exploitation is a geotechnical hazard that affects wide areas, causing important economic damages. This phenomenon is due to soil consolidation produced by the increase of effective stress caused by piezometric depletion. In this work a Remote Sensing Technique called Coherent Pixel (CPT) is applied to monitor subsidence in the Vega Media of the Segura River during a period of eleven years.

Subsidence activity maps derived from DInSAR data: Orihuela case study

A new methodology is proposed to produce subsidence activity maps based on the geostatistical analysis of persistent scatterer interferometry (PSI) data. PSI displacement measurements are interpolated based on conditional Sequential Gaussian Simulation (SGS) to calculate multiple equiprobable realizations of subsidence. The result from this process is a series of interpolated subsidence values, with an estimation of the spatial variability and a confidence level on the interpolation. These maps complement the PSI displacement map, improving the identification of wide subsiding areas at a regional scale. At a local scale, they can be used to identify buildings susceptible to suffer subsidence related damages. In order to do so, it is necessary to calculate the maximum differential settlement and the maximum angular distortion for each building of the study area. Based on PSI-derived parameters those buildings in which the serviceability limit state has been exceeded, and where in situ forensic analysis should be made, can be automatically identified. This methodology has been tested in the city of Orihuela (SE Spain) for the study of historical buildings damaged during the last two decades by subsidence due to aquifer overexploitation. The qualitative evaluation of the results from the methodology carried out in buildings where damages have been reported shows a success rate of 100%.

Efectos del cambio climático y usos del suelo sobre los recursos hídricos de la cuenca del río Tordera (Barcelona, España)

Se presentan los efectos del cambio global en la cuenca del río Tordera (España) para el periodo 2000-2050, escenarios climáticos A2 (medio-alto) definidos por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC, 200) y escenarios socioeconómicos (cambios previstos en la cuenca) denominados estable y tendencial. Los efectos sobre los recursos hídricos se han analizado de forma conjunta superficial-subterránea mediante una metodológica de tipo acoplado. Para establecer los impactos futuros sobre los recursos hídricos se ha seleccionado el Modelo de Circulación Global ECHAM5 (Max Planck Institute). Los resultados obtenidos indican una disminución de la precipitación del 11.3% y un aumento de la temperatura de 1ºC, respecto a los valores históricos de la zona. De acuerdo a la proyección futura (2050) sobre cambios en los recursos hídricos, la escorrentía superficial obtenida mediante simulación con el código HEC-HMS 3.4 experimenta una reducción del 31.8% respecto al valor histórico y la recarga natural, estimada mediante VISUAL-Balan, se reduce en un 11.7%. El balance en el acuífero deltaico simulado mediante MODFLOW 2009.1 Pro muestra igualmente una disminución de los parámetros del balance. Los cambios del uso del suelo previstos de acuerdo a la legislación vigente (escenarios socioeconómicos) no conducen a la generación de un impacto apreciable en los recursos hídricos; según los escenarios definidos la variación de precipitación y temperatura son los parámetros fundamentales del cambio previsto.

Twenty-year advanced DInSAR analysis of severe land subsidence: The Alto Guadalentín Basin (Spain) case study

A twenty-year period of severe land subsidence evolution in the Alto Guadalentín Basin (southeast Spain) is monitored using multi-sensor SAR images, processed by advanced differential interferometric synthetic aperture radar (DInSAR) techniques. The SAR images used in this study consist of four datasets acquired by ERS-1/2, ENVISAT, ALOS and COSMO-SkyMed satellites between 1992 and 2012. The integration of ground surface displacement maps retrieved for different time periods allows us to quantify up to 2.50 m of cumulated displacements that occurred between 1992 and 2012 in the Alto Guadalentín Basin. DInSAR results were locally compared with global positioning system (GPS) data available for two continuous stations located in the study area, demonstrating the high consistency of local vertical motion measurements between the two different surveying techniques. An average absolute error of 4.6 ± 4 mm for the ALOS data and of 4.8 ± 3.5 mm for the COSMO-SkyMed data confirmed the reliability of the analysis. The spatial analysis of DInSAR ground surface displacement reveals a direct correlation with the thickness of the compressible alluvial deposits. Detected ground subsidence in the past 20 years is most likely a consequence of a 100–200 m groundwater level drop that has persisted since the 1970s due to the overexploitation of the Alto Guadalentín aquifer system. The negative gradient of the pore pressure is responsible for the extremely slow consolidation of a very thick (> 100 m) layer of fine-grained silt and clay layers with low vertical hydraulic permeability (approximately 50 mm/h) wherein the maximum settlement has still not been reached.

Regional subsidence modelling in Murcia city (SE Spain) using 1-D vertical finite element analysis and 2-D interpolation of ground surface displacements

Subsidence is a hazard that may have natural or anthropogenic origin causing important economic losses. The area of Murcia city (SE Spain) has been affected by subsidence due to groundwater overexploitation since the year 1992. The main observed historical piezometric level declines occurred in the periods 1982–1984, 1992–1995 and 2004–2008 and showed a close correlation with the temporal evolution of ground displacements. Since 2008, the pressure recovery in the aquifer has led to an uplift of the ground surface that has been detected by the extensometers. In the present work an elastic hydro-mechanical finite element code has been used to compute the subsidence time series for 24 geotechnical boreholes, prescribing the measured groundwater table evolution. The achieved results have been compared with the displacements estimated through an advanced DInSAR technique and measured by the extensometers. These spatio-temporal comparisons have showed that, in spite of the limited geomechanical data available, the model has turned out to satisfactorily reproduce the subsidence phenomenon affecting Murcia City. The model will allow the prediction of future induced deformations and the consequences of any piezometric level variation in the study area.

A hydrological–economic model for sustainable groundwater use in sparse-data drylands: Application to the Amtoudi Oasis in southern Morocco, northern Sahara

A hydrological–economic model is introduced to describe the dynamics of groundwater-dependent economics (agriculture and tourism) for sustainable use in sparse-data drylands. The Amtoudi Oasis, a remote area in southern Morocco, in the northern Sahara attractive for tourism and with evidence of groundwater degradation, was chosen to show the model operation. Governing system variables were identified and put into action through System Dynamics (SD) modeling causal diagrams to program basic formulations into a model having two modules coupled by the nexus ‘pumping’: (1) the hydrological module represents the net groundwater balance (G) dynamics; and (2) the economic module reproduces the variation in the consumers of water, both the population and tourists. The model was operated under similar influx of tourists and different scenarios of water availability, such as the wet 2009–2010 and the average 2010–2011 hydrological years. The rise in international tourism is identified as the main driving force reducing emigration and introducing new social habits in the population, in particular concerning water consumption. Urban water allotment (PU) was doubled for less than a 100-inhabitant net increase in recent decades. The water allocation for agriculture (PI), the largest consumer of water, had remained constant for decades. Despite that the 2-year monitoring period is not long enough to draw long-term conclusions, groundwater imbalance was reflected by net aquifer recharge (R) less than PI + PU (G < 0) in the average year 2010–2011, with net lateral inflow from adjacent Cambrian formations being the largest recharge component. R is expected to be much less than PI + PU in recurrent dry spells. Some low-technology actions are tentatively proposed to mitigate groundwater degradation, such as: wastewater capture, treatment, and reuse for irrigation; storm-water harvesting for irrigation; and active maintenance of the irrigation system to improve its efficiency.

Vinasse application to sugar cane fields. Effect on the unsaturated zone and groundwater at Valle del Cauca (Colombia)

Extensive application of vinasse, a subproduct from sugar cane plantations for bioethanol production, is currently taking place as a source of nutrients that forms part of agricultural management in different agroclimatic regions. Liquid vinasse composition is characterised by high variability of organic compounds and major ions, acid pH (4.7), high TDS concentration (117,416–599,400 mg L− 1) and elevated EC (14,350–64,099 μS cm− 1). A large-scale sugar cane field application is taking place in Valle del Cauca (Colombia), where monitoring of soil, unsaturated zone and the aquifer underneath has been made since 2006 to evaluate possible impacts on three experimental plots. For this assessment, monitoring wells and piezometers were installed to determine groundwater flow and water samples were collected for chemical analysis. In the unsaturated zone, tensiometers were installed at different depths to determine flow patterns, while suction lysimeters were used for water sample chemical determinations. The findings show that in the sandy loam plot (Hacienda Real), the unsaturated zone is characterised by low water retention, showing a high transport capacity, while the other two plots of silty composition presented temporal saturation due to La Niña event (2010–2011). The strong La Niña effect on aquifer recharge which would dilute the infiltrated water during the monitoring period and, on the other hand dissolution of possible precipitated salts bringing them back into solution may occur. A slight increase in the concentration of major ions was observed in groundwater (~ 5% of TDS), which can be attributed to a combination of factors: vinasse dilution produced by water input and hydrochemical processes along with nutrient removal produced by sugar cane uptake. This fact may make the aquifer vulnerable to contamination.

Subsidence damage assessment of a Gothic church using differential interferometry and field data

The Santas Justa and Rufina Gothic church (fourteenth century) has suffered several physical, mechanical, chemical, and biochemical types of pathologies along its history: rock alveolization, efflorescence, biological activity, and capillary ascent of groundwater. However, during the last two decades, a new phenomenon has seriously affected the church: ground subsidence caused by aquifer overexploitation. Subsidence is a process that affects the whole Vega Baja of the Segura River basin and consists of gradual sinking in the ground surface caused by soil consolidation due to a pore pressure decrease. This phenomenon has been studied by differential synthetic aperture radar interferometry techniques, which illustrate settlements up to 100 mm for the 1993–2009 period for the whole Orihuela city. Although no differential synthetic aperture radar interferometry information is available for the church due to the loss of interferometric coherence, the spatial analysis of nearby deformation combined with fieldwork has advanced the current understanding on the mechanisms that affect the Santas Justa and Rufina church. These results show the potential interest and the limitations of using this remote sensing technique as a complementary tool for the forensic analysis of building structures.