Recarga de águas subterrâneas em ambiente de cerrado : estudo com base em modelagem numérica e simulação hidrológica em uma bacia experimental

Abstract

A recarga de águas subterrâneas é um processo hidrológico chave para a manutenção das reservas hídricas subterrâneas e superficiais: é responsável tanto pelo reabastecimento de aqüíferos, quanto pela disponibilidade de água em fontes de superfície durante períodos de estiagem. Em algumas regiões, esse processo pode ter alcance que supera os limites político-administrativos, como no caso do Cerrado brasileiro, cujas características particulares o tornam em uma importante zona continental de recarga, responsável pelas vazões de base de alguns dos principais rios brasileiros. Apesar dessa importância, o nível de compreensão acerca do processo na referida área ainda é deficiente, motivo pelo qual se justifica o empreendimento de esforços no sentido de contornar a falta de conhecimento. Nesse sentido, o presente trabalho teve como objetivo caracterizar o processo de recarga das águas subterrâneas em aqüíferos freáticos do cerrado, por meio do estudo em uma bacia experimental. Durante cerca de dois anos, foram realizadas campanhas de campo, que abrangeram o monitoramento de variáveis hidrológicas, como chuva, vazão, e nível freático, e a execução de ensaios para a caracterização hidrodinâmica do meio aqüífero, como slug tests e testes de bombeamento. Esse esforço permitiu o levantamento dos dados básicos, que viabilizaram a aplicação de quatro métodos independentes e um acoplado ao estudo do processo de recarga: modelagem numérica dos processos de zona saturada; modelagem hidrológica dos processos de zona vadosa; separação de escoamentos; flutuação do nível freático e modelagem numérica integrada dos processos de zona vadosa e de zona saturada. Os resultados alcançados apresentaram limitações, como alto nível de incerteza, inferido pelas diferenças observadas entre resultados obtidos a partir de métodos diferentes e baixo desempenho dos modelos em simular variáveis hidrológicas medidas, como cargas piezométricas e vazões. No entanto, informações importantes foram geradas, como a identificação das áreas mais favoráveis à recarga, estimativas para a taxa média de recarga e faixas de valores possíveis em função de combinações entre diferentes tipos de solo, cobertura, declividade e geologia, bem como a indicação das variáveis e parâmetros determinantes ao estudo do processo. Concluiu-se que a taxa média de recarga esperada para a bacia ultrapassa os 20% comumente adotados para regiões de cerrado e que a distribuição espacial do processo é fortemente regulada por variáveis e parâmetros associados ao solo e à evapotranspiração. Dentre os métodos testados, o modelo hidrológico distribuído dos processos de zona vadosa foi o que apresentou a melhor capacidade de previsão. O modelo numérico dos processos de zona saturada não foi capaz de reproduzir satisfatoriamente o comportamento do aqüífero, uma vez que a carência de dados hidrogeológicos prejudicou o estabelecimento de um modelo conceitual mais confiável. No caso do modelo numérico de simulação integrada dos processos de zona vadosa e zona saturada, as deficiências foram o resultado do acúmulo dos erros advindos dos dois modelos acoplados e poderão ser minimizadas, caso as deficiências individuas dos dois modelos também o sejam. Os métodos flutuação do nível freático e separação de escoamentos são recomendados apenas em estudos preliminares e no caso de indisponibilidade de dados que permitam a alimentação dos modelos de base física, pois apesar de permitirem a obtenção rápida de estimativas, a partir de poucos dados, caracterizam a recarga apenas pontualmente, não permitindo a compreensão dos processos hidrológicos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Groundwater recharge is a key hydrological process for groundwater and surface water reserves maintenance: accounts for the replenishment of aquifers and the surface water availability in drought periods. In some regions, this process overcomes political and administrative boundaries, as in the Brazilian Cerrado biome, in which particular characteristics make it an important continental recharge zone, responsible for the baseflow of some main Brazilian rivers. Despite this importance, the understanding level about the process in that area is still poor, thus justifying efforts to overcome the lack of knowledge. In this sense, the present work aimed to study and characterize the groundwater recharge process for phreatic aquifers in the Cerrado Biome, through the study in an experimental watershed. For two years, field works were conducted, that included the monitoring of hydrological variables, such as rain, runoff, and water table level, and execution of tests to characterize the hydrodynamics pattern of the phreatic aquifer, as slug tests and pumping tests. This effort allowed the acquisition of the basic data, which enabled the application of five groundwater recharge study methods: numerical modeling of the saturated zone processes; hydrologic modeling of vadose zone processes; baseflow separation method; water table fluctuation method; and integrated numerical modeling of the vadose and saturated zone processes. The results showed some limitations, such as high level of uncertainty, inferred by the observed differences between results from different methods and poor performance of the models in simulating measured hydrologic variables, as piezometric heads and discharges. However, important information was generated, as the recharge zones areas, average recharge rates estimates and recharge rates ranges of several possible combinations of different types of soil, land user/land cover, slope and geology, as well the most important data and parameters identification. It was concluded that the average recharge rate in study area exceeds the 20% rate, in relation to the precipitation, commonly adopted for Cerrado Biome regions, and that the spatial pattern of the process is strongly regulated by soil type and evapotranspiration. Among the applied methods, distributed hydrologic model of the vadose zone processes showed the best predictive capability. The numerical model of the saturated zone processes was not able to satisfactorily reproduce the behavior of the aquifer, because the lack of hydrogeological data hampered the establishment of a more realiable conceptual model. In the case of numerical model simulation of integrated processes of vadose and saturated zone, the shortcomings were the result of the accumulation of errors from the coupled models and they can be minimized if the individual limitations of the two models are overcome. The water table fluctuation and baseflow separation methods are recommended only in preliminary studies and in case of unavailability of data for physically based models aplication, because, although they allow obtaining rapid estimates from limited data, they characterize the groundwater recharge at point or local scale, not allowing the understood of hydrological processes.