Amostragem AESAS, Notas de aula de Engenharia Ambiental

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AQUÍFERO

N.E. AQUÍFERO

HORIZONTE NÃO SATURADO

CURSO AESAS

AMOSTRAGEM DE ÁGUA SUBTERRÂNEA

EM POÇOS DE MONITORAMENTO

Fevereiro de 2009

Docente: João Alberto Bottura

AMOSTRAGEM DE ÁGUA SUBTERRÂNEA EM

POÇOS DE MONITORAMENTO

REALIZAÇÃO – AESAS

FEVEREIRO, 2009

DOCENTE: João Alberto Bottura - Hidrogeólogo, pesquisador, professor de pós-graduação, consultor, presidente da Hidrosuprimentos. Contato – [email protected]

SUMÁRIO

1 - INTRODUÇÃO

2 - ATIVIDADES PRÉVIAS A AMOSTRAGEM

2.1 Licenças e Autorizações 2.2 Limpeza e Calibração dos Equipamentos 2.3 Frascos para Armazenamento das Amostras 2.4 Procedimentos de Segurança 2.5 Infra-Estrutura 2.6 Atividades de Campo - Medições “In Situ” 2.6.1 Nível d'água 2.6.2 Espessura da fase livre 2.6.3 Profundidade do poço de monitoramento 2.6.4 Parâmetros físico-químicos 3 - FATORES QUE AFETAM A AMOSTRAGEM. 3.1 Fatores Geológicos e Hidrogeológicos 3.2 Fatores Hidrogeoquímicos 3.3 Fatores Estruturais 4 - PURGA DE POÇOS DE MONITORAMENTO. 4.1 Amostragem com Purga 4.1.1 Purga convencional 4.1.2 Purga com controle dos parâmetros físico-químicos 4.1.3 Purga com base no controle dos parâmetros hidráulicos 4.1.4 Purga em meio de baixa condutividade hidráulica 4.1.5 Amostragem sem purga 4.1.6 Amostragem Passiva 5 - COLETA DE AMOSTRA DE ÁGUA SUBTERRÂNEA 5.1 Equipamentos para Amostragem com Purga 5.1.1 – Equipamentos manuais 5.1.2 – Equipamentos de sucção 5.1.3 – Equipamentos de deslocamento positivo Bombas submersas elétricas Bombas submersas pneumáticas

5.2 Equipamentos para Amostragem sem Purga 5.3 Equipamentos para Amostragem Passiva 5.3.1 Passive diffusion bag – PDB 5.3.2 Hydrasleeve 5.3.3 Snap sampler 6 - FILTRAGEM EM CAMPO 7 - ARMAZENAMENTO E CONSERVAÇÃO DAS AMOSTRAS 8 - CONTROLE DE QUALIDADE 8.1 Brancos 8.2 Amostra Duplicada 9– RELATÓRIO DA CAMPANHA DE AMOSTRAGEM 10 – LIMITAÇÕES DOS MÉTODOS DE PURGA E AMOSTRAGEM REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS

avaliar os critérios adotados na amostragem, os procedimentos seguidos e as ocorrências verificadas. Qualquer informação deve ser anotada, mesmo aquela que no momento não parece relevante, pode ser muito importante no futuro.

A realização de um plano de amostragem detalhado e preciso, antes de facilitar o desenvolvimento das atividades de campo em decorrência de apresentar ordenadamente todas as atividades a serem realizadas é ferramenta fundamental para minimizar os erros humanos que podem ocasionar problemas graves na condução das interpretações e conclusões do estudo. O uso de planilhas e tabelas ajudam sobremaneira no planejamento e no ordenamento da coleta e registro de informações. O acesso às informações de campanhas anteriores é fundamental para avaliação das medições efetuadas e dados coletados.

HORIZONTE NÃO SATURADO N.E. AQUÍFERO

BASE IMPERMEÁVEL

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ZONA DE ESTAGNAÇÃO

AQUÍFERO

BASE IMPERMEÁVEL

N.E. AQUÍFERO

HORIZONTE NÃO SATURADO

MODELOS DE POÇOS DE MONITORAMENTO

SEM ZONA DE ESTAGNAÇÃO

COM ZONA DE ESTAGNAÇÃO

2 - ATIVIDADES PRÉVIAS A AMOSTRAGEM

2.1 Licenças e Autorizações

Previamente a qualquer campanha de amostragem de água subterrânea e antes da mobilização das equipes ao campo devem ser obtidas autorizações e licenças e avaliadas as interferências dos procedimentos a serem adotados com a rotina do site e seus entornos.

2.2 Limpeza e Calibração dos Equipamentos

Todo o material e equipamento de amostragem e para medições "in situ", que manterão contato com a amostra devem ser adequadamente lavados e descontaminados, antes do envio ao campo e antes do uso. Este procedimento inclui: medidores de nível e interfaces (cabo e sensor), materiais e equipamentos para retirada da amostra de água, equipamentos para os testes "in situ" (OD, pH, Eh, CE).

Devem ser adotados os procedimentos de limpeza e descontaminação ditados pelo órgão ambiental para os objetivos da amostragem. O procedimento mínimo a ser atendido deve conter:

. lavar com água potável e detergente neutro; . enxaguar com água potável; . enxaguar com água destilada ou deionizada; . secar com ar seco;

Os equipamentos analíticos para medições "in situ" devem ser calibrados de acordo com as especificações do fabricante.

2.3 Frascos para Armazenamento das Amostras

Os frascos para armazenamento das amostras devem ser fornecidos pelo laboratório em material apropriado às amostragens programadas, esterilizado, contendo os preservativos necessários e lacrado. O lacre somente poderá ser retirado no momento da transferência da amostra coletada, isto evitará sua limpeza e esterilização no campo. O responsável pela coleta deve obrigatoriamente verificar a integridade dos frascos antes de serem enviados para o campo. O tipo de embalagem utilizado para o armazenamento e transporte dos frascos e os procedimentos para sua descontaminação devem ser registrados na caderneta de campo e no formulário de coleta.

2.4 Procedimentos de Segurança

É responsabilidade do consultor/amostrador estabelecer em conjunto com o contratante /empreendedor os procedimentos de segurança e determinar a sua aplicabilidade e as limitações práticas e legais, antes do início dos trabalhos.

2.5 Infra-Estrutura

Os acessos e os entornos dos poços de monitoramento a serem amostrados devem ser limpos antes da mobilização dos equipamentos e materiais para o site.

A água a ser usada nas atividades de limpeza e descontaminação dos equipamentos no campo, entre cada coleta de amostra deve ser obtida a partir de fonte de suprimento de água potável. O responsável pelas operações de amostragem deve avaliar detalhadamente a adequabilidade da fonte de suprimento de água para o desenvolvimento de suas atividades. A limpeza dos equipamentos deve ser feita fora da área de influência dos poços de monitoramento que estão sendo amostrados.

Escoamento em superfície de água contaminada, ou potencialmente contaminada gerada durante os procedimentos de purga e coleta devem ser evitados e não podem ser tolerados de forma alguma. Esta água deve ser armazenada adequadamente em recipientes apropriados e destinada para descarte de acordo com os procedimentos do órgão ambiental ou do contratante.

2.6 Atividades de Campo - Medições “In Situ”

2.6.1 Nível d'água

Antes de iniciar o procedimento de coleta, o nível estático deve ser medido com um medidor elétrico de nível d'água com precisão de 0,1 cm.

2.6.2 Espessura da Fase Livre

Em local onde a fase livre está presente é importante proceder à medição de sua espessura. A medição correta da espessura da fase livre permite estimar o volume e a distribuição espacial dos compostos orgânicos na área, e é fundamental para correção das medições de nível d'água.

A medição da fase livre pode ser efetuada com medidor eletrônico de interface ou com amostrador de fase livre.

A medida com medidor de interface é direta. Caso seja utilizado amostrador de fase livre, ele deve ser transparente e deve ser descido lentamente no interior do poço até atingir o nível d'água e então imerso até sua parte média. Depois de retirado o amostrador, o produto em

de amostra coletada em poço de monitoramento convencional para ser utilizada em estudo de avaliação de passivo ambiental é diferente daquela coletada em poço multinível, em estudo para projeto de remediação ou para fechamento de área.

3.1 Fatores Geológicos e Hidrogeológicos

A obtenção de amostra representativa da água subterrânea sofre marcante influência da geologia e hidrogeologia local. As condicionantes geológicas, variações litológicas e estratigráficas, na maior parte das vezes com dimensões centimétricas, ocasionam interferências na geometria e direção do fluxo subterrâneo exercendo marcante influencia na área de captura de um poço de monitoramento. Na pratica os cones de rebaixamento não possuem a forma cônica convencionalmente adotada na literatura técnica. As variações das linhas equipotenciais e do fluxo subterrâneo, como representadas nos mapas potenciométricos, nos fornecem apenas informações gerais sobre o sentido do seu movimento, na situação real a geometria do fluxo subterrâneo sofre variações espaciais tridimensionais centimétricas, impossíveis de serem materializadas pelos mapas potenciométricos convencionais e tampouco pelas modelagens matemáticas. No entanto, a situação real deve estar presente no modelo conceitual mentalmente formulado pelo consultor e deve orientar o direcionamento dos estudos.

A água subterrânea esta em constante movimento no meio saturado, induzido pelos gradientes hidráulicos naturais e controlado pela condutividade hidráulica. No interior do poço de monitoramento, entre eventos de amostragem, esta contida no interior do revestimento e na seção filtrante.

A água do interior do revestimento do poço de monitoramento entre eventos de amostragem não é representativa da água da formação, motivo pela qual não deve ser amostrada. No entanto a água contida no interior na seção filtrante esta em contínuo movimento, atravessando a seção filtrante (filtro e préfiltro) estando integrada ao sistema de fluxo natural, não mantendo interação com a água estagnada, sendo representativa da água da unidade hidroestratigráfica interceptada pela seção filtrante.

A água armazenada no interior do revestimento esta fisicamente isolada da água da formação e não interage com ela, sendo por este motivo denominada como água estagnada. Ela sofre alterações físico-químicas influenciadas por uma série de fatores (Figura 3.1.1). A eliminação desta água estagnada através da purga é rotineiramente realizada como parte do procedimento de amostragem, visando minimizar incertezas associadas a sua presença.

Todavia, enquanto a água da coluna de revestimento não é representativa da formação, a água da seção filtrante sem dúvida é representativa da formação interceptada pela seção

filtrante do poço, desde que este tenha sido adequadamente projetado, construído, instalado e desenvolvido. A água subterrânea atravessa a seção filtrante continuamente através dos filtros e do préfiltro que possuem condutividade hidráulica superior a formação, este sistema esta integrado ao sistema de fluxo natural (Figura 3.1.2). Mesmo em unidade hidroestratigráfica com baixa condutividade hidráulica o fluxo subterrâneo natural mantém as trocas entre o poço e a formação.

Vários autores suportam as premissas que:

1 – a água, em qualquer ponto do interior da seção filtrante é representativa da água da formação adjacente ao filtro; 2 – amostra de água coletada diretamente na seção filtrante é representativa da água da formação adjacente; 3 – com base nas afirmações acima, a realização de purga com retirada de múltiplos volumes de água do poço é desnecessária; Em poços onde a zona filtrante intercepta várias unidades hidroestratigráficas, a água contida no interior do poço será representativa da mistura entre as águas que se movimentam pelas várias unidades, podendo não ser representativa do estrato contaminado. Esta água será então representativa da água fornecida pelos diversos estratos interceptados pela seção filtrante, podendo então ser considerada água de mistura.

3.2 Fatores Hidrogeoquímicos

Os fatores hidrogeoquímicos influem de duas formas: indiretamente nos procedimentos de amostragem, manuseio dos equipamentos e amostras, medições “in situ”, preservação das amostras e necessidade da realização de brancos e diretamente sobre a qualidade da água amostrada.

A sorção dos contaminantes pelos equipamentos e instrumentos de amostragem pode dar origem à contaminação cruzada, em decorrência da reutilização de materiais com descontaminação não realizada adequadamente. Mangueiras para adução da água contaminada durante a amostragem são uma das principais fontes de contaminação cruzada.

A volatização em decorrência do manuseio excessivo ou inadequado da amostra, rebaixamento excessivo do nível d´água, agitação desnecessária no interior do poço e outras interferências, se reproduzem nos resultados pela perda de contaminantes..

A reprodutibilidade de resultados é fortemente afetada não apenas pelos fatores geológicos e hidrogeológicos, mas também pelo excesso de manuseio e preservação inadequada das amostras.

• obter poço com adequada performance, que se traduz por: baixa perda de carga, alta eficiência hidráulica, baixa concentração de sólidos em suspensão e produção de água isenta de turbidez; Os fatores inerentes às atividades de manutenção do poço de monitoramento estão relacionados à: redesenvolvimento do poço, troca de componentes, instalação de equipamentos dedicados, limpeza do poço decorrente de interações químicas devido às ações de incrustação ou bactérias. Dentre os fatores intervenientes podemos ter, entre outros: aeração da água, alteração do equilíbrio químico e bacteriológico. Como estas ações podem alterar a qualidade da água elas devem ser devidamente registradas.

4 - PURGA DE POÇOS DE MONITORAMENTO.

Antes de iniciada a amostragem da água subterrânea no poço de monitoramento, deve ser eliminada a água estagnada de seu interior, procedimento denominado como purga.

A necessidade ou não de purga e o método para sua realização é assunto polêmico e discutido há várias décadas no cenário internacional, sem ainda termos posição solidamente definida sobre a necessidade de sua realização, assim como sobre os procedimentos adequados para sua realização. Tradicionalmente realiza-se a purga por volume determinado, nos últimos anos foi introduzido o conceito de purga a baixa vazão em contraponto a purga por volume determinado e mais recentemente o de amostragem passiva, que elimina a necessidade de purga.

A determinação do procedimento de coleta a ser adotado, envolve a definição do procedimento de purga. Apesar da longa e extensa discussão em relação ao tema, a maioria dos pesquisadores e órgãos ambientais, defende a necessidade da purga para que a amostra de água subterrânea a ser coletada seja representativa do meio amostrado.

Segundo os defensores da purga a água estagnada no interior do poço não é representativa do aqüífero porque interage com a atmosfera e esta sujeita a atividade bacteriológica, por longo período de tempo. Nestas condições o seu equilíbrio geoquímico é diferente da água do aqüífero. A água estagnada mantém características físico-químicas, pH – Eh – CE - OD, diferente da água do aqüífero.

O objetivo da purga é eliminar a água estagnada para obter água representativa do aqüífero sem, no entanto, causar distúrbios no fluxo de água no interior do poço que possam alterar seu equilíbrio dinâmico e físico químico.

Em situações hidrogeológicas particulares o principal problema causado pela purga é derivado do sobrebombeamento do aqüífero, nesta situação os rebaixamentos do nível d´água podem ser excessivos, causando fluxo turbulento e ocasionando a obtenção de amostras não

representativas. O excessivo rebaixamento traduz-se por queda de pressão no interior do poço, ocasionando a volatização, oxidação ou precipitação de contaminantes.

Outro problema derivado do sobrebombeamento é a produção de água turva, isto ocorre quando a vazão bombeada para purga é superior a vazão extraída do poço durante as etapas de seu desenvolvimento, neste caso o poço entra novamente em processo de desenvolvimento e partículas finas da formação são carreadas pela água bombeada para o interior do poço de monitoramento.

O sobrebombeamento ao induzir maiores rebaixamentos pode expor porções do meio saturado contidas no cone de rebaixamento ao ar atmosférico e aos contaminantes contidos em diversas formas nos solos e na água contaminada. Pode ainda, com base na sua posição relativa à pluma de contaminação alterar o sentido de migração dos contaminantes, causando a diluição ou o aumento da concentração, caso o poço de monitoramento esteja próximo a sua borda, interior ou exterior.

Devido à significante influência que a purga pode causar no equilíbrio dinâmico e físico-químico da água nos entornos do poço de monitoramento, alguns pesquisadores defendem que para formações com sedimentos finos (meios de baixa condutividade hidráulica) a amostragem deve ser realizada sem purga.

Na amostragem sem purga a água coletada não estará sujeita aos distúrbios causados pelo rebaixamento do nível d´água. No entanto ela não será representativa do meio amostrado e poderá ser originada por água estagnada ou mescla desta com a água subterrânea, nos casos onde os filtros encontram-se afogados (Figura 4.1 b). No caso onde o topo dos filtros encontra-se na porção não saturada, não há água estagnada no interior do poço (Figura 4.1 a) e a amostra será representativa do aqüífero.

Outro conflito observado é relativo ao entendimento da terminologia “Low Flow”, no Brasil denominada como “Baixa Vazão”. Alguns consideram que o termo tem aplicação a purga com Bomba de Bexiga, no entanto o termo está relacionado ao procedimento de amostragem independentemente do equipamento utilizado, ou seja, procedimento aplicado com qualquer equipamento que permita a obtenção de baixa vazão. Neste texto a aplicação do termo é independente do equipamento utilizado.

ideal para purga, o que infere como premissa principal que o procedimento de extração da água contida no interior do poço deve ser lento, independentemente do equipamento utilizado para sua execução.

A coleta da amostra de água deve ser realizada imediatamente depois de concluída a purga e deve ser coletado o volume necessário de amostra em uma única vez, amostras compostas obtidas por acúmulo de várias amostras coletadas em períodos de tempo diferentes, não são adequadas.

A água contida no interior do poço deve ser extraída visando eliminar toda a água estagnada de seu interior. As opiniões, sobre o volume de água a ser purgado, defendidas por diversos pesquisadores são bastante divergentes. Segundo eles entre 1 a 20 volumes da água contida no poço deve ser extraída para que seja obtida água representativa do aqüífero. Não existe também consenso entre os pesquisadores sobre qual o procedimento correto para o cálculo do volume de água contido no poço, alguns defendem que deve ser calculado o volume contido no interior do revestimento e a água contida no interior do envoltório de pré-filtro, a grande maioria defende que apenas a água contida no interior do revestimento deve ser quantificada, porque a água contida no envoltório de pré-filtro, esta em equilíbrio com o meio a ser amostrado.

No entanto a prática internacional indica que entre 3 (três) e 5 (cinco) volumes da água contida no interior do revestimento do poço devem ser extraídos antes de iniciado o procedimento de coleta da amostra de água. Este procedimento é tradicionalmente aplicado, no entanto como não está explicitado quando extrair 3 (três) volumes ou quando extrair 5 (cinco) volumes, para simplificação do procedimento, no Brasil é normalmente extraído 3 (três) volumes.

O rebaixamento do nível d´água deve ser controlado durante a purga, não deve ser superior a 10% do comprimento da coluna filtrante do poço e seu limite máximo não deve exceder a 25 cm.

4.1.2 Purga com controle dos parâmetros físico-químicos

Visando minimizar o volume de água extraída do interior do poço foi introduzido o procedimento de purga com controle dos parâmetros físico-químicos. Neste procedimento adotam-se os mesmos conceitos do purga convencional como discutido em 4.1.1.

Deve-se extrair a água estagnada do interior do poço e armazená-la em recipientes apropriados para posterior disposição em local adequado. Para prevenir contaminação induzida entre os poços, o ideal é a utilização de equipamentos descartáveis e bombas com tubulação e

mangueira de adução descartável. Não deve ser utilizada bomba que não seja especificada exclusivamente para purga e amostragem.

Durante a purga o nível d´água no interior do poço não deve rebaixar demasiadamente, a vazão deve ser controlada e na medida do possível mantida entre 100 e 500 mL/min, vazão ideal para purga, o que infere como premissa principal que o procedimento de extração da água contida no interior do poço deve ser realizado com o mínimo rebaixamento possível, independentemente do tipo de bomba utilizado para sua execução.

O rebaixamento deve ser controlado durante a purga: não deve ser superior a 10% do comprimento da coluna filtrante do poço e seu limite máximo não deve exceder a 25 cm. Se o poço foi instalado com filtros afogados, o nível d´água não deve ficar abaixo do topo do filtro.

De acordo com o conceito de purga a baixa vazão a água estagnada contida no interior do poço possui características físico-químicas diferentes da água do aqüífero e o momento em que o poço começa a produzir água representativa do aqüífero é denotado pelo equilíbrio dos valores dos parâmetros físico químicos: pH, Eh, CE e OD, medidos contínuamente no interior do poço ou através de células de fluxo.

Quando o nível d´água estiver estabilizado e for registrado o equilíbrio dos parâmetros físico químicos em três leituras consecutivas, o poço pode ser considerado purgado e a amostra pode ser coletada.

A coleta da amostra de água deve ser realizada imediatamente após concluído o purga e deve ser coletado o volume necessário de amostra em uma única vez, amostras compostas obtidas por acúmulo de várias amostras coletadas em períodos de tempo diferentes, não são adequadas.

Segundo os defensores deste método o volume de água extraída com o equilíbrio dos parâmetros é muito menor que o extraído na purga convencional, no entanto as Tabelas comparativas apresentadas na literatura até o momento não são consistentes e não condizem com a realidade brasileira.

No Brasil volumes de purga pelo método de volume determinado ou convencional variam entre 12 - 15 litros em poços de monitoramento de 2 polegadas, penetrando 2 metros no meio saturado, enquanto a literatura cita volumes de purga da ordem de 188 litros por poço.

Na Figura a seguir, bastante difundida no Brasil, o volume de purga indicado na coluna “Three Well Volume” equivale a 187 litros por poço, que corresponde para poço de monitoramento de 2 polegadas, a coluna filtrante da ordem de 31 metros. O valor indicado na coluna “Low Flow Purging” é muiot superior aos valores da purga de 3 volumes, realizada normalmente no Brasil.