Recursos hídricos no Distrito Federal : modelagem hidrológica para subsidiar a gestão sustentável na bacia do Ribeirão Pipiripau

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2012.A efetiva gestão de bacias hidrográficas e dos ecossistemas que as constituem exige um conhecimento abrangente dos processos hidrológicos e dos impactos que tenham relevância para as comunidades humanas. No entanto, as interações, os fluxos e as retro-alimentações próprias dos hidrossistemas são dinâmicas, complexas e de difícil entendimento. Como apoio ao entendimento e à avaliação dos sistemas hidrológicos, os modelos matemáticos são ferramentas amplamente utilizadas em estudos voltados à recuperação e à proteção de mananciais. Para compreender os processos hidrológicos e subsidiar a gestão dos recursos hídricos no Distrito Federal (DF), este estudo propõe um modelo matemático destinado a representar as interações de fluxo na bacia do Ribeirão Pipiripau. O modelo foi desenvolvido com base nos levantamentos de dados geológicos, hidrogeológicos, geomorfológicos, climatológicos e pedológicos. Devido à escassez de dados hidrogeológicos, parâmetros como condutividade hidráulica (K), transmissividade (T) e capacidade específica (Cs), foram estimados para os aquíferos da região do DF. Testes de infiltração foram aplicados em diferentes tipos de solo, considerando as características texturais e estruturais de cada classe. Para tanto, foram utilizados os métodos “open-end-hole”, o ensaio de permeabilidade de Heitfeld e funções de pedotransferência para estimar K dos aquíferos porosos. Os resultados foram comparados entre si e com trabalhos anteriores, mostrando que a amplitude de variação -8 -1 -6 -1de K é de 10 m.s a 10 m.s . Os Latossolos apresentam valores mais elevados de K, enquanto os Cambissolos possuem valores reduzidos. Observou-se também que K diminui com a profundidade devido ao aumento do conteúdo de argila. As variações de K mostraram a heterogeneidade dos aquíferos porosos, condicionadas pelas características texturais e estruturais dos solos. Diferentes métodos para o tratamento de dados de teste de bombeamento foram aplicados em mais de 80 poços profundos do DF, a fim de estimar parâmetros hidrodinâmicos dos aquíferos fraturados. Foram aplicados os métodos de Theis para aquífero totalmente confinado, de Cooper & Jacob para aquífero confinado, de Agarwal para dados de recuperação de poço e de Cooper & Jacob para estimar T a partir de dados de capacidade específica. Os resultados mostraram que valores de T obtido por meio do método modificado de Cooper & Jacob utilizando dados de capacidade específica são mais coerentes para o tipo de aquífero estudado. Os processos hidrogeológicos da bacia do Pipiripau foram simulados no software OpenGeoSys (OGS) para representar a região de estudo. A estrutura 3- dimensional da área foi gerada no software Groundwater Modeling System (GMS), a partir de dados de poços e do Modelo Digital de Elevação (DEM). A aplicação do método numérico no OGS considerou as condições de contorno, as propriedades hidráulicas dos materiais e as taxas de recarga dos aquíferos. A calibração foi realizada no aplicativo PEST, integrado ao OGS com a utilização dos dados disponíveis. Os resultados da calibração mostraram a distribuição da carga hidráulica do modelo estacionário onde os maiores valores ocorrem nas áreas de recarga de leste à oeste e os menores valores na porção sudoeste da bacia. Os resultados do modelo estacionário podem ser usados como condição inicial para a simulação do modelo transiente. Os valores simulados indicam boas estimativas das condições hidrodinâmicas, no entanto, é preciso adicionar ao modelo numérico, dados relativos ao bombeamento dos poços, uso do solo, irrigação entre outros, para otimizar a modelagem hidrológica e, de modo sistêmico, subsidiar a gestão de recursos hídricos na bacia do Pipiripau. Com base nos dados compilados da literatura e de observações de campo, foi desenvolvido um método de análise a partir da interação dos sistemas ambientais e socioeconômicos da área de estudo. Os resultados mostraram os padrões espaciais que refletem a degradação biótica, física e socioeconômica da área. Constatou-se também, que a integridade dos recursos hídricos vem sendo ameaçada não só pelo aumento da demanda por água, mas também pela supressão da vegetação nativa e pelo uso indiscriminado de insumos agrícolas. Contudo, ressalta-se que a inclusão de módulos de análise dos parâmetros sociais nos aplicativos de modelagem, como por exemplo, gerenciadores de concorrência entre usuários, determinação de usuários preferenciais e de critérios objetivos para distribuição das vazões em diferentes períodos do ano, etc., pode ser uma alternativa para mediação de conflitos pelo uso da água. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTThe effective management of watersheds and their ecosystems demands a broad knowledge of the hydrological processes and of the relevant impacts for human communities. However, the interactions, the outflows and the feedbacks inherent to hydrosystems are, at the same time, dynamic, complex and of difficult understanding. As a base for the understanding and evaluation of the hydrological systems, the mathematical models are the most used tools in studies whose objectives are the recovering and protection of watersheds. In order to understand the hydrological processes and to support the management of hydro resources in the Federal District (FD), this study proposes a mathematical model aimed to represent the flow interactions in the Pipiripau Stream basin. The development of this model was based on surveys of geological, hydrogeological, geomorphologic, climatological and soil data. Due to the lack of hydrogeological data, parameters as hydraulic conductivity (K), transmissivity (T) and specific capacity (Cs) were estimated for the Federal District region aquifers. To do so, it was used the methods of “open-end-hole”, the Heitfeld permeability essay, and the functions of pedotransfer to estimate K of the shallow aquifers. The results were compared with each other -8and with previous studies results, showing that the range of variation of K goes from 10 m/s to -610 m/s. The Oxisols presented higher values for K, whilst the Inceptisols showed lower values. It was observed also that K gets lower to depth due to the increasing content of clay. K variations showed the heterogeneous nature of the porous aquifers, conditioned to the soils textural and structural features. Several methods of treating data from pumping test were applied to more than eighty deep wells in the FD in order to estimate the hydrodynamic parameters for the fractured aquifers. The methods of Theis applied to fully confined aquifers, the Cooper & Jacob method to confined aquifers, the Agarwal method for wells recovery data, and the Cooper & Jacob method to estimate T from specific capacity data. The results showed that the T values, which were obtained from Cooper & Jacob method, using data of specific capacity, are more consistent to the studied aquifers. The hydrogeological processes of the Pipiripau basin were simulated through the OpenGeoSys (OGS) software in order to represent the region of study. The 3-dimensional structure of the area was generated through the Groundwater Modeling System (GMS) software, taking the wells data and the Digital Elevation Model (DEM). The application of the numerical method in the OGS considered the contour conditions, the hydraulic proprieties of the materials, and the recharge of the aquifers. The calibration was done in the PEST application, integrated with the OGS. The results showed the distribution of the steady-state hydraulic head in the model domain, where the highest values occurred in the east and west recharge areas and the lowest values were found in the southwest of the basin. The results of this first study can be a used as initial condition for the transient simulation and to provide a scientific basis for water resource management. The results of calibration showed a good estimates of the hydrodynamic conditions, but it is necessary to add the data concerning to the discharge rates of wells, use of the soil, irrigation, and social economical characteristics to the numerical model in order to optimize the hydrogeological modeling and, systemically, support the management of the water resources in the Pipiripau basin. Based on the compiled data from the literature and on field observation, starting from the interaction of environmental and socioeconomic systems of the studied area, an analysis method was developed. The results showed spatial patterns, which reflect the biotical, physical and socioeconomic degradation of the area. It was also found that the integrity of the water resources is endangered, not only by the increased demand for the use of the water, but also by the destruction of the native vegetation and by the widespread use of agricultural inputs. However, it is noteworthy that the inclusion of analysis modules of social parameters in the modeling applications like, for example, the managers of competition among users, the preferential users determination and of the objective flows distribution criteria, in different times of the year, and others, could be an alternative to mediate the existing conflicts for the use of the water