Modelagem das interações entre as águas subterrâneas e superficiais em um aquífero cárstico sob o regime de bombeamento de uma mina subterrânea

Abstract

Estima-se que entre 9% e 25% da população global dependa em grande parte ou inteiramente das águas subterrâneas obtidas em zonas cársticas. No entanto, seu funcionamento, desenvolvimento e nível de fragilidade permanecem em grande parte desconhecidos, pois precisam de técnicas específicas de exploração e abordagens de modelagem. Um exemplo de zona cárstica pode ser encontrado no município de Vazante, no estado de Minas Gerais, Brasil, que se localiza em uma área cárstica explorada pela indústria da mineração subterrânea desde o ano de 1989. Na superfície, no trecho próximo à mina, o rio Santa Catarina seca durante o período de estiagem desde 2014. Neste contexto, o presente estudo buscou avaliar de forma integrada as interações entre as águas subterrâneas e superficiais em um ambiente cárstico, sob influência do rebaixamento causado pela mina subterrânea, a partir do acoplamento do modelo hidrogeológico em FEFLOW e o modelo hidrodinâmico em Mike Hydro River. Dessa forma, foi possível representar as dinâmicas de fluxo que levaram ao secamento do rio no ano de 2021. A calibração dos modelos acoplados para a vazão no rio Santa Catarina foi satisfatória, com um índice KGE de 0,72 na estação a montante da influência da mina, e de 0,77 na estação sob influência direta do rebaixamento da mina. A representação do trecho próximo da mina onde o leito seca se mostrou um desafio, visto que a vazão nesse trecho é influenciada diretamente pelo escoamento nos condutos cársticos que conectam o rio à mina subterrânea. Observa-se que as taxas de infiltração aumentam nesse trecho, onde há um nível maior de fraturamento do meio cárstico. Nesse trecho, os dados observados mostraram que a taxa de infiltração mensal média foi de 2.834 m ³/h, variando entre 411 m³/h e 7.200 m³/h no período seco de 2021. O modelo acoplado apresentou a vazão infiltrada média de 706 m³/h pelo leito do rio (difuso) e 7.898 m³/h pelos condutos cársticos (pontual), resultando em um trecho seco médio de 590 m e máximo de 8,2 km, durante o período seco de 2021. Por fim, o estudo realizado demonstrou a aplicabilidade do acoplamento dos modelos de águas subterrâneas e superficiais, por meio do plugin PiMIKE1D para a representação de baixas vazões, em um estudo cuja dinâmica é controlada pela alta heterogeneidade hidrogeológica do ambiente cárstico. Apesar de a demanda computacional para a execução desse acoplamento ter sido considerada alta, conclui-se que essa metodologia pode ser aplicada para a avaliação integrada de águas superficiais e subterrâneas em ambientes hidrogeológicos complexos, onde a avaliação e/ou gestão integrada dos recursos hídricos muitas vezes é essencial e pouco abordada.

Abstract: It is estimated that between 9% and 25% of the global population relies mainly or entirely on groundwater obtained from karst zones. However, their functioning, development and level of fragility remain largely unknown since they require specific exploration techniques and modeling methods. An example of a karst zone can be found in the city of Vazante, in the state of Minas Gerais, Brazil, which is located in a karst area exploited by an underground mining industry since 1989. On the surface, close to the mine, the Santa Catarina River has dried up during the dry season since 2014. The present study used a coupling of the hydrogeological model in FEFLOW and the hydrodynamic model in Mike Hydro River to analyze in a comprehensive way the interactions between groundwater and surface water in a karst environment, influenced by the lowering caused by the underground mine. In this way, it was possible to represent the flow dynamics and the river falling dry in the year 2021. The calibration of the coupled models for the flow in the Santa Catarina River was satisfactory, with a KGE index of 0.72 at the station upstream of the influence of the mine, and 0.77 at the station under the direct influence of the water table lowering. The representation of the river falling dry proved to be a challenge, because the flow in this section is directly influenced by the flow in the karst conduits that connect the river to the underground mine. The infiltration rates increase in this stretch, where there is a higher level of fracturing of the karst environment. In this section of the river, the observed data showed that the average monthly infiltration rate was 2,834 m³/h, varying between 411 m³/h and 7,200 m³/h in the dry period of 2021. The coupled model presented an average infiltration flow of 706 m³/h through the riverbed and 7,898 m³/h through the karst conduits, resulting in an average dry stretch of 590 m and a maximum of 8.2 km, during the dry period of 2021. Ultimately, the study demonstrated the applicability of groundwater and surface water coupling using the PiMIKE1D plugin, to simulate low flows, in a study where dynamics is controlled by the high hydrogeological heterogeneity of the karst environment, which models karst conduits as discrete features. It is concluded that, despite the large computational cost associated with this coupling, this methodology can be applied to the integrated assessment of surface and groundwater in complex hydrogeological environments, where the integrated assessment of water resources is often essential yet understudied.