Diagnóstico do uso da água subterrânea como subsídio à gestão municipal de recursos hídricos

A região que abrange as bacias hidrográficas dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí (PCJ) demonstra uma crescente demanda na explotação e uso das águas subterrâneas, que acompanha o aumento populacional e da urbanização. Levantamentos regionais indicam cenários de limitações na disponibilidade hídrica subterrânea associados a grandes volumes de águas extraídos, mostrando a necessidade de um acompanhamento, também em escala local, sobre a situação do uso dos recursos hídricos. Nesse sentido, este trabalho teve como proposta avaliar os dados existentes e disponíveis sobre a água subterrânea, em escala municipal, com o intuito de elaborar um diagnóstico sobre a sustentabilidade do uso da água. Selecionou-se o município de Sumaré-SP, por estar inserido em área crítica quanto à disponibilidade hídrica e por contemplar no seu Plano Diretor diretrizes para a gestão ambiental integrada. A partir de dados de cadastros oficiais de poços, foram avaliados os aquíferos mais explotados quanto a: potencialidade hídrica (vazões e capacidades específicas médias e medianas, profundidade dos poços e dos níveis d’água), finalidades de uso da água, densidade de poços e intensidade de extração de água subterrânea e saldo hídrico. A constatação de existência de áreas onde ocorre déficit hídrico levou a recomendações como o aprofundamento nos estudos hidrogeológicos, assim como o acompanhamento da evolução da situação da explotação hídrica no município e de ocorrência de conflitos de uso.

The 3H/3He Groundwater Age-Dating Method And Applications

Groundwater age-dating is an important tool for quantifying and managing water resources. Groundwater age is the elapsed time between recharge (at the land surface or water table) and the time when groundwater is sampled. If groundwater is sampled at the point of discharge from an aquifer, then the age represents the groundwater transit time. Groundwater that has recharged in recent decades is considered young groundwater. In many areas, the quality and quantity of young groundwater has been impacted by human activities and groundwater age-dating is useful for quantifying current and historical water and contaminant fluxes into and through aquifers. This review is focused on the tritium-helium (3H/3He) method, which is a robust and widely applied age-dating technique for young groundwater. We present the development of the 3H/3He method and practical considerations for sampling groundwater in shallow unconfined aquifers. Along the way, we highlight available resources: (1) educational software for building intuition around groundwater age-dating and selection of sampling sites and (2) software that can be used to calculate 3H/3He age from noble gas and 3H data. We also highlight strengths and potential uncertainties associated with the method. For example, while other age-dating techniques require a known historical record of tracer concentration in the atmosphere, the 3H/3He age-dating technique does not require such historical records. However, the 3H/3He method requires measurement of two tracers to produce a groundwater age estimate (“apparent age” or “tracer age”). Precise measurement of 3H and noble gases, plus careful analysis of noble gas data to calculate the tritiogenic 3He (i.e., the portion of 3He derived from decay of 3H in the aquifer) is required to calculate the groundwater apparent age. Sampling for noble gases is sometimes challenging and requires specialized sample containers and technique. We also introduce basic sampling methods in this review but highlight how practitioners should work closely with a noble gas laboratory to obtain the correct containers and assess field conditions and/or the overall feasibility of projects. Lastly, the review highlights recent applications of the 3H/3He method, including recharge rate estimation, characterization of contaminant input histories for aquifers, quantifying groundwater transit times by sampling at aquifer discharge points, and the use of isotope data to constrain and inform numerical and statistical models of groundwater and contaminant movement in the subsurface.

Editorial

É com imensa satisfação que lançamos Derbyana, a revista peer-reviewed e de acesso aberto dedicada a Geociências do Instituto de Pesquisas Ambientais da Secretaria de Infraestrutura e Meio Ambiente do Estado de São Paulo. Derbyana dá continuidade à Revista do Instituto Geológico (1980-2020) e ao periódico do Instituto Geográfico e Geológico, o I.G.G. (1943-1968), que foram antecedidos pelos boletins científicos da Comissão Geographica e Geologica do Estado de São Paulo, editados desde 1889. O nome escolhido para a revista é uma homenagem a Orville Adelbert Derby (1851-1915), um dos patronos das Geociências no Brasil e um dos fundadores da Commissão Geographica e Geológica de São Paulo, criada em 1886, que realizou pesquisas pioneiras sobre solo, clima, geomorfologia, geologia e hidrografia no âmbito do Estado de São Paulo. Essa Comissão, de cunho científico e expedicionário, foi o embrião de diversas instituições de pesquisa do Estado de São Paulo tais como o Instituto Geológico, Instituto Florestal, Instituto de Botânica, Instituto Geográfico e Cartográfico, Instituto Astronômico e Geofísico, Museu Paulista e Museu de Zoologia. Seguindo sua antecessora (Revista do Instituto Geológico), Derbyana tem como finalidade publicar artigos relacionados às Geociências e áreas correlatas, inéditos e originais, de caráter científico e/ou tecnológico. Destina-se também à publicação de revisões, mapas e cartas, notas prévias, comentários, críticas e réplicas de artigos. Nossos esforços continuarão no sentido de aprimorar a indexação internacional e os índices de citação, bem como adotar a publicação imediata dos artigos, assim que finalizadas as etapas de revisão e editoração. Derbyana contará também com a publicação de seções dedicadas a temas relevantes em Geociências, bem como mapas e cartas com importante contribuição científica e metodológica. Nesse volume inicial, a revista Derbyana apresenta uma série de trabalhos sobre as “Aplicações de Isótopos em Estudos Hidrológicos e Ambientais”, organizada pelo ilustre Prof. Dr. Didier Gastmans do Centro de Estudos Ambientais (CEA) da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP), especialista em Hidrogeologia. As aplicações dos isótopos são cruciais para aprofundar o conhecimento sobre o funcionamento do ciclo hidrológico e sua relação com outros compartimentos geoambientais e o clima, contribuindo para a preservação dos ecossistemas terrestres frente às ações antropogênicas. Os artigos retratam o atual estado da arte sobre o tema e constituem referência importante para pesquisas futuras, que podem nortear diretrizes para o uso sustentável e gestão dos recursos hídricos.Convidamos todos a submeterem artigos para a revista. O Corpo Editorial

Aplicação de gases nobres e seus isótopos na hidrogeologia

À medida que as demandas por água aumentam, torna-se imperativo conhecer as dinâmicas de circulação das águas subterrâneas nos aquíferos, informação indispensável para a gestão sustentável dos mesmos. As técnicas envolvendo os traçadores ambientais e, dentre estes, especificamente aqueles inerentes aos gases nobres e seus isótopos, fornecem valiosas informações, como por exemplo, os tempos de residência das águas subterrâneas e as paleotemperaturas de recarga. Os gases nobres, representados pelo He, Ne, Ar, Kr e Xe possuem propriedades físicas e químicas que variam sistematicamente com seu peso atômico, além de amplas variações em suas composições isotópicas decorrentes de processos nucleares a partir de elementos parentais relativamente mais abundantes. Pelo fato de serem inertes, os gases nobres não sofrem alterações químicas e isotópicas nas interações água-rocha. Sua presença nas águas subterrâneas pode ser interpretada como uma mistura entre a componente atmosférica e a componente não atmosférica (radiogênica e/ou terrigênica). Enquanto a componente atmosférica guarda registros de dinâmicas pretéritas associadas aos processos de recarga e, portanto, de paleoambientes e clima, as componentes não atmosféricas, essencialmente associadas aos isótopos de He (3He e 4He), assim como isótopos radiogênicos, entre eles o 81Kr, 85Kr e 39Ar, fornecem informação de caráter cronológico. O presente artigo apresenta uma completa revisão bibliográfica sobre o significado da concentração dos gases nobres dissolvidos em água, suas respectivas componentes e os caminhos metodológicos empregados para extrair informações para a hidrogeologia. Da mesma forma, são apresentadas as práticas amostrais de campo, as estratégias analíticas e os caminhos metodológicos para o tratamento dos dados, a partir da alusão aos principais trabalhos desenvolvidos pela comunidade científica internacional. Finalmente, são apresentadas e discutidas as iniciativas pioneiras em gases nobres no Brasil, com destaque para as aplicações no âmbito do Sistema Aquífero Guarani. Dessa forma, o presente trabalho fornece uma ampla visão do uso dos gases nobres e informações relevantes para a difusão das referidas técnicas no país.

Prefácio

Prefácio

Aplicação de isótopos estáveis de carbono no estudo das mudanças climáticas e ambientais

O carbono está presente em uma ampla variedade de reservatórios naturais como rochas, solos, oceanos e atmosfera e é um dos principais componentes dos organismos vivos. As razões entre os seus dois isótopos mais abundantes 12C e 13C, descritas pela notação δ13C, são fundamentais para o entendimento da dinâmica e evolução desses reservatórios. O fracionamento entre 12C e 13C ocorre principalmente pela fotossíntese, que incorpora preferencialmente 12C nas moléculas orgânicas, que por sua vez determinam os valores de δ13C de grande parte da biota, além de outros materiais. Por exemplo, no caso das plantas, sua assinatura isotópica pode ser transferida ao solo e posteriormente a espeleotemas de cavernas ou a sedimentos transportados pelos rios e depositados nos oceanos. Outro exemplo seria o caso da fotossíntese de algas marinhas que afeta a assinatura isotópica da água do mar, que é transferida para as carapaças carbonáticas de organismos marinhos, tal como foraminíferos. Os valores de δ13C desses materiais (i.e., moléculas orgânicas, espeleotemas, foraminíferos) estão intimamente relacionados com as condições climáticas e ambientais nas quais os mesmos se formaram. Nessa revisão, apresentamos como se dá a dinâmica do δ13C nas plantas, solos, rochas e oceanos e como o estudo desses reservatórios nos revela informações a respeito do clima e do ambiente do presente e do passado, além de propiciar o entendimento de processos biológicos e geológicos. Os exemplos analisados aqui tratam principalmente de estudos de reconstituições paleoambientais e paleoclimáticas desenvolvidas no território brasileiro e no oceano adjacente.

O que os isótopos de estrôncio nos ensinam sobre as águas subterrâneas

As razões entre os isótopos de estrôncio (87Sr/86Sr) constituem excelentes traçadores de processos hidrogeoquímicos. Isso se deve a sua característica conservativa, ou seja, não serão fracionados por processos geológicos superficiais, como, por exemplo, processos de interação água-rocha, de intemperismo, de salinização e na determinação de fontes de 87Sr, constituindo informação relevante na compreensão da circulação das águas subterrâneas. No Brasil, poucos estudos hidrogeológicos utilizaram essas razões entre os isótopos de estrôncio na compreensão de processos hidrogeoquímicos. A pouca utilização desta técnica versátil está associada ao pequeno número de laboratórios brasileiros com capacidade analítica para a determinação das razões 87Sr/86Sr em águas subterrâneas, uma vez que são necessários equipamentos de elevada precisão, como espectrômetros de massa por termo-ionização (TIMS) ou plasma indutivamente acoplado (ICP-MS), equipe e infraestrutura especializada. Além disso, devido à complexidade da interpretação dos resultados, são necessários dados complementares e um profundo conhecimento do contexto hidrogeológico. Neste sentido, o presente trabalho busca incentivar o uso dos isótopos de estrôncio e, para tanto, traz a apresentação dos conceitos principais para compreensão e avaliação dos isótopos de estrôncio em águas subterrâneas, iniciando com a revisão dos fundamentos teóricos acerca da geoquímica do estrôncio, seus isótopos e o ciclo desses isótopos. Na sequência, são apresentados os procedimentos de amostragem e análise, seguidos pela revisão dos estudos de águas subterrâneas brasileiros que utilizaram este traçador. Por fim, considerações sobre a técnica e oportunidades de aplicação em estudos hidrogeológicos são apresentadas. Visto que a grande maioria dos sistemas aquíferos brasileiros não possuem dados da razão 87Sr/86Sr, há grandes oportunidades de expansão desta linha de pesquisa, com produção de dados inéditos e inclusão deste traçador em programas de monitoramento de águas subterrâneas.

Aplicação de isótopos de rádio e radônio em estudos do aporte de águas subterrâneas para rios e região costeira

O presente trabalho teve como objetivo servir como um guia orientador àqueles que desejam utilizar os isótopos de rádio (228Ra, 226Ra, 224Ra, 223Ra) e o 222Rn, como traçadores naturais, em estudos envolvendo a descarga de água subterrânea para a região costeira (Submarine Groundwater Discharge, SGD) e, também, para rios e lagoas. Nota- se, uma carência de estudos hidrogeológicos desenvolvidos no Brasil empregando- se tais traçadores. Como potenciais razões para tal estão a necessidade de conhecimento e de equipamentos especializados. Dessa forma, o leitor irá encontrar nesse trabalho uma breve descrição dos métodos de medição empregados e os fundamentos básicos que norteiam essas aplicações.

Uso dos isótopos 15N e 18O em nitrato e a sua importância em estudos de contaminação de aquíferos urbanos na América Latina

Este trabalho analisa o estado atual do conhecimento sobre o uso de isótopos estáveis (15N e 18O) na identificação de fontes de nitrato e os processos que controlam o transporte e transformação das espécies nitrogenadas em aquíferos situados em áreas urbanas e periurbanas na América Latina. Ao longo desse artigo, apresentam-se: (i) as principais reações e processos que controlam o nitrogênio dentro do ciclo; (ii) as fon-tes de contaminação de nitrato nas águas subterrâneas; (iii) as composições isotópicas de 15NNO3 e 18ONO3 de acordo com as fontes e fatores que levam a seu fracionamento; (iv) o uso combinado de outros traçadores (Cl-, 11B, 34S, 18OSO4) com os isótopos 15NNO3 e 18ONO3 em estudos de contaminação; e (v) estudos de caso na América Latina que empregam isótopos ambientais em aquíferos urbanos. Embora existam muitos dados acerca da composição isotópica de nitrato em águas subterrâneas, estes restringem-se a regiões situadas na Europa, América do Norte, Ásia e Oceania, constatando-se uma latente lacuna de dados no cenário latino-americano. Dessa forma, mais estudos são necessários concentrando-se no uso de modelos estáveis de mistura de isótopos e na melhoria da compreensão sobre o fracionamento isotópico mediante realização de ex-perimentos laboratoriais e de campo em áreas urbanas na América Latina.

Aplicação do isótopo radioativo de carbono (14c) na determinação de tempos de residência em aquíferos

O uso de isótopos em estudos hidrogeológicos constitui uma importante ferramenta na construção de modelos conceituais de funcionamento, bem como na determinação de parâmetros relacionados à recarga e ao fluxo das águas subterrâneas. O isótopo radiativo do carbono (14C), também conhecido como radiocarbono, tem uma meia-vida de 5.730 anos na natureza. A datação de águas subterrâneas por radiocarbono é feita a partir da estimativa de tempo de decaimento dos isótopos de carbono durante o fluxo da água no aquífero. Como a quantidade de carbono dissolvido na água não é conservativa, outras fontes podem adicionar carbono ao sistema a partir de reações químicas, como por exemplo a dissolução de carbonatos presentes na matriz do aquífero. Dessa forma, na estimativa de idades de amostras de água subterrânea frequentemente faz-se uso de modelos de correção. Apesar das dificuldades associadas, a datação por radiocarbono é uma poderosa ferramenta no estudo de aquíferos. O relativo baixo custo das análises, aliado a uma meia-vida que cobre uma importante faixa de idades na interpretação dos processos hidrogeológicos, e a quase onipresença de carbono dissolvido nas águas subterrâneas, torna-o muito conveniente e utilizado na investigação de águas subterrâneas com tempos de residência entre 500 e 40.000 anos. Assim, este artigo traz um resumo sobre a fundamentação teórica por trás dessa técnica e suas aplicações em estudos hidrogeológicos, especialmente no Brasil, em que a aplicação do 14C na determinação de tempos de residência vem ocorrendo desde a década de 1970, tendo o uso se iniciado na região Nordeste do país. Posteriormente, na década de 1980, os estudos foram estendidos aos aquíferos das regiões Sudeste e Sul. Apenas recentemente foram realizados estudos de radiocarbono nos aquíferos da região Amazônica. Alguns exemplos desse emprego são apresentados no artigo, como ilustração da utilidade desse importante marcador.