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Por: Clearly, Robert William;
Miller, David W.
São Paulo, 1984
ResumoO Brasil, como todos os países em ritmo acelerado de
industrialização, tem serios problemas de poluição de àgua subterrânea que estão
afetando ou ameaçando afetar os abastecimentos de àgua potável de importantes segmentos
da população. Como esta forma de poluição ambiental é comparativamente nova, em
relação aos problemas bem conhecidos de poluição do ar e da àgua de superficie, os
dados disponíveis são escassos, bem como, os conhecimentos das causas, mecanismos e
métodos de caracterização. Este trabalho descreve os fatores hidrológicos e
geológicos que afetam a extensão e intensidade de poluição de água subterránea e a
formação de manchas de poluição nas zonas saturada e não-saturada. Todas as maiores
fontes de contaminação são discutidas, inclusive os tipos quimicos, efeitos de
densidade, reações quimicas e comportamento de adsorção. IntroduçãoUm dos infortunados resultados dos países em ritmo
acelerado de industrilização, é as grandes quantidades dos resíduos químicos
inevitavelmente produzidos e que na maioria dos casos são vistos eventualmente na forma
de poluição do ar, da água ou da terra. Antes de 1976, quando o congresso national dos Estados Unidos aprovou a lei que se chama RCRA (Resource Conservation and Recovery Act), os Estados Unidos tinham leis rigorosas que os protegiam contra poluição do ar e da água superficie. Porém, não haviam leis contra "poluição da terra" e portanto milhares de indústrias aproveitaram desta situação e despejaram seus resíduos em lagoas, poços de injeção e atêrros. O congresso nacional reconhecendo sua responsibilidade de proteger todo o meio ambiental aprovou RCRA e assim criou a legilação mais rigorosa de poluição de água subterrânea no mundo. A lei afeta todas as indústrias que produzem, tratam ou armazenam resíduos perigosos. Desde a lei a EPA (agencia federal de proteção do meio ambiental) tem descoberto mais de 32.000 lugares que são considerados perigosos à saúde pública com 518 desses classificados como Superfund Sites (definidos como os lugares mais perigosos que deverão receber atenção imediata através uma outra lei que se chama CERCLA). Enquanto esses Superfund Sites estão sendo tratados, os advogados estão iniciando as ações legais contra os responsáveis para recuperar os custos caros. Hoje em dia, poluição de àgua subterrânea é a primeira prioridade da EPA. No Brasil, a falta de monitoramente em milhares de locais onde há um potencial para contaminação, juntamente com a falta de uma análise abran gente da qualidade da água em centenas de milhares de poços, elimina a possibilidade de uma determinação confiável da extensão e severidade da degradação de água subterrânea e os riscos para a saúde da população. Na falta de programas de monitoramento, segmentos de importantes aquíferos se degradaram e podem estar perdidos para sempre como fontes de água potável. Mais relevante é porcoes da população têm sido exposta a águas potáveis contaminadas quimicamente por períodos de tempo desconhecidos. Enquanto não há estatisticas detalhadas a respeito de poluição de água subterránea no Brasil, pode-se ver o desenvolvimento incrível de indústrias nos últimos vinte anos e notando as mesmas industrias nos países que têm dados de poluição de água subterrânea é facil ver que tal poluição deve existir no Brasil e agora é simplesmente uma questão de montar um programa de monitoramento para a descobrir as recentes descobertas de contaminação de água subterrânea por gasolina no estado de São Paulo não são incidentes isolados. Há mlhares de situações semelhentes no país que estão esperando ser descobertas. Mais cedo ou mais tarde nós vamos ter que enfrentar e resolver esses problemas. Eles não vão desaparecer. Contaminação por gasolina é somente um tipo de poluição de água subterrânea. De fato há muitas fontes, inclusive:
Mecanismos que afetam a contaminação das águas subterrâneasProdutos químicos passam através de muitas zonas hidrológicas diferentes (como mostrado na Figura 1) enquanto eles migram através do solo para o lengol freático, que representa a superfície superior do sistema de água subterrânea. Os poros nesta região sao ocupados tanto por ar como por água (na zona não saturada). 0 fluxo nesta região a vertical para baixo, haja visto que os liquidos contaminantes ou soluções de contaminantes e a precipitação movem-se pela força da gravidade. A zona mail acima da zona nao saturada (a zona de solo) é o local onde ocorrem importantes processos de atenuação de poluição. Alguns produtos químicos são retidos nesta região por adsorção por material orgânico e siltes a partículas de solo ativas quimicamente. Estes produtos químicos adsorvidos podem subs equentemente serem decompostos através da oxidação e atividades microbianas. Muitos produtos finais são captados pelas plantar ou libertos para a atmosfera. Abaixo de zona do solos os poros também são não saturados a como a precipitação de características químicas percola através desta zona, a oxidação e a degradação aeróbica biológica continuam a ocorrer. Alguns produtos químicos também são adsorvidos nesta zona a os precipitados são retidos. Na zona capilar, os espaços entre as particulas do solo podem ser saturados pela elevação do nivel de água pelas forças capilares. Alguns elementos químicos mais leves que a água irão "flutuar" no topo do nível de água nesta zona. Ester elementos químicos flutuantes podem se mover em diferentes direções e a diferentes taxas dos contaminantes que são dissolvidos na recarga de percolação Fluxo de Água SubterrâneaUma vez que os contaminantes dissolvidos atingem o nível de água, eles entram no sistema de fluxo da água subterránea o qual é dependente, tanto horizontal quanto verticalmente, dos gradientes hidráulicos. Todos os poros entre as partículas do solo abaixo da superfície de água estão saturados. A relativa não disponibilidade de oxigênio dissolvido na zona saturada limite o potencial para oxidação dos produtos químicos. Ocorrem diferentes graus de atenuação, dependendo das condicões geológicas. Diferentemente do fluxo turbulento dos sistemas de águas superficiais, o fluxo de águas subterrâneas é laminar; partículas do fluido movem-se através de caminhos distintos e separados, com a ocorrência de poucas misturas (veja Figura 2). Produtos químicos dissolvidos na zona saturada irá escoar como água subterrânea. A direção do fluxo é governada pelos gradientes hidraúlicos e a água irá mover-se em resposta ás diferenças de cargas hidraúlicas. Os principais componentes do sistema de fluxo são a área de descarga e a área de recarga (como mostrado na Figura 3).
Figura 1. Relacionamento entre zonas
saturada e não-saturada
Figura 2. A. Caminhos de fluxo das
partículas do fluido sob fluxo laminar A direção do fluxo num sistema local e raso pode ser em alguns casos oposto ao fluxo num sistema mais profundo como mostrado na Figura 4. A mancha de poluição ocupa umaparte limitada do aquífero no sentido vertical. A capacidade de um poço de monitoramento detectar a presença de uma pluma (a mancha de poluição é também conhecida como uma pluma) é portanto baseada na locação e profundidade do poço (como mostrado na Figura 5). As taxas de fluxo de águas subterrâneas nos aquíferos geralmente variam e pouços centímetros para pouços metros por dia. Um corpo de água subterránea contaminado pode conter a acumulação de décadas de descarga; e pode levar varios anos para os contamianntes serem detectados numa fonte de água potável que é próxima.
Figura 3. Caminhos de fluxo de água subterránea
Figura 4. Dois aquíferos com duas
direções de fluxo diferentes
Figura 5. Fluxo de contaminantes num aquífero não confinado (lençol freático) (Miller, 1977) Formação e Movimento da Pluma Devido aos fluxos de água subterránea ocorrerem regime laminar, os produtos químicos dissolvidos irá seguir as linhas de fluxo e formar plumas distintas. Foram traçadas plumas de água subterrânea contaminada desde poucas metros até muitos kilômetros corrente abaixo da fonte poluidora. A forma e tamanho de uma pluma depende de uma série de fatores incluindo o perfil geológico, fluxo de água subterrânea local e regional, o tipo e a concentração dos contaminantes e variações nas taxas de fluxo. Figura 6 ilustra os formatos de duas plumas de contaminação em diferentes litologias (basalto versus areia e cascalho) e tempos que levam para elas desenvolverem.
Figura 6. Os formatos de plumas de
contaminação em O fato de que os produtos químicos são atenuados no solo através de adsorção e interação química com outros constituintes orgânicos e inorgânicos do aquífero dificulta a previsão do movimento e comportamento dos produtos químicos na água subterránea. Produtos químicos orgânicos voláteis são extremamente moveis. Outras variáveis que afetam a mobilidade são as características de adsorção e de sp;ibo;odade e degradação. Uma representação esquemática do movimento relativo dos produtos químicos na água subterránea é ilustrada na Figura 7.
Figura 7. Extensão de contaminantes
A, B, C, e D numa pluma de A densidade de fluidos contaminados é um outro fator importante na formação e movimento de uma pluma. Produtos químicos mais leves tenderão a fluir no topo de nível da água, enquanto os mais densos irão afundar. As diferenças de densidades dos poluentes químicos podem causar a configuração complexa das plumas ilustradas na Figura 8.Observe-se que a figura mostra um produto pesado que é mais denso que a água fluindo para baixo de umacamada condinando, opostamente ao fluxo dos produtos flutuantes dissolvidos.
Figura 8. Efeitos de densidade e a migração de contaminantes Materiais fracamente solúveis podem fluir em fases múltiplos. Por exemplo o óleo pode mover-se como um corpo, fluindo sobre a superfície do nível de água (Figura 9). Podem também serem dissolvidos, permeando o aquífero. Além do mais a fase não dissolvida pode exalar vapores os quais migram através de zona não saturada em configurações que não são relacionadas com o sistema de fluxo de água subterrânea.
Figura 9. Produtos de petróleo encontrando o lençol freático (Schwille, 1975) Pesquisas da contaminaçao de água
subterrânea são ainda mais complicadas pela variação das práticas de operação nas
facilidades de despejo (atêrros sanitários ou outros lugares semelhentes). Pode haver
numerosas plumas de contaminação distintas movendo-se independentes para longe do foco
de poluição.
Figura 10. Movimento de corpos
indivíduos de água contaminada abaixo de
Figura 11. Contaminantes
atmosféricos de orgânicos voláteis se tornando Lentes de areia e argila podem causar outras variações devido à estrategicação dos contaminantes. O bombeamento por poços pode alterar as configurações do fluxo de água subterránea e consequentemente alterar o movimento de uma pluma contaminante (Figura 12).
Figura 12. Influéncia de bombeamento na migração das plumas (Deutsch, 1963) Além disso, o monitoramento detalhado de locais poluidores de mais de cinco anos de idade tem revelado flutuações na concentração de alguns constituintes enquanto outros constituintes permaneceram relativamente constantes. Este fenômeno é causado pela solução e dissolução de certos produtos químicos enquanto a pluma de contaminação interage com os materiais geológicos no seu caminho. Assim sendo, os fatores que influenciam o movimento de água subterrânea e os contaminantes dentro de aquíferos são complexos, e a investigação de contaminação de água subterrânea pode requerer um trabalho extenso e custoso em um período de tempo considerável. Monitoramento de água subterrâneaHá pelo menos trêes escalas espaciais do monitoramente de água subterrânea comumente em uso. O primeiro tipo é empregado tipicamente na ou perto de uma fonte potencial de contaminação onde a fonte é limitada em área e possa ser identificada unicamente em termos geográficos. Isto inclui fontes como descargas industriais, represas industriais, atêrros sanitários e represas de esgotos municipais. Um segundo tipo são monotorados por razões de segurança de saúde pública. Por exemplo, milhares de poços de água potável são analisados periodicamente para constituintes químicos inorgânicos. Este tipo de amostragem é uma forma de controle de qualidade e é análogo á amostras da linha de produção de ma fábrica de processamento de alimentos para checagem. O terceiro tipo de monitoramento é do nível regional onde se valia os efeitos de fontes difusoras ou do efito combinado de muitas fontes pontuais de contaminação. Tais fontes incluem a drenagem de águas pluviais, fossas sépticas e o uso de em locais urbanos e suburbanos com fontes potenciais variadas de poluição de águas subterrâneas. A principal razão para a istalação de poços de monitoramento é fornecer um aviso precoce da contaminação de água subterrânea. Se adequadamente projetado, redes de monitoramento podem ajudar também na determinação da eficácia das medidas de proteção de água subterrânea (tal como membranas sintéticas para represas industriais) fornecendo informações que podem ajudar a proteger os operadores de lixoes contra reclamações não justificadas, e também nos projetos futuros de atêrros sanitários em ambientes correlacionaveis. A eficácia de poços de monitoramento é dependente de uma clara definição dos resultados desejados. Por exemplo, um programa de monitoramento projetado para fornecer informações para um litígio é bem diferente de um implantado para determinar se uma membrana é eficaz em selar um atêrro sanuma filosofia reguladora de descargo zero para a água subterrânea irá requerer um sistema de monitoramento substancialmente diferente em projeto do que um refletindo uma filosofia reguladora de contenção dentro dos limites do local de despejo dos resíduos industriais. Investigação hidrogeológicaPesquisa preliminar. O primeiro passo na investigação hidrogeológica é a coleta e o estudo de solos geologia, dos de perfuração, relatórios anteriores, levantamento de poços e dados da qualidade de água na vizinhança do local de despejo. Estes dados podem indicar se um local está acima um aquífero importante, a profundidade do aquífero, a direção geral de fluxo, a qualidade da água no aquífero e a existência de outros aquíferos abaixo de aquífero superior. Em muitos casos uma inspeção local é requerida para se obter informações detalhadas adicionais. Levantamentos geofísicos. Em alguns ambientes hidrogeológicos, um or mais métodos de exploração geofísica deveriam ser utilizados em projetar a coleta de dados preliminares. Pesquisas de resistividade elétrica dos solos e sísmico e estudos de condutividade específica e teperatura podem fornecer informações suplementares a custos razoáveis. Porém, dados de qualquer destes métodos devem ser combinados com perfurações e amostragens para confirmar os resultados. Perfurações teste. Alguns furos
exploratórios são geralmente requeridos antes que as condições geológicas,
hidrogeológicas e químicas possam ser definidas. O número e profundidade destes furos
devem variar dependendo das condições hidrogeológicas específicas e do tamanho da
área de despejo. Custos típicos para determinação da qualidade de água subterrânea
num local de despejo industrial pode variar de 10.000 dólares até centenas de milhares
de dólares dependendo da natureza e extensão do trabalho. Projeto e Instalação de Redes de Poços de MonitoramentoSob condições de não bombeamento, a
configuração de nível de água é geralmente uma cópia aproximada da superfície
topográfica (deve se lembrar que pode ser muita exceções a esta convenção). Nesta
circunstância, poços de monitoramento deveriam ser situados entre uma área de despejo e
o ponto de descarga natural mais próximo tal como um rio. No entanto, quando o cone de
influência de um poço de bombeamento nas proximidades se extende perto do local de
despejo, a água subterrânea irá fluir na direção do poço não deixando os
contaminantes serem detectados nos poços de monitoramento posicionado entre o local de
despejo e o ponto de descarga mais próximo, como Figura 13 ilustra. Em tais casos,
amostrar os poços de produção podem ser tudo o que é necessário para detectar
contaminação do local de despejo.
Figura 13. Poços de monitoramento colocados a jusante não poderá detectar contaminantes capturados pelo cone de influência de um poço de bombeamento que fica nas proximidades para um ponto de descarga (Figura 14).
Figura 14. Poços de monitoramento que têm filtros na parte superior da zona de saturação poderiam perder contaminants se movimentando na parte inferior do aquífero Por outro lado, contaminantes menos densos que a água movem-se sómente no topo da zona de saturação não sendo assim detectados por poços de monitoramento com filtros na parte mais baixa do aquífero (Figura 15). Sómente contaminantes dissolvidos e se movimentando na parte inferior do aquífero podem ser detectados. Em locais de despejo recebendo despejos diversos ou onde se espera que haja a variação de concentrações no sentido vertical, agrupamentos de poços de monitoramento com filtros em diferentes profundidades deveriam ser instalados se resultados ótimos de monitoramento desejam ser obtidos. Figura 16 ilustra mini-piezômetros do tipo multi-nivel que são baratos a construir e que aumentam tremendamente as informações sobre concentrações que sempre variam no sentido vertical. Colocando-se filtros em toda a seção da zona saturada para os primeiros poços de monitoramento (as vezes chamados poços exploratorios) é uma abordagem para não perder contaminantes no vertical quando não se sabe no inicio onde ficam os poluentes (Figura 17). Com um filtro inteiro pode-se amostrar ao longo de dimensão vertical com uma amostrador do tipo kemmerer. Com esses resultados inicias pode-se localizar as dimensões da pluma e assim colocar os próximos poços justamente no meio da contaminaçao.
Figura 15. Poços de monitoramento com filtros num outro aquífero ou em a pluma de contaminantes dissolvidos não poder detectar contaminantes menos denso que água e que ovem-se em cima do lençol freático
Figura 16. A Tipo-sucção
multi-nivel amostradora
Figura 17. Poços exploratorios de monitoramento com filtros inteiros Poços de monitoramento perfurados através de áreas de despejo de rejeitos para detectar contaminação será eficaz sómente se um selo permanente é colocado entre o buraco escavado e o poço. Se selado impropriamente, esta zona pode ser um importante caminho pelo qual a contaminação pode passar mais facil do que seria o caso no solo natural. Os fatores significantes a considerar quando da selação e instalação de poços de monitoramento incluem o tipo de material utilizado, o diâmetro interno e a espessura das paredes. Materiais normalmente utilizados são o metal as análises químicas de amostras de água, devido às reações químicas com o revestimento, óleo para cortar os tubos de metal (no caso se usa metal invés de plástico), solventes de limpeza ou com o cimento. Isto é especialmente importante quando a contaminação envolve traços de orgânicos (do nível ppb). Até agora nós estamos discutindo amostragem na zona saturada. Como a maioria dos contaminantes devem passar através da zona não saturada, esta região é muito importante nos estudos de poluição de água subterrânea. Esta zona se distingue pelo fato que a pressão de água nesta zona é negativa. Isto significa que não se pode usar piezômetros ou poços convencionais para tirar amostras. Deve-se usar uma amostrador que depende de sucção. Figura 18 ilustra cuja amostrador que chama-se lisímetro de sucção. Amostrando poços de MonitoramentoAmostras de água podem ser coletadas de
poços de monitoramento por vários tipo de bombas, cacimbas ou coletores. Onde o nivel de
água se encontra até 7-8 metros da superfície são comumente usadas bombas de sucção
para amostragem. Bombas da superfície são comumente usadas bombas de sucção para
amostragem. Bombas do tipo airlift e de jato também podem ser utilizadas para amostrar
poços rasos bem como para profundidades uperiores aos limites de sucção. Pata
bombear-se alturas amiores que cerca de 20 metros, bombas de jato e bombas submersíveis
se mostram usualmente serem os meios de amostragem mais práticos. Hoje em dia, com o
crescimento de interesse no assunto, há várias amostradores novas no mercado, incluem
amostradores do tipo gas displacement (deslocamento de água por gas), tipo Middleberg
squeeze pump (apertando um saco que está cheio de água como gas) e tipo syringe
(siringe).
No campo mesmo, muitas medidas podem ser
feitas durante a amostragem. Mesmos os poços de monitoramento desemvolvidos apropriadamente podem fornecer água túrbida ou mesmo lamacenta. Íons adsorvidos por partículas de silte e argila podem ser incorporados na solução se certos preservativos são adicionados diretamente à amostra. Na análise química, ito pode resultar em concentrações mais altas destes íons o que não reflete a verdadeira qualidade da água (as vezes se faz isto para ter uma idéia da quantidade total dum íon particular). Decantação e filtração são os dois métodos de campo utilizados para reduzir ou eliminar material em suspenção. A análise imediata das amostras de água é método ideal de se obter uma qualidade da água realmente representativa. No entanto, se o laboratório é distante do poço, a preservação da amostra é importante para prevenir alterações da qualidade química da amostra. Durante o trânsito das amostras mundaças na temperatura e a exposição à atmosfera podem levar às mundaças no pH e subsequente alteração do balanço iônico original da solução. A volatilização de orgânicos, oxidação dos metais pesados e muitos outras reações químicas e biológicas podem ocorrer o que irá afetar a concentração dos constiuintes presentes no tempo da análise. Armazenamento em temperaturas baixas (4 °C) é o modo preferido de se preservar amostras. Frequência de AmostragemNão há uma rotina estabelecida para se determinar a frequência de amostragem num local de despejo de dejeitos. A frequência pode ser baseada nas taxas de fluxo da água subterrânea, análises estatísticas de variações históricas na concentração de parâmetros químicos selecionados, distância de poço à fonte, as características dos solos e rochas potencialmente afetados e a profundidade do nível da água. Devido ao geralmente lento movimento de água subterrânea, com velocidades variando normalmente de menos de 25 metros a 200 metros por ano, uma frequência de amostragem maior que trimestral é raramente justificável. No entanto, análises mais frequente com base mensal ou bimestral podem ser necessários para definir as tendências iniciais, especialmente se há variações significantes em cada elemento chave em cada evento de amostragem. Depois desde fato tem sido definido e analisado, períodos de tempo mais longos podem ser utilizados. Também os indicadores simples de mundaça na química da água como sólidos dissolvidos e cloreto, podem ser medidos mensalmente ou bimestralmente com uma análise mais completa sendo conduzida anualmente. Todos os poços que penetram um aquífero bem profundo não seriam amostrados com a mesma frequência de poços que têm filtros no lençol freático que é abaixo de um atêrro sanitário. ResumoA investigação e monitoramento da contaminação das águas subterrâneas são atividades altamente complexas e que devem ser conduzidas sobre bases específicas para cada caso. Embora diretrizes gerais tenham sido estabelecidas para o estudo das condições das águas subterrâneas, o projeto de sistema de poço de monitoramento, a perfurção, e a amostragem, cada caso oferece sua própia complicação a requer um planejamento cuidadosa e uma revisão periódica enquanto o trabalho de investigação e monitoramento prossegue. Se assim não for, investimentos significantes em adjuda técnica, investigações de subsuperserem confusos e/ou inconclusivos. AgradecimentoOs autores agredecem ao Professor Nilson Guiguer Jr. da USP pela ajuda prestada na redação do texto em português. No entanto, quaisquer erros que ainda permaneçam são, evidentemente, da responsabilidade exclusiva dos autores. ReferênciasBraids, O.C., G.R.Wilson and D.W.Miller, "Effects of Industrial Waste Disposal on the Groundwater Resource", Drinking Water Quality Enhancement Through Source Protection. Ann Arbor Science Publishers Inc. 1977 Cherry, J.A., R.W. Gillham, E.G. Anderson, and P.E. Johnson, "Migration of Contaminants at a Landfil", Journal of Hydrology, 63 pp. 31-49, 1983 Clearly, R.W., Groundwater Pollution and Hydrology, one-week professional education course, Princeton, New Jersey and Stanford, California, 1984 Cohen, Philip, O.L. Franke, and B.L Foxworthy, An Atlas of Long Island's Water Resources, Ney York State Water Resources Commission Bulletin 62, Albany, New York, 1968 Deuthsch, M., "Groundwater Contamination and Legal Controls in Michigan", U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1691, 1963 Edward E. Johnson Inc., Groundwater and Wells, St. Paul, Minnesota, 1966 Fetter, C.W. Jr., Applied Hydrology, Charles E. Merrill Publishing Co. Columbus, Ohio, 1980. Kimmel, G.E. and O.C.Braids, "Leachate Plumes in Groundwater from Babylon and Islip Landfills, Long Island, New York", U.S. Geological Survey Professional Paper 1085. 1980 LeGrand, H.E., "Patterns of Contaminated Zones of Waer in the Ground", Water Resources Research, Vol. 1, pp. 83.95. 1965 Miller, D.W., editor, The Report to Congress on Waste Disposal Practices and Their Effects on Groundwater, Office of Water Supply and Office of Solid Waste Management Program, U.S. Environmental Protection Agency, January, 1977 Schwille, F., "Groundwater pollution by Mineral Oil Products", Proceedings of the Moscow Symposium. IAHS-Publication No. 103. 1975 U.S. Environmental Protection Agency. Office of Solid Waste, Report No. 530/SW-611. 1977 |
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