17A água subterrânea

Num dia quente de verão, os campos estão secos e os riachos estão baixos. Mesmo assim, no pé de um morro, a água continua brotando do chão, fria e limpa, como brotou o inverno todo, e enche um poço natural. Não chove há semanas. De onde vem essa água, e como ela sai da rocha?

O que você já sabe

Quase toda a água da Terra é água salgada; a água doce é uma pequena parte, guardada sobretudo como gelo e embaixo do chão (Capítulo 3). Rochas como o arenito e o calcário são feitas de grãos ou de conchas grudados uns nos outros, enquanto a argila e o folhelho são feitos de partículas muito finas (Capítulo 15). No livro de física, você seguiu a água pelo ciclo da água: ela evapora dos mares, se condensa em nuvens e cai de volta como chuva ou neve.

17.1 A chuva se infiltra

Quando a chuva cai na terra, a água pode seguir três caminhos. Uma parte evapora de volta para o ar. Uma parte corre pela superfície, encosta abaixo, até os riachos e os rios: é o escoamento superficial. O resto se infiltra no chão.

Definição 17.1 (Infiltração)

A infiltração é a penetração da água da chuva, ou da neve derretida, no chão, através do solo e até as rochas.

A quantidade de água que se infiltra depende do chão. Numa encosta íngreme, num chão descoberto ou duro, numa rua ou num estacionamento, ou quando o solo já está encharcado, a maior parte da água escorre. Numa encosta suave, embaixo da grama e das árvores, num solo arenoso, uma parte maior tem tempo de se infiltrar.

17.2 Rochas porosas e permeáveis

Observe um punhado de areia seca com uma lupa: entre os grãos há espacinhos vazios. Despeje água nela, e a água enche esses espaços. Muitas rochas são assim: elas são cheias de buraquinhos entre os seus grãos, ou de rachaduras finas.

Definição 17.2 (Porosidade)

Os poros de uma rocha são os espaços vazios entre os seus grãos e nas suas rachaduras. Uma rocha com poros é porosa. A sua porosidade é a parte do seu volume formada por poros, escrita como porcentagem.

Definição 17.3 (Permeabilidade)

Uma rocha é permeável quando a água consegue atravessá-la, porque os seus poros são grandes o bastante e ligados uns aos outros. Ela é impermeável quando a água não consegue atravessá-la. A permeabilidade é a facilidade com que a água atravessa uma rocha.

As duas ideias não são a mesma coisa. A argila é muito porosa: metade do seu volume é formada por poros. Mas os seus poros são tão minúsculos que a água fica presa neles: a argila é impermeável. A areia tem menos poros que a argila, mas eles são largos e ligados: a areia é permeável. O granito sem rachaduras quase não tem poros.

A tabela dá a porosidade de alguns materiais e a parte da água que sai deles sozinha quando eles estão cheios de água. O resto fica grudado nos grãos.

Método 17.4 (Quanta água uma rocha guarda?)

1. Encontre o volume da rocha (para um bloco: comprimento $\times$ largura $\times$ altura).
2. Multiplique pela porosidade e divida por 100: isso é o volume dos poros, ou seja, a água que a rocha guarda quando está cheia.
3. Para a água que escoa, use a segunda porcentagem do mesmo jeito. (1 metro cúbico é 1000 litros.)

Exemplo 17.5 (Um metro cúbico de areia)

Um metro cúbico de areia, cheio de água, guarda $1000 \times 25 \div 100 = 250$ litros de água nos seus poros. Desses, $1000 \times 22 \div 100 = 220$ litros escoam sozinhos; 30 litros ficam grudados nos grãos. Um metro cúbico de argila guarda o dobro de água, 500 litros, mas só 20 litros escoam.

No laboratório — Areia ou argila? (em aula, com a professora)

Dois vasos de flores com um furo no fundo ficam em cima de dois copos. Um é cheio de areia seca, o outro de terra argilosa seca, bem apertada. A professora despeja o mesmo copo de água em cada um, ao mesmo tempo. Através da areia, a água logo pinga no copo de baixo. Na argila, a água fica em cima como uma poça, e só algumas gotas passam, devagar: a areia é permeável, a argila não.

17.3 A água subterrânea e o lençol freático

Cave um buraco na areia de uma praia, a alguns passos do mar: depois de um tempinho, a água aparece no fundo do buraco. Você chegou ao lugar onde todos os poros da areia estão cheios de água.

Definição 17.6 (Água subterrânea)

A água subterrânea é a água embaixo do chão que enche os poros e as rachaduras do solo e das rochas.

Definição 17.7 (Lençol freático)

Abaixo de uma certa profundidade, todos os poros da rocha estão cheios de água. O lençol freático é o topo dessa zona cheia de água. Acima dele, os poros guardam ar e um pouco de água; abaixo dele, eles estão cheios de água.

O lençol freático não é plano. Ele segue a forma do terreno, mas de modo mais suave: mais alto embaixo dos morros, mais baixo embaixo dos vales. Ele também sobe e desce com as estações. Depois de uma estação chuvosa, a chuva que se infiltrou o faz subir; depois de uma longa estação seca, a água escoa devagar para as fontes e os rios, e o lençol freático desce.

A água subterrânea é uma grande reserva de água doce. De toda a água doce da Terra, cerca de 69 % é gelo e neve permanente, e cerca de 30 % é água subterrânea; a água doce de todos os lagos é só cerca de um quarto de um por cento. A água subterrânea é mais de cem vezes mais abundante que a água doce dos lagos.

17.4 Fontes e poços

Definição 17.8 (Fonte e poço)

Uma fonte é um lugar onde a água subterrânea sai do chão sozinha, onde o lençol freático encontra a superfície. Um poço é um buraco cavado ou perfurado até abaixo do lençol freático, para que a água subterrânea encha o seu fundo e possa ser retirada.

O corte abaixo atravessa um vale das Colinas de Varden, a região dos nossos exercícios. As colinas são feitas de giz, um calcário branco, mole, poroso e permeável. Embaixo do giz há uma camada de folhelho, que é impermeável. A chuva se infiltra no giz, enche os seus poros e para no folhelho.

A fonte corre onde a base do giz encontra a encosta: a água não consegue descer através do folhelho, então ela corre ao longo do topo do folhelho e sai na encosta. Enquanto houver água no giz acima do folhelho, a fonte continua correndo, mesmo num verão seco: essa é a resposta à pergunta feita no começo do capítulo.

Observe os dois poços. O poço A tem 100 m de profundidade; o seu fundo fica abaixo do lençol freático em todas as estações, então ele sempre dá água. O poço B é ainda mais fundo, 105 m, mas foi cavado mais acima na colina: o seu fundo fica abaixo do lençol freático depois da estação chuvosa e acima dele depois da estação seca. No verão, o poço B fica sem água. O que importa não é a profundidade de um poço, mas quanto o seu fundo desce abaixo do lençol freático mais baixo.

Observação 17.9 (Um poço pode secar)

Bombear água de um poço faz o lençol freático baixar em volta dele. Se a água for bombeada mais depressa do que a chuva reabastece a rocha, o lençol freático desce cada vez mais: o poço dá cada vez menos água e pode secar. Dois vizinhos que bombeiam da mesma rocha dividem a mesma água: uma bomba pode secar o poço do outro.

17.5 Os aquíferos

Definição 17.10 (Aquífero)

Um aquífero é uma camada de rocha porosa e permeável, cheia de água subterrânea, que deixa essa água escoar até as fontes e os poços. A chuva que se infiltra o reabastece.

O giz das Colinas de Varden é um aquífero: ele é poroso, é permeável, e os sítios das colinas tiram dele a sua água. O folhelho embaixo dele não é um aquífero: a água não consegue atravessá-lo. Mais fundo ainda, embaixo do folhelho, ficam um calcário e um arenito, que também podem guardar água; para chegar a ela, é preciso perfurar um poço através de todo o folhelho.

A água subterrânea faz parte do ciclo da água. A chuva se infiltra num aquífero; a água subterrânea corre devagar pelos poros; ela sai nas fontes e nos rios, que a levam até o mar; ali ela evapora e cai de novo como chuva. Tirar água de um aquífero é como tirar água de uma caixa d’água que a chuva enche devagar: ela só dura se não tirarmos mais do que a chuva devolve.

17.6 Manter a água subterrânea limpa

A água que se infiltra no chão é filtrada no caminho: as folhas, as partículas de solo e os bichinhos ficam retidos pelo solo e pela rocha. É por isso que a água de uma fonte ou de um poço em geral parece cristalina. Mas as substâncias dissolvidas na água não ficam retidas: elas descem com ela até o lençol freático.

A água subterrânea pode ser estragada pelo que as pessoas põem no chão: os fertilizantes e os agrotóxicos espalhados nos campos e nos jardins, o sal espalhado nas estradas congeladas, o combustível que vaza de um tanque, o lixo jogado a céu aberto, o transbordamento de fossas malcuidadas das casas. Depois de dissolvidas num aquífero, essas substâncias são difíceis de remover, e a água pode deixar de ser segura para beber sem tratamento. Por isso, a água de um poço tem de ser analisada antes de ser bebida, e é melhor manter os fertilizantes, o combustível e o lixo longe dos poços e das fontes.

As substâncias dissolvidas viajam com a água subterrânea. Abaixo do lençol freático, a água desliza devagar ladeira abaixo: de onde o lençol freático é alto, embaixo dos morros, até onde ele é baixo, nas fontes e nos rios. Um vazamento que se infiltra, então, não fica onde caiu. Ele afunda até o lençol freático e depois vai sendo levado ladeira abaixo com a água subterrânea, na direção de tudo o que fica abaixo dele na encosta.

Método 17.11 (Um poço está em risco?)

1. Encontre onde o lençol freático é alto e onde ele é baixo: ele é alto embaixo dos morros e baixo perto das fontes e dos rios.
2. A água subterrânea corre do alto para o baixo: desenhe a sua direção com uma seta.
3. Um poço ou uma fonte que fica abaixo de uma fonte de poluição, no caminho dessa seta, está em risco; um poço acima dela não está.

Exemplo 17.12 (Um novo tanque de combustível para o sítio)

Uma agricultora, numa encosta de giz, bebe a água do seu próprio poço, no meio da encosta, e quer pôr um novo tanque de combustível num de dois campos: um acima do poço, outro abaixo dele, perto do riacho. A água subterrânea desce a encosta. Um vazamento no campo de cima desceria na direção do poço; um vazamento no campo de baixo se afastaria dele, na direção do riacho. O campo abaixo do poço é a melhor escolha para o poço — e um tanque numa bandeja que segura qualquer vazamento é melhor ainda, porque o riacho também importa.

No campo — Encontrar fontes

Num passeio com um adulto, observe o pé de uma encosta. Uma fonte muitas vezes aparece como uma mancha de chão úmido, uma faixa de grama mais verde ou de juncos num campo seco, um riachinho que começa do nada, ou uma bacia de pedra ou um bebedouro construído para recolher a água. Num mapa de trilhas detalhado, as fontes são marcadas com um pequeno símbolo. Observe da trilha: nunca beba a água de uma fonte que não foi analisada.

17.7 Exercícios

Exercício 17.1 ★

Classifique estes materiais em “permeáveis” e “impermeáveis”: areia, argila, cascalho, granito sem rachaduras, folhelho, giz.

Solução

Solução de Exercício 17.1.

Permeáveis: areia, cascalho, giz. Impermeáveis: argila, granito sem rachaduras, folhelho.

Exercício 17.2 ★

Ligue cada palavra ao seu significado: fonte; poço; lençol freático; aquífero. (a) O topo da zona em que todos os poros estão cheios de água. (b) Uma camada porosa e permeável que guarda água subterrânea. (c) Um lugar onde a água subterrânea sai sozinha. (d) Um buraco que desce até abaixo do lençol freático.

Solução

Solução de Exercício 17.2.

(a) lençol freático; (b) aquífero; (c) fonte; (d) poço.

Exercício 17.3 ★

(a) Dê o nome dos três caminhos que a água da chuva pode seguir quando cai na terra. (b) Depois de uma tempestade, onde escorre mais água: num estacionamento ou num prado? Por quê?

Solução

Solução de Exercício 17.3.

(a) Ela evapora de volta para o ar; ela escorre pela superfície até os riachos; ela se infiltra no chão (infiltração). (b) No estacionamento: a sua superfície dura quase não deixa a água se infiltrar, então a água escorre. No prado, o solo e a grama deixam boa parte dela se infiltrar.

Exercício 17.4 ★

Verdadeiro ou falso? Corrija as frases falsas. (a) Uma rocha porosa é sempre permeável. (b) Abaixo do lençol freático, os poros estão cheios de água. (c) O lençol freático é plano, como a superfície de um lago. (d) Há mais água doce embaixo do chão que em todos os lagos.

Solução

Solução de Exercício 17.4.

(a) Falso: a argila é muito porosa, mas impermeável, porque os seus poros são minúsculos. (b) Verdadeiro. (c) Falso: ele segue a forma do terreno, de modo mais suave, e sobe e desce com as estações. (d) Verdadeiro: cerca de 30 % de toda a água doce é água subterrânea, contra cerca de um quarto de um por cento nos lagos.

Exercício 17.5 ★★

Um balde guarda 10 litros de areia seca. A porosidade da areia é de 25 %. Quanta água você consegue despejar no balde antes que ele transborde? Quanta água sairia por um furo no fundo (22 %)?

Solução

Solução de Exercício 17.5.

$10 \times 25 \div 100 = 2.5$: você consegue despejar 2.5 litros antes que ele transborde. $10 \times 22 \div 100 = 2.2$: 2.2 litros sairiam pelo furo.

Exercício 17.6 ★★

Um bloco de calcário mede 2 m por 1 m por 1 m. (a) Qual é o seu volume, em metros cúbicos e em litros? (b) A sua porosidade é de 20 %: quantos litros de água ele guarda quando está cheio? (c) Dessa água, 18 % do volume escoa. Quantos litros escoam, e quantos ficam grudados?

Solução

Solução de Exercício 17.6.

(a) $2 \times 1 \times 1 = 2$ metros cúbicos, ou seja, 2000 litros. (b) $2000 \times 20 \div 100 = 400$ litros. (c) $2000 \times 18 \div 100 = 360$ litros escoam; $400 - 360 = 40$ litros ficam grudados.

Exercício 17.7 ★★

Use o corte através das Colinas de Varden. (a) A que altura fica a fonte? E o rio? (b) A fonte fica acima ou abaixo do rio? Para onde vai a água da fonte? (c) Por que não há fonte no meio da encosta de giz?

Solução

Solução de Exercício 17.7.

(a) A fonte fica a cerca de 203 m, e o rio a cerca de 132 m. (b) A fonte fica cerca de 70 m acima do rio: a sua água desce a encosta até o rio. (c) Dentro da encosta de giz, o lençol freático fica abaixo do chão; ele só encontra a superfície onde a base do giz, apoiada no folhelho impermeável, aparece na encosta.

Exercício 17.8 ★★

No poço A, o chão está a 401 m; o lençol freático está a 336 m depois da estação chuvosa e a 314 m depois da estação seca. (a) A que profundidade abaixo do chão fica a água em cada estação? (b) Quantos metros o lençol freático desce entre as duas estações?

Solução

Solução de Exercício 17.8.

(a) Depois da estação chuvosa: $401 - 336 = 65$ m; depois da estação seca: $401 - 314 = 87$ m. (b) $336 - 314 = 22$ m.

Exercício 17.9 ★★

Um agricultor quer um novo poço no alto da colina, na ponta direita do corte. O poço deve ser mais fundo ou mais raso que o poço A? Explique com o lençol freático.

Solução

Solução de Exercício 17.9.

Mais fundo. O lençol freático segue a forma do terreno, mas de modo mais suave: no alto da colina, ele fica mais alto que embaixo do poço A, mas o chão sobe muito mais, então a água fica mais longe da superfície (no corte, a mais de 110 m de profundidade).

Exercício 17.10 ★★

Um metro cúbico de argila guarda 500 litros de água, mas só dá 20 litros. Explique por que um poço cavado na argila quase não dá água, embora a argila esteja cheia dela.

Solução

Solução de Exercício 17.10.

Os poros da argila são minúsculos: a água fica grudada nas lâminas e não consegue atravessar a argila até o poço. A argila é porosa, mas impermeável, então só um pouco de água (20 litros de 500) escoa.

Exercício 17.11 ★★★

De toda a água doce da Terra, 30.1 % é água subterrânea e 0.26 % está nos lagos. (a) Quantas vezes há mais água doce embaixo do chão que nos lagos? (b) De toda a água doce, cerca de 69 % é gelo e neve. Que parte sobra para todo o resto (água subterrânea, lagos, rios, o ar, o solo…)? (c) Por que a água subterrânea é tão importante para a água de beber?

Solução

Solução de Exercício 17.11.

(a) $30.1 \div 0.26 \approx 116$: mais de cem vezes mais. (b) $100 - 69 = 31$: sobra cerca de 31 %, e só a água subterrânea é cerca de 30 deles. (c) Ela é de longe a maior reserva de água doce líquida; o gelo está congelado e fica sobretudo longe, nas regiões polares e nas montanhas. E a água subterrânea está em quase toda parte embaixo dos nossos pés.

Exercício 17.12 ★★★

Dois sítios ficam lado a lado sobre o mesmo giz. Num verão, o primeiro sítio instala uma bomba potente e enche um grande açude; algumas semanas depois, o poço do segundo sítio seca, embora ninguém tenha mexido nele. Explique o que aconteceu, e o que os dois agricultores poderiam fazer.

Solução

Solução de Exercício 17.12.

Os dois poços tiram água do mesmo aquífero de giz. A bomba potente tirou água mais depressa do que a chuva reabastece o giz, então o lençol freático desceu em toda a volta, abaixo do fundo do segundo poço, que secou. Os agricultores poderiam combinar de bombear menos, sobretudo no verão, dividir um só poço ou aprofundar o segundo poço; acima de tudo, eles não deveriam tirar mais água do que a chuva devolve.

17.8 Problema: O poço do sítio das Colinas de Varden

Problema 17.1

Problema de fim de semana — as rochas embaixo de um sítio das Colinas de Varden, a água guardada no seu giz e quantos dias ela duraria sem chuva

Um sítio das Colinas de Varden fica sobre o giz, ao lado do poço A do corte. O agricultor quer saber por quanto tempo o poço conseguiria abastecer o sítio numa longa seca, se nenhuma chuva viesse reabastecer o giz.

Parte I — As rochas embaixo do sítio.

1. Dê o nome da rocha sobre a qual o sítio fica e da rocha embaixo dela. Qual delas é permeável?
2. Explique por que uma fonte corre no pé da encosta abaixo do sítio.
3. Use o corte: o chão do sítio está a 401 m, e o lençol freático está a 336 m depois da estação chuvosa. A que profundidade fica a água?
4. Depois da estação seca, o lençol freático fica a 314 m. O poço A tem 100 m de profundidade. Ele ainda alcança a água? Por quantos metros?

Parte II — A água no giz. O agricultor pode drenar o giz em volta do poço num bloco de 100 m de comprimento, 50 m de largura e 2 m de espessura, abaixo do lençol freático. O giz é um calcário: use uma porosidade de 20 % e uma parte de água que escoa de 18 %.

5. Qual é o volume do bloco, em metros cúbicos?
6. Quantos metros cúbicos de água enchem os seus poros?
7. Quantos metros cúbicos de água escoam dele para o poço? Quantos ficam presos no giz?
8. Escreva em litros a água que escoa.

Parte III — Quanto tempo ela dura.

9. O sítio (casa, animais e horta) usa 18 metros cúbicos de água por dia. Quantos litros são?
10. Quanta água o sítio usa numa semana?
11. Por que a reserva de água do giz não se esgota num ano normal?
12. Sem nenhuma chuva, durante quantos dias a água que escoa do bloco abasteceria o sítio?

Solução

Solução de Problema 17.1.

1. O sítio fica sobre o giz; embaixo dele fica o folhelho. O giz é permeável, o folhelho não.

2. A chuva se infiltra no giz e para no folhelho. Onde a base do giz aparece na encosta, o lençol freático encontra o chão e a água sai: é a fonte.

3. $401 - 336 = 65$ m abaixo do chão.

4. O fundo do poço fica a $401 - 100 = 301$ m, abaixo do lençol freático, a 314 m: o poço ainda alcança a água, por $314 - 301 = 13$ m.

5. $100 \times 50 \times 2 = 10\,000$ metros cúbicos.

6. $10\,000 \times 20 \div 100 = 2000$ metros cúbicos.

7. $10\,000 \times 18 \div 100 = 1800$ metros cúbicos escoam; $2000 - 1800 = 200$ metros cúbicos ficam presos.

8. $1800 \times 1000 = 1\,800\,000$ litros.

9. $18 \times 1000 = 18\,000$ litros por dia.

10. $18 \times 7 = 126$ metros cúbicos por semana.

11. A chuva da estação chuvosa se infiltra no giz e o reabastece todo ano (desde que os sítios não bombeiem mais do que a chuva devolve).

12. $1800 \div 18 =$ 100 dias: um pouco mais de três meses sem nenhuma chuva.