Modelo conceitual da hidrodinâmica do transporte de gasolina e etanol em um aquífero costeiro raso

Abstract

O entendimento do transporte de contaminantes na subsuperfície é uma das questões científicas mais relevantes das últimas décadas. Derramamentos acidentais de produtos podem dissolver e infiltrar rapidamente na zona vadosa e, ao atingir o aquífero, representar um risco para os recursos hídricos. O ambiente subterrâneo é caracterizado por heterogeneidades em diferentes escalas, forçantes hidrológicas e estresses antrópicos que determinam um campo de fluxo altamente variável. Ao analisar o transporte, esta variabilidade põe uma dificuldade prática na compreensão dos mecanismos ativos e constitui um fator de incerteza na análise das plumas. Dentro da situação descrita, o presente trabalho apresenta uma análise dos fenômenos que determinam o fluxo natural subterrâneo na escala de campo. Simultaneamente, o estudo visa destacar os efeitos deste fluxo variável no transporte irregular de plumas de BTEX e etanol. Por conseguinte, se demonstra que o regime hidráulico local representa uma informação central para a escolha de tecnologias de remediação ou planos de monitoramento nas áreas contaminadas. O caso de estudo, situado em um aquífero costeiro, é caracterizado por um lençol freático raso em um clima subtropical úmido. Assim, o trabalho se destaca por abranger um amplo conjunto de fatores na definição do campo de fluxo natural, como: oscilação periódica de maré, ativação dos canais de drenagem, variação de infiltração e recarga, interconexão hidráulica das áreas alagadas e das lentes suspensas. De um ponto de vista metodológico se integram a revisão crítica de bancos de dados históricos, a coleta de novas informações de campo, e o uso de ferramentas numéricas na compreensão conceitual da hidrogeologia regional e das peculiaridades da circulação subterrânea na escala local. A abordagem estatística proposta nas análises permite gerenciar e correlacionar uma elevada quantidade de dados. Os resultados confirmam a elevada variabilidade do fluxo no tempo e no espaço, destacam o processo de recarga como a principal forçante na flutuação do lençol freático e mostram como o nível hidráulico dos receptores impacta o perfil do lençol freático. Sobretudo o retículo de drenagem superficial, ao se ativar, altera por completo o campo de escoamento local, e representa um termo relevante no balanço hídrico da planície. Ao mesmo tempo, a migração e degradação das plumas de BTEX resultam determinadas pelo conteúdo de etanol na fonte e pelo regime de fluxo local. A análise dos centroides das plumas nos experimentos de campo revela uma componente vertical no transporte que precisa ser considerada no gerenciamento de áreas contaminadas. As principais incertezas nas elaborações apresentadas estão relacionadas à falta de caracterização detalhada das heterogeneidades geológicas do meio poroso. Concluindo, a importância desta pesquisa se deve a sua dúplice utilidade: de um lado destacar metodologias e aplicações inéditas para a ciência (teoria), e por outro descrever processos importantes para tomada de decisões em áreas contaminadas (pratica).

Abstract: The understanding of contaminant transport mechanisms in the subsurface represented, in the last decades, a relevant issue for scientific community. Accidental spills of products can quickly dissolve and infiltrate the vadose zone and, upon reaching an aquifer, they pose a risk to water resources. The subsoil environment is characterized by heterogeneities at different scales, transient hydrological and anthropogenic stresses of various types that determine a highly variable natural flow field. When analyzing solute transport, this variability poses a practical difficulty in understanding the active mechanisms at different scales, by the non-scalability of the parameters used to describe the problem, and constitutes a factor of uncertainty in the plume analysis. Thus, the present work focus on analyzing the main phenomena that determine natural groundwater flow at field scale. At the same time, this study aims to highlight the impacts of this variable flow on the transport of BTEX and ethanol plumes, demonstrating how the understanding of the local hydraulic regime represents a central information for the choice of remediation technologies or monitoring plans in contaminated areas. The case study is located in a coastal aquifer, characterized by shallow water table and subject to humid subtropical climate. Thus, the work stands out as covering a wide range of factors in the definition of the natural flow field, such as periodic tidal oscillation, activation of drainage channels, variation of infiltration and recharge, hydraulic interconnection of flooded areas and suspended lenses. The proposed approach integrates critical review of historical databases, collection of new field information, and application of numerical tools in the development of a regional conceptual model that explains the peculiarities of the groundwater circulation occurring at local scale. The results: (i) confirmed the high spatiotemporal variability of groundwater flow at the site, (ii) highlighted recharge process as the main force in the water table fluctuation, and (iii) showed how the hydraulic level of the surface receptors (i.e. sea, river) affects water-table shape. Surface drain network, when activated, completely changes the local flow field, representing a factor worthy of greater attention in future works. Migration and degradation of BTEX compounds are controlled by ethanol content in the source and local hydraulic regime. In addition, the analysis of plume centroids in the field experiments showed a relevant vertical component that should be considered in the management of contaminated areas. The major uncertainties in the analysis are related to the lack of detailed characterization of the geological heterogeneities of the porous medium. Overall, the research have a twofold utility: (1) highlighting new methods for science to understand dissolved contaminants in the environment (theory), and (2) describing active processes in contaminated areas to support decision?makers and governmental entities (practical).