Estimativa de recarga em áreas urbanizadas: estudo de caso na bacia do Alto Tietê (SP)

234 Pages·2007·6.91 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS

ESTIMATIVA DE RECARGA EM ÁREAS URBANIZADAS:
ESTUDO DE CASO NA BACIA DO ALTO TIETÊ (SP)

Juliana Baitz Viviani-Lima

Orientador: Prof. Dr. Ricardo César Aoki Hirata

TESE DE DOUTORAMENTO

Programa de Pós-Graduação em
Recursos Minerais e Hidrogeologia

SÃO PAULO
2007
Ficha catalográfica preparada pelo Serviço de Biblioteca e Documentação do
Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo

Viviani-Lima, Juliana Baitz
Estimativa de recarga em áreas urbanizadas:
estudo de caso na bacia do Alto Tietê (SP) /
Juliana Baitz Viviani-Lima. – São Paulo, 2007.
viii, 220 f.

Tese (Doutorado) : IGc/USP
Orient.: Hirata, Ricardo César Aoki

1. São Paulo (SP): Região Metropolitana:
Recarga de aqüíferos 2. São Paulo (SP): Região
Metropolitana: Bacia hidrográfica 3. São Paulo
(SP): Áreas metropolitanas 4. Isótopos estáveis I.
Título
À minha família
Agradecimentos
Gostaria de registrar aqui meu agradecimento a todos que estiveram envolvidos no
desenvolvimento desta tese e na minha vida ao longo deste percurso, já que é quase impossível separar
as duas coisas durante a maior parte do tempo.
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Prof. Dr. Ricardo Hirata, pela
oportunidade de estar envolvida no projeto de recarga, que me possibilitou ampliar meus conhecimentos
e pela sua orientação, suporte e amizade ao longo de todo o percurso deste doutorado, que resultou não
apenas na tese mas também num grande aprendizado. Também gostaria de agradecer ao meu co-
orientador, Prof. Dr. Ramon Aravena, da University of Waterloo, Canadá, que me permitiu desenvolver
parte da pesquisa sob sua orientação e da oportunidade de realizar um estágio na University of
Waterloo, me dando sempre o auxílio necessário.
Agradeço à FAPESP, pela bolsa de Doutorado Direto (Proc. 03/13509-7) e pelo financiamento
do Projeto Recarga (Proc. 02/07202-3), do qual este Doutorado fez parte. À CAPES, pela bolsa de
Doutorado Sandwich (BEX 0081/05-1) que permitiu o estágio na University of Waterloo.
Agradeço à Universidade de São Paulo e ao Instituto de Geociências da USP, por fornecer toda
a base necessária ao desenvolvimento do Doutorado. Agradeço também à University of Waterloo, por
me receber como aluna visitante, permitindo o uso de toda a infra-estrutura disponível.
Agradeço ao Prof. Ricardo de Camargo (IAG-USP), pelo fornecimento dos dados meteorológicos
da USP, e a Manuelle Santos Góis Paixão (aluna de mestrado do IAG-USP durante a primeira parte
deste projeto), pela troca de dados sobre a Raia Olímpica da USP. Agradeço à Prefeitura de São Paulo e
ao Centro de Gerenciamento de Emergências, em particular ao Eng. Hassan Barakat e a Lucyara
Rodrigues, pelo fornecimento dos dados de precipitação. Agradeço à SABESP, em especial aos
funcionários Maria Carolina Gonçalves, André Góis, Rogério Marquezini, Moacir Brito e Adilson Campoy,
pelo fornecimento dos dados químicos de esgoto para as áreas estudadas.
Agradeço também a pessoas que estiveram envolvidas no projeto ao longo da tese, Veridiana T.
S. Martins, companheira neste projeto de doutorado. Agradeço à Cristiane Aily, Luis Mancini (Laboratório
de Isótopos Estáveis – IGc-USP), Sandra Andrade (Laboratório de Química – IGc-USP), Lúcia Helena da
Silva e Giselle Madagleno (Laboratório de Hidrogeoquimica – IGc-USP). Agradeço a Silvio Luiz Pereira e
Paulo Rodrigues de Lima (Paulinho), funcionários do IGc-USP, que auxiliaram na execução dos campos.
Agradeço também ao Laboratório de Química, ao Laboratório de Hidrogeoquímica do IGc-USP, ao
Laboratório de Física Nuclear Aplicada do Instituto de Física da Universidade Federal da Bahia (LFNA-
UFBa) e ao Environmental Isotopes Laboratory da University of Waterloo (em especial a Richard
Elgood), pela realização das análises das amostras. Aos professores do IGc que participaram do projeto,
Marly Babinski, Teodoro I. Ribeiro, Fabio Taioli e José Domingos F. Gallas, pelo auxílio e troca de idéias,
em especial durante a realização do projeto. Aos funcionários do Instituto de Geociências da USP,
secretárias, laboratórios, biblioteca, gráfica (Claudionor Barboza, Henrique Martins, Sr. José), direção,
apoio acadêmico (Tadeu Caggiano) e a Ana Paula Cabanal e Magali Rizzo, por todo o apoio ao longo do
Doutorado. Aos alunos de graduação Mauricio Bertachini e Rosa, pelo auxílio no campo. Aos moradores
da Vila Eutália, pela colaboração e compreensão ao longo do desenvolvimento do projeto, em especial
ao morador Wagner, pela ajuda nos trabalhos de campo.
Sinto-me muito agradecida também de poder contar com os amigos do Laboratório de Modelos
Físicos (LAMO), que sempre estão dispostos a ajudar, tanto nas atividades do projeto, quanto pela
amizade, que torna a jornada mais leve, são eles: Claudia Varnier, Alexandra Vieira Suhogusoff, Luiz
Ferrari, Ingo Wahnfried, Veridiana Martins, Carlos Maldaner, Tatiana Tavares, Marcos Mondin, Prof.
Reginaldo Bertolo. Agradeço também aos amigos da Pós-Graduação do IGc, por partilhar esta etapa
comigo. Agradeço ainda aos amigos que tive a sorte de encontrar durante o estágio realizado em
Waterloo, Jesse Stimson, Andrés Urrutia, Andréa Aliaga, Erika Williams, Amanda Sills, Jordi Helsen,
Juliana Gardenalli, Marcelo Sousa, Young-Keun Hwang, Soonyoung Yu, Holger Bastuck, Matthias Mast,
Sonja Amend, Maria Ortuño, Diana Puigserver. Aos meus amigos Flavia Facchin, Caio Barbieri, Marco
Antonio Silva, Milena Camacho, Caren E. Martins, por sempre serem meus amigos e me apoiarem em
todos os momentos. Aos amigos da turma da Geologia, que entraram em 1998 e/ou formandos de 2002,
em especial às amigas Liza Polo e Carolina Corrêa, pelo companheirismo na jornada ter continuado
mesmo após a formatura, por mais que os caminhos divirjam. Que estes laços de amizade continuem
através da distância.
Agradeço também a toda a minha família, pais, irmão, avós, primos, tios, sogros e cunhados,
que compreenderam a distância, as chateações e as coisas boas que ocorreram ao longo desta jornada.
Um agradecimento especial aos meus pais, Valdir Viviani e Siumara Baitz Viviani, por sempre estarem
ao meu lado e por serem os principais responsáveis por esta e todas as conquistas na minha vida, que
não seriam possíveis sem sua dedicação, orientação, amor e apoio, sempre. Ao meu irmão, Eric Baitz
Viviani, pelo companheirismo e por me apoiar e me ajudar sempre que precisei. Agradeço também ao
meu avô, Armando Baitz, que me ensinou a “nunca deixar a peteca cair”.
Ao meu marido, Paulo Lojkasek Lima, por ser minha base e pelo amor, confiança e
companheirismo, em todos os sentidos na minha vida.
“De tudo, ficaram três coisas: a certeza de que
ele estava sempre começando, a certeza de
que era preciso continuar e a certeza de que
seria interrompido antes de terminar.
Fazer da interrupção um caminho novo. Fazer
da queda um passo de dança, do medo uma
escada, do sono uma ponte, da procura um
encontro.”

Fernando Sabino (O Encontro Marcado)
Viviani-Lima 2007, ESTIMATIVA DE RECARGA EM ÁREAS URBANIZADAS: ESTUDO DE CASO NA BACIA DO
ALTO TIETÊ (SP). Tese de Doutoramento. Instituto de Geociências, USP.
RESUMO
A Bacia do Alto Tietê (BAT) abriga uma população de 19,5 milhões de pessoas numa área de
5.985 km2, correspondendo aproximadamente ao contorno da região Metropolitana de São
Paulo (RMSP). A BAT é composta por dois sistemas aqüíferos principais: o Sistema Aqüífero
Sedimentar (SAS) (1.452 km2) e o Sistema Aqüífero Cristalino (CAS) (4.238 km2). A
importância da água subterrânea na RMSP tem crescido significativamente nos últimos 20
anos. Diversas indústrias e condomínios têm utilizado a água subterrânea como fonte
complementar e muitas vezes exclusive de abastecimento de água, extraindo um volume que
corresponde a cerca de 13% do volume total de água distribuído pelas companhias de
abastecimento público. Apesar de sua importância, pouco se sabe sobre a qualidade e
quantidade de água que abastece esses sistemas aqüíferos. Além disso, em áreas urbanas, a
influência antrópica causa mudanças aos padrões de recarga natural dos sistemas aqüíferos.
Este estudo teve os seguintes objetivos: i) estimar a recarga no SAS em duas áreas com
diferentes padrões de ocupação urbana (alta e baixa densidade de impermeabilização),
utilizando diferentes métodos (flutuação dos níveis de água, aproximações darcinianas,
hidroquímica, isótopos estáveis); e ii) determinar a origem da água de recarga (vazamentos do
sistema de água e esgoto ou infiltração natural de chuva). Os períodos mais chuvosos e mais
secos para ambas as áreas foi janeiro e agosto, respectivamente, e a precipitação total para a
área menos urbanizada. O método de flutuação dos níveis de água estimou um valor de
recarga natural para a área menos urbanizada de 246 mm/a e 183 mm/a para a área
densamente urbanizada. Um valor de 481 mm/a foi obtido pelas aproximações darcinianas
para a área mais urbanizada e 311 mm/a para a área menos urbanizada e, se as estimativas
forem precisas, a diferença entre os resultados dos diferentes métodos indica a soma das
fontes de recarga antrópicas (respectivamente 298 mm/a e 65 mm/a). A análise dos dados
químicos de Na+, Cl-, NO -, NH + e SO 2- demonstrou a presença de vazamentos extensivos do
3 4 4
sistema de esgoto em ambas as áreas. Os resultados dos isótopos em NO - para a área
3
urbanizada (enriquecimento de δ15N e δ18O) e dados químicos (DOC, HCO -) indicam que a
3
desnitrificação tem papel importante na atenuação do nitrato no aqüífero. Os dados de níveis
de água, da zona não saturada e isótopos ambientais indicam que chuvas menores que
20 mm/dia ou 100 mm/mês não são capazes de recarregar o aqüífero. Os dados de δ18O e δ 2H
coletados em ambas as áreas apresentam-se sobre uma linha de mistura entre as assinaturas
da chuva (maior que 100 mm/mês) e água do sistema de abastecimento público, indicando a
contribuição destas fontes distintas na recarga dos aqüíferos (contribuição urbana de 14% na
recarga da área menos urbanizada e 67% na área mais urbanizada, corroborando os
resultados dos outros métodos). Os dados obtidos neste estudo indicam que vazamentos do
sistema de esgoto e de água de abastecimento têm papel fundamental na recarga do aqüífero
e na qualidade da água subterrânea.

Palavras-chave: Recarga, Hidrogeologia Urbana, Bacia do Alto Tietê, São Paulo, Isótopos
Estáveis
i
Viviani-Lima 2007, ESTIMATIVA DE RECARGA EM ÁREAS URBANIZADAS: ESTUDO DE CASO NA BACIA DO
ALTO TIETÊ (SP). Tese de Doutoramento. Instituto de Geociências, USP.
ABSTRACT
The Upper Tiete Watershed (UTW) has a population of 19.5 million in an area of 5,985 km2,
which corresponds approximately to the contour of the Metropolitan Region of Sao Paulo
(MRSP), Brazil. The UTW is comprised of two major aquifer systems: the Sedimentary Aquifer
System (SAS) (1,452 km2) and the Crystalline Aquifer System (CAS) (4,238 km2). The
importance of groundwater in the MRSP has increased substantially during the last 20 years.
Several industries and condominiums are using groundwater as a complementary and often
exclusive source of water supply, extracting a volume that corresponds to approximately 13% of
the total volume of water distributed by the public supply companies. Despite their importance,
not much is known about the quality and quantity of the water that recharge these aquifer
systems. Besides, in urban areas, the anthropogenic influence causes changes to the natural
water recharge patterns of the aquifer systems. This study had the following objectives: i)
estimating the recharge of the SAS in two areas with different land use patterns (high and low
density of paved surfaces), using different methods (water table fluctuation, Darcyan approach,
hydrochemistry, environmental isotopes); and ii) determining the origin of the recharge water
(leakage of supply water and sewerage system or natural infiltration of rainfall). The rainiest and
driest months for both areas were January and August, respectively, and the total precipitation
for the densely paved area was 1,193 mm and 1,407 mm for the least-paved area. The water
table fluctuation methodology estimated that natural recharge for the poorly urbanized area is
246 mm/a and 183 mm/a for the densely urbanized area. A value of 481 mm/a was obtained
through the Darcyan approach for the more urbanized area and 311 mm/a for the less
urbanized area and, if the estimations are accurate, the difference between the results of the
different methods indicates the sum of the anthropogenic recharge sources (respectively
298 mm/a and 65 mm/a). Analysis of chemical data for Na+, Cl-, NO -, NH + and SO 2- showed
3 4 4
the presence of extensive sewerage leakage in both areas. Results from isotopes in NO - for
3
the urbanized area (enrichment of δ15N and δ18O) and chemical data (DOC, HCO -) indicated
3
that denitrification plays an important role in attenuating the nitrate in the aquifer. The data from
water levels, the unsaturated zone and environmental isotopes indicate that rainfall volumes
lower than 20 mm/day or 100 mm/month are not able to recharge the aquifer. Data from δ18O
and δ 2H collected in both areas lie on a mixing line between the fingerprints of precipitation
water (higher than 100 mm/month) and water from the public supply system, indicating the
contribution of these distinct sources to the recharge of the aquifers (urban contribution of 14%
for the recharge of the less urbanized area and 67% in the more urbanized area, corroborating
the results of other methods). The data obtained in this study indicates that leakage of the
sewage and water distribution system plays a major role in the recharge of the aquifer and
groundwater quality.

Keywords: Recharge, Urban Hydrogeology; Upper Tietê Watershed, São Paulo, Stable
Isotopes

ii
Juliana Baitz Viviani-Lima Tese de Doutoramento – IGc-USP – 2007
Índice de Figuras

Figura 3-1. Esboço geológico da Região de São Paulo (Juliani 1992)........................................................7
Figura 3-2. A Hidrogeologia da Bacia do Alto Tietê (modificado de Hirata e Nunes da Silva 1999).........12
Figura 4-1. Os mecanismos de recarga em uma região (semi-)árida (Lerner 1997).................................15
Figura 4-2. Caminhos da precipitação para recarregar a água subterrânea em áreas urbanas (adaptado
de Lerner 2002)..........................................................................................................................................17
Figura 4-3. Rotas da água de abastecimento e esgoto para recarregar a água subterrânea em áreas
urbanas (adaptado de Lerner 2002)...........................................................................................................17
Figura 4-4. Vazamento de encanamento em zona urbana (Garcia-Fresca s/d)........................................18
Figura 4-5. Residência em bairro de classe média baixa de São Paulo apresentando vazamento de
esgoto (notar poça em frente à porta)........................................................................................................18
Figura 4-6. Encanamento quebrado em frente à mesma residência da foto anterior...............................18
Figura 4-7. A mistura fracional de duas águas subterrâneas quantificada com base nos conteúdos
isotópicos mostrados e a fração da água subterrânea “A” na mistura “A-B” (Clark & Fritz, 1997)............26
Figura 5-1. Localização da área de estudo da Cidade Universitária da USP (em vermelho, detalhada na
Figura 5-2) e o contorno do contato do embasamento com os sedimentos na Cidade Universitária da
USP (amarelo, baseado e, Iritani 1993).....................................................................................................32
Figura 5-2. Esquema da localização dos poços de monitoramento na Raia Olímpica e no CRUSP........33
Figura 5-3. Mapa com o contorno da bacia estudada na Vila Eutália.......................................................35
Figura 5-4. Mapa com a localização dos poços perfurados na Vila Eutália..............................................35
Figura 5-5. Sistema de coleta de águas subterrâneas utilizado................................................................41
Figura 5-6. Coletor de chuva......................................................................................................................44
Figura 5-7. Parte superior de tensiômetros com tampa para preenchimento com água destilada...........46
Figura 5-8. Parte inferior do tensiômetro com cápsula de porcelana........................................................46
Figura 5-9. Perfuração para instalação de tensiômetro com trado helicoidal de 1”...................................46
Figura 5-10. Instalação do tensiômetro......................................................................................................47
Figura 5-11. Tensiômetros instalados na Raia Olímpica (indicados pela seta, próximo ao P3R).............47
Figura 6-1. Seção Geológica da Área da Raia Olímpica da USP..............................................................51
Figura 6-2. Topografia da Área da Raia Olímpica da USP, indicando a posição aproximada das principais
feições da área...........................................................................................................................................51
Figura 6-3. Gráficos de variação do nível da água dos poços da Cidade Universitária com o tempo......52
Figura 6-4. Gráficos de variação do nível da água dos poços da Cidade Universitária com o tempo e
chuva diária................................................................................................................................................53
Figura 6-5. Mapa potenciométrico da região da Raia Olímpica no período seco......................................57
Figura 6-6. Mapa potenciométrico da região da Raia Olímpica no período úmido....................................58
Figura 6-7. Mapa potenciométrico da região da Raia Olímpica com novos poços....................................59
Figura 6-8. Resultado do monitoramento dos poços instalados nas extremidades da Raia Olímpica da
USP............................................................................................................................................................60
Figura 6-9. Resultado do monitoramento dos tensiômetros da Raia Olímpica da USP............................61
gura 6-10. Seção Geológica da Área da Vila Eutáli...................................................................................64
Figura 6-11. Mapa topográfico da Área da Vila Eutália.............................................................................64
Figura 6-12. Gráfico de precipitação acumulada por mês em mm para a região de Aricanduva (dados do
CGE-SIURB)..............................................................................................................................................65
iii
Juliana Baitz Viviani-Lima Tese de Doutoramento – IGc-USP – 2007
Figura 6-13. Gráfico de precipitação acumulada por mês em mm para a região da Penha (dados do
CGE-SIURB)..............................................................................................................................................65
Figura 6-14. Gráficos de variação do nível da água dos poços da Vila Eutália com o tempo...................66
Figura 6-15. Gráficos de variação do nível da água dos poços da Vila Eutália com o tempo e chuva
diária...........................................................................................................................................................67
Figura 6-16. Mapa potenciométrico da região da Vila Eutália no período seco (as setas indicam a direção
do fluxo)......................................................................................................................................................70
Figura 6-17. Mapa potenciométrico da região da Vila Eutália no período úmido (as setas indicam a
direção do fluxo).........................................................................................................................................71
Figura 6-18. Gráfico de variação do nível da água com o tempo dos poços P4V-7.5 e P4V-15, na Vila
Eutália.........................................................................................................................................................72
Figura 6-19. Diagrama de Piper modificado para as amostras da Cidade Universitária da USP. Nível 1
refere-se aos poços instalados a 4,5 m; Nível 2, a 7,5 m e Nível 3, a 13,5 m...........................................77
Figura 6-20. Mapas de isoconcentrações de Cl no período de seca.........................................................82
Figura 6-21. Mapas de isoconcentrações de Cl no período úmido...........................................................83
Figura 6-22. Mapas de isoconcentrações de NH + no período de seca....................................................84
4
Figura 6-23. Mapas de isoconcentrações de NH + no período úmido.......................................................85
4
Figura 6-24. Diagrama de Piper modificado para as amostras da Vila Eutália.........................................88
Figura 6-25. Diagrama de Piper modificado para as amostras da Vila Eutália, destacando os poços com
nível mais alto de contaminação................................................................................................................89
Figura 6-26. Mapas de isoconcentrações de Cl- no período de seca........................................................93
Figura 6-27. Mapas de isoconcentrações de Cl- no período úmido...........................................................94
Figura 6-28. Mapas de isoconcentrações de NO - no período de seca.....................................................95
3
Figura 6-29. Mapas de isoconcentrações de NO - no período úmido.......................................................96
3
Figura 6-30. Perfis e localização dos perfis com concentrações de NO - e H CO - em mg/L para o
3 2 3
período de seca na área da Vila Eutália. As setas indicam a tendência de aumento das concentrações.98
Figura 6-31. Valores de δ15N X δ18O em NO - e as diferentes fontes possíveis de contaminação por NO -.
3 3
(Clark & Fritz, 1997)...................................................................................................................................99
Figura 6-32. Concentrações de NO - e H CO - em mg/L e δ15N para o período de seca na área da Vila
3 2 3
Eutália.......................................................................................................................................................100
Figura 6-33. Valores de δ18O e δ15N em NO - nas amostras de água subterrânea da Vila Eutália.........101
3
Figura 6-34. Valores de δ15N X concentração de N-NO - nas amostras de água subterrânea da Vila
3
Eutália.......................................................................................................................................................101
Figura 6-35. Valores mensais de precipitação e de δ18O na água da chuva da Cidade Universitária da
USP..........................................................................................................................................................102
Figura 6-36. Valores mensais de precipitação e de δ2H na água da chuva da Cidade Universitária da
USP..........................................................................................................................................................102
Figura 6-37. Valores mensais de δ18O e δ2H na água da chuva da Cidade Universitária da USP, reta
meteórica local para a Cidade Universitária da USP (LMWL), reta meteórica global (GMWL, Craig 1961)
e médias ponderadas das chuvas (total de um ano e considerando apenas chuvas maiores que 100
mm)...........................................................................................................................................................104
Figura 6-38. Valores mensais de δ18O e δ2H na água da chuva da Cidade Universitária da USP, reta
meteórica local para a Cidade Universitária da USP, reta meteórica global (GMWL, Craig 1961), médias
ponderadas das chuvas (total de um ano e considerando apenas chuvas maiores que 100 mm) e médias
para os poços instalados na Cidade Universitária...................................................................................105
Figura 6-39. Valores mensais de precipitação e de δ18O na água da chuva da Vila Eutália...................106
Figura 6-40. Valores mensais de precipitação e de δ2H na água da chuva da Vila Eutália....................106
iv