Modelagem do transporte de cloreto proveniente de esgoto urbano em um aquífero sedimentar usando MT3D: o caso da bateria de poços de Juazeiro do Norte (CE)

<jats:p>Esse trabalho consiste em um estudo de caso, em que o modelo de transporte de soluto MT3D, associado ao modelo de fluxo MODFLOW, foi utilizado na avaliação da contaminação de um aquífero por água superficial de um riacho contaminado com esgoto urbano, utilizando o cloreto como traçador. Nessa área, as águas do aquífero são explotadas por uma bateria de poços alinhada ao riacho. A calibração do modelo de transporte foi executada para reproduzir os teores de cloretos observados nas águas dos poços em campanhas de monitoramento. Já a do modelo de fluxo procurou reproduzir as cargas hidráulicas observadas durante testes de bombeamentos realizados em cada poço. Os resultados obtidos nessas calibrações foram compatíveis com as observações. A partir dos modelos calibrados, foi realizada uma simulação futura (prognóstico), visando determinar o tempo necessário para a recuperação da qualidade de água subterrânea após interrupção do lançamento de esgoto no riacho. Os resultados da modelagem indicaram que: os rebaixamentos produzidos pelo bombeamento dos poços são maiores nas proximidades do riacho; o transporte de contaminante ocorre, predominantemente, na vertical, induzido pelo bombeamento dos poços e pela recarga do aquífero a partir do riacho; os níveis de cloretos relativamente elevados nas águas dos poços podem voltar aos valores naturais do aquífero em aproximadamente um ano, caso o lançamento de esgoto no riacho seja interrompido. Assim, para evitar um maior comprometimento dos aquíferos da área por poluição persistente, o esgoto deverá ter um destino adequado e a área de preservação permanente do riacho deverá ser respeitada.</jats:p>

section_content: Esse trabalho consiste em um estudo de caso, em que o modelo de transporte de soluto MT3D, associado ao modelo de fluxo MODFLOW, foi utilizado na avaliação da contaminação de um aquífero por água superficial de um riacho contaminado com esgoto urbano, utilizando o cloreto como traçador. Nessa área, as águas do aquífero são explotadas por uma bateria de poços alinhada ao riacho. A calibração do modelo de transporte foi executada para reproduzir os teores de cloretos observados nas águas dos poços em campanhas de monitoramento. Já a do modelo de fluxo procurou reproduzir as cargas hidráulicas observadas durante testes de bombeamentos realizados em cada poço. Os resultados obtidos nessas calibrações foram compatíveis com as observações. A partir dos modelos calibrados, foi realizada uma simulação futura (prognóstico), visando determinar o tempo necessário para a recuperação da qualidade de água subterrânea após interrupção do lançamento de esgoto no riacho. Os resultados da modelagem indicaram que: os rebaixamentos produzidos pelo bombeamento dos poços são maiores nas proximidades do riacho; o transporte de contaminante ocorre, predominantemente, na vertical, induzido pelo bombeamento dos poços e pela recarga do aquífero a partir do riacho; os níveis de cloretos relativamente elevados nas águas dos poços podem voltar aos valores naturais do aquífero em aproximadamente um ano, caso o lançamento de esgoto no riacho seja interrompido. Assim, para evitar um maior comprometimento dos aquíferos da área por poluição persistente, o esgoto deverá ter um destino adequado e a área de preservação permanente do riacho deverá ser respeitada.
section_name: RESUMO

section_content: A preocupação com os problemas relacionados à contaminação de aquíferos, devido às mais diversas fontes de contaminantes, tem levado muitos pesquisadores a estudar os processos físicos, químicos e biológicos associados, bem como formular métodos analíticos e numéricos para a solução das equações que governam o transporte de poluentes. 

Esses estudos levaram ao desenvolvimento de modelos matemáticos que simulam o comportamento dos sistemas aquíferos em presença de contaminação. Esses modelos podem ser constituídos de equações diferenciais ordinárias de fácil solução analítica até equações diferenciais parciais não lineares que só podem ser resolvidas por métodos numéricos (SALCEDO-SÁNCHEZ et al., 2013). 

Existem aplicativos computacionais que fornecem soluções numéricas para modelos que simulam o transporte de contaminantes em meio poroso. Nesse aspecto, a aplicabilidade de cada modelo depende tanto das características do sistema aquífero, quanto do tipo de contaminante que é avaliado. Um dos modelos tridimensionais de transporte de massa existentes é o MT3D (ZHENG, 1990; ZHENG & GORELICK, 2003). 

Esse modelo possui uma estrutura modular que permite a simulação de processos de transporte, interagindo diretamente com o modelo de fluxo MODFLOW (MCDONALD & HARBAUGH, 1988). Nele, a equação diferencial parcial que descreve o transporte tridimensional de soluto de uma única espécie em aquíferos é resolvida utilizando o método implícito das diferenças finitas. 

Antes do desenvolvimento do MT3D existia um grande número de modelos analíticos bidimensionais (WILSON & MILLER, 1978; LINDSTROM & BOERSMA, 1989) e tridimensionais (HUYAKORN et al., 1987; BATU, 1996; LEIJ; SKAGGS; VAN GENUCHTEN, 1991) de transporte de soluto em aquíferos, no entanto, a maioria deles baseava-se na suposição do meio poroso infinito. (MENDONCA et al., 2005; FRANCA et al., 2006; DAHRI et al., 2011; FAKHARINIA; LALEHZARI; YAGHOOBZADEH, 2012; SAMHAN & GHANEM, 2012). No entanto, a caracterização das propriedades hidrogeológicas dos aquíferos é fator importante nessa compreensão. 

Neste trabalho, foi utilizado o modelo de transporte tridimensional MT3D para investigar os impactos sofridos pelo aquífero Rio da Batateira devido a níveis elevados de contaminação por esgoto urbano no Riacho dos Macacos, localizado na área de uma bateria de poços do sistema de abastecimento do município de Juazeiro do Norte, no Ceará. O traçador de contaminação utilizado foi o cloreto, por ser conservativo num sistema aquífero e apresentar concentrações relativamente elevadas em águas de poços que explotam o aquífero que é naturalmente pouco salinizado.
section_name: INTRODUÇÃO

section_name: METODOLOGIA

section_content: A bateria de poços do sistema de abastecimento do município de Juazeiro do Norte (Figura 1), localizada às margens do Riacho dos Macacos, encontra-se na Bacia Sedimentar do Araripe, onde os recursos hídricos subterrâneos são uma das mais importantes fontes de água potável para abastecimento público e privado. Nesta área aflora a formação Rio da Batateira, composta basicamente de arenitos de granulometria fina e grosseira, avermelhados e pardacentos, com intercalações de lentes de argila e folhelho. Estes arenitos são limitados na base por níveis de folhelho negro e marrom, às vezes betuminosos (DNPM, 1996). 

A bateria de poços é constituída por 17 poços tubulares, sob gerenciamento da Companhia de Água e Esgoto do Ceará (CAGECE). A produção máxima atual da bateria, segundo a CAGECE, é de 2. 592 m 3. h - com os poços bombeando 24 h. d -1. Os filtros dos poços penetram somente o aquífero Rio da Batateira e o poço mais profundo (PT-06) possui 200 m de profundidade. 

O perfil estratigráfico da área, obtido através dos perfis geológicos dos poços, indica que a formação Rio da Batateira apresenta espessura média de 114±15 m na área urbana, e de 145±33 m na área do Riacho dos Macacos (MENDONÇA et al., 2005). 

O aquífero explotado é de boa produtividade, com rebaixamentos específicos nos poços variando de 1,7 a 21,7 m 3. h -. m -, com média de 8,3±5,3 m 3. h -. m - (CAGECE, 1988). As águas subterrâneas nas proximidades da bateria de poços apresentam escoamento em direção ao Rio Batateira, com gradiente hidráulico médio de 4‰ (MENDONÇA et al., 2005). 

De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2010), o município de Juazeiro do Norte possui área territorial de apenas 249 km² e uma população de aproximadamente 245. 000 habitantes, com aproximadamente 95% residindo em área urbana. Por causa de peregrinações, a população da cidade chega a triplicar algumas vezes no ano. 

Nesta região, as temperaturas médias anuais variam de 25 a 30°C, e a precipitação média é de aproximadamente 1. 000 mm. ano -1, comparável com a precipitação média na costa do Estado. Segundo a classificação de Köppen, o clima da região é do tipo tropical úmido com uma estação chuvosa. A vegetação na área é do tipo caatinga arbórea e mata seca.
section_name: Área de estudo

section_content: A equação diferencial parcial que descreve o movimento tridimensional da água através de um meio poroso, heterogêneo, anisotrópico e em estado transiente (obtida da combinação da Lei de Darcy com a equação da continuidade) é dada pela Equação 1. 

(1) na qual:
section_name: Modelos numéricos utilizados

section_content: As condições de contorno utilizadas no modelo de fluxo foram:

• do tipo 1 ou Dirichlet, representado por cargas constantes especificadas no extremo superior e inferior do domínio do modelo, com valores iguais às cotas da superfície do nível estático, capazes de manter o gradiente hidráulico da região;

• do tipo 2 ou Neuman, representado pela recarga média anual do aquífero, proveniente da chuva e do riacho perenizado pelo esgoto, e pelos poços da bateria, com seus respectivos intervalos de filtros, vazões de bombeamento e raios. 

Para o modelo de transporte, utilizou-se a condição de contorno do tipo 3 ou Cauchy, representada pela concentração do soluto na recarga proveniente do riacho.
section_name: Condições de contorno

section_name: Coleta de dados e determinação de parâmetros do aquífero

section_content: Definição e discretização da malha de diferenças finitas O domínio do modelo, de extensão 11. 000 m x 13. 000 m, foi escolhido de tal forma que a área de interesse, de aproximadamente 3. 000 m x 6. 000 m (Figura 1), correspondente à bateria de poços, ficasse centrada na malha. 

Para entrada de dados no MODFLOW foi criada uma malha preli-
section_name: RESULTADOS E DISCUSSÃO

section_content: Os parâmetros coeficiente de armazenamento (S) e condutividade hidráulica (k) foram obtidos da interpretação de dois testes de aquífero, O poço observado encontra-se a 13 m do poço bombeado e o valor de S y foi de 20%. Ainda nesse teste obteve-se k de 2,6 x 10 -5. m. s -1. 

Também foram interpretadas curvas de rebaixamentos com observação no próprio poço bombeado, utilizando o método de Jacob. 

Nos poços PT-01 a PT-07 e PT-15, os valores de k mantiveram-se na mesma ordem de grandeza dos testes observados em poços vizinhos, apresentando média de 3,0 x 10 -5 m. s -1 e desvio padrão de 0,7 x 10 -5 m. s -1. Os poços PT-09 a PT-14, PT-16 e PT-17 apresentaram média de 8,6 x 10 -5 m. s -1 e desvio padrão de 2,8 x 10 -5 m. s -1.
section_name: Determinação de parâmetros hidrogeológicos do aquífero

section_content: Na calibração transiente do modelo de fluxo, as cargas calculadas foram ajustadas às observadas, obtidas por testes de bombeamento com duração máxima de 24 h em cada poço. 

O meio poroso foi considerado homogêneo e isotrópico, com discretização de k na região da bateria de poços. Em todo o domínio do modelo foi adotado coeficiente de armazenamento específico S S médio de 2 x 10 -6 m -1 (considerando a espessura média do aquífero de 112 m) e S y de 20%. Os valores de k foram ajustados durante a calibração do modelo, permanecendo na mesma ordem de grandeza dos obtidos nos testes de bombeamento. O k ajustado apresentou média e desvio padrão de respectivamente 2,7 x 10 -5 m. s -1 e 0,2 x 10 -5 m. s -1, para os poços PT-01 a PT-07 e PT-15; e 9,5 x 10 -5 m. s -1 e 2,0 x 10 -5 m. s -1, para De acordo com a Figura 4B, o rebaixamento dos poços às margens do Riacho dos Macacos chega a 18 m e o cone de depressão atinge uma largura máxima de aproximadamente 4,5 km e um comprimento aproximado de 8,0 km. Fazendo uma análise do rebaixamento, observa-se uma maior exploração do aquífero na região dos poços às margens do Riacho dos Macacos. 

Nesta simulação, a velocidade máxima do fluxo, calculada pelo MODFLOW, foi de 1,9 x 10 -5 m. s -1. Esse valor situa-se na faixa dos valores encontrados na literatura, para aquíferos compostos por arenitos com presença de argila (GELHAR; WELTY; REHFELDT, 1992).
section_name: Solução do modelo de fluxo

section_content: A calibração transiente do modelo de transporte foi feita com base no ajuste das concentrações de cloretos calculadas pelo MT3D com as médias obtidas de Franca et al. (2006) nas águas dos poços próximos ao riacho poluído. 

A concentração natural de cloretos adotada para toda a área de domínio do modelo foi de 10 mg. L -1 e representa a média dos valores mínimos observados nos poços da bateria, distantes da fonte poluidora. 

No modelo de fluxo, admitiu-se uma recarga através do Riacho dos Macacos, cujo valor inicial foi de 1. 000 mm. ano -1. Esse valor foi modificado durante a calibração para ajustar as concentrações de cloretos calculadas. A concentração de cloretos na recarga proveniente do riacho foi a média dos valores obtidos por Franca et al. (2006), em dois pontos de coleta no próprio riacho (RM-01 e RM-02 na Figura 1). 

De acordo com Franca et al. (2006), a concentração de cloretos no riacho não é uniforme. Na região do riacho próxima ao poço PT-03 há uma entrada maior de esgoto, enquanto que próximo ao poço PT-05 a topografia é rebaixada, com área alagada, onde o esgoto está mais diluído. 

Com essa informação e por falta de mais dados de concentrações ao longo do riacho, consideraram-se, na condição de contorno concentração da recarga, 280 mg. L -1 a montante do poço PT 04 e 75 mg. L -1 a jusante. A recarga atribuída ao longo do riacho para obter esse ajuste foi de 16. 500 mm. ano -1. Esse valor de recarga está dentro da ordem de grandeza esperada, calculada a partir da lei de Darcy, considerando uma condutividade hidráulica de 10 -6 m. s -1, para a camada argilosa superficial do aquífero e um gradiente de 1 m. m -1, entre o nível da água no riacho e o nível dinâmico do aquífero. 

Para o ajuste da concentração nos poços PT-2A, PT-05 e PT-06, foi necessário variar a concentração da recarga proveniente do riacho em torno do valor médio nas proximidades de tais poços. 

A Figura 5B mostra a variação da concentração de cloreto em cada poço em função do tempo no período de monitoramento de 11 meses. 

Todos os poços localizam-se muito próximos do riacho, à máxima distância de 70 m, o que faz com que o deslocamento da pluma seja induzido pelo bombeamento dos mesmos. A concentração de cloretos no poço PT-2A, por ser mais raso, é mais elevada. Além disso, depois de certo tempo, a concentração de cloretos nos poços tende a atingir um patamar por causa da mistura da água poluída, proveniente do riacho, com a água em condições naturais, proveniente do aquífero. 

A concentração de cloretos no poço PT-05 permanece praticamente igual à concentração do aquífero, por possuir camadas de folhelhos acima dos filtros (representadas no modelo pela condutividade hidráulica de 10 -9 m. s -1 ), protegendo o aquífero da propagação da pluma. Esse poço, de acordo com Mendonça et al. (2005), também recebe uma forte recarga por águas ascendentes, através de descontinuidades no confinamento inferior do aquífero. 

A Figura 6A mostra a propagação horizontal da pluma de cloretos no período de 11 meses de simulação. 

Como o transporte é predominantemente advectivo, a pluma de poluição se desloca lentamente, com uma velocidade da ordem de 10 -5 m. s -1, e a direção predominante de propagação da pluma é induzida pelo bombeamento dos poços. 

A Figura 6B mostra a propagação vertical da pluma nas proximidades do poço PT-04, onde se observa que a mesma não tem grande espalhamento horizontal. Isso ocorre porque os filtros dos poços estão localizados na parte mais profunda do aquífero. 

Em um cenário de 5. 000 dias, mantendo a recarga de concentração do riacho, observou-se que a pluma permanece na região da bateria, indicando que toda a poluição proveniente do riacho é captada pelos poços, não se propagando para outras áreas. 

Com o objetivo de estimar em quanto tempo o aquífero se recuperaria, caso cessasse o lançamento de cloretos, fez-se uma simulação desativando a recarga proveniente do riacho após 330 dias de contaminação. A Figura 7 mostra o resultado para cada poço avaliado. Em uma simulação futura observou-se que as concentrações de cloretos relativamente elevadas nas águas dos poços da bateria podem voltar aos valores naturais do aquífero em aproximadamente um ano, caso seja interrompido o lançamento de esgoto no riacho. 

Assim o Riacho dos Macacos constitui o elo principal na conexão entre as águas superficiais poluídas e as águas subterrâneas, funcionando como fonte persistente e contínua de poluição, e necessita de elevada atenção e proteção. 

Neste contexto, devem ser tomadas precauções para impedir a presença de esgoto e lixo na área, para evitar a infiltração de efluentes que poderão, no futuro, levar as comunidades que explotam o aquífero por poços mais rasos à calamidade sanitária.
section_name: Solução do modelo de transporte