Faculdade de Ciências e Tecnologia

Modelação de Águas Subterrâneas

Código

10911

Unidade Orgânica

Faculdade de Ciências e Tecnologia

Departamento

Departamento de Ciências da Terra

Créditos

3.0

Professor responsável

José António de Almeida, Sofia Verónica Trindade Barbosa

Horas semanais

3

Língua de ensino

Português

Objectivos

(1) Conhecer as potencialidades e limitações dos modelos matemáticos usados para desenvolvimento de modelos hidrogeológicos. (2) Adquirir as competências e os conhecimentos de base necessários ao uso de modelos matemáticos e respectivos softwares de modelação hidrogeológica a duas e três dimensões. (3) Conhecer as grandezas necessárias para o desenvolvimento de modelos físicos de escoamento de águas subterrâneas. (4) Conhecer as grandezas necessárias e as potencialidades da modelação de processos reactivos e de transporte de contaminantes em águas subterrâneas. (5) Conhecer as limitações e possibilidades existentes do caso particular da modelação hidrogeológica de maciços fracturados. (6) Adquirir prática na modelação hidrogeológica e no transporte de contaminantes e processos reactivos recorrendo a diferentes casos de estudo (7) Adquirir prática e os conhecimentos necessários para a modelação de processos de tratamento activo ou passivo de águas subterrâneas, tais como “pump-and-treat”; instalação de “drenos”, “barreiras passivas” ou “barreiras activas”.

Pré-requisitos

Não existem.

Conteúdo

I - Modelação hidrogeológica de escoamentos subterrâneos

I.1 - Princípios associados ao escoamento subterrâneo: Águas subterrâneas e interacções com o ciclo hidrológico. Revisão e síntese de propriedades físicas relevantes dos solos, da água, da zona vadosa e de aquíferos. Solos: Porosidade, índice de vazios, conteúdo em água, grau de saturação, coeficiente de compressibilidade. Água: viscosidade dinâmica, viscosidade cinemática, compressibilidade. Aquíferos: Condutividade Hidráulica, Transmissividade, Coeficiente de Armazenamento.

I.2 - Equações fundamentais dos modelos matemáticos de escoamento subterrâneo: Conceito de permeabilidade intrínseca, validade e generalização da Lei de Darcy em condições isotrópicas e anisotrópicas. Equação da Continuidade (Conservação da Massa) e Equação de Laplace. Equações gerais para um regime estacionário, em meio heterogéneo, condições anisotrópicas com e sem IGNOREe de alimentação contínua no tempo. Equações gerais para um regime transiente, em meio heterogéneo, condições anisotrópicas com e sem IGNOREe de alimentação contínua no tempo.

I.3 - Conceito de aquífero confinado e aquífero livre e respectivas combinações: Aquífero livre e rendimento específico. Aquífero confinado e capacidade de armazenamento. Equações gerais para um aquífero confinado e para um aquífero livre.

I.4 - Outros conceitos e aspectos gerais e de enquadramento associados à modelação matemática de escoamentos: Tipo de soluções dos modelos matemáticos (modelos analíticos; soluções numéricas – métodos das diferenças finitas, método dos elementos finitos; modelos híbridos). Modelação numérica de escoamentos subterrâneos – aplicabilidades e potencialidades. Elementos fundamentais dos modelos matemáticos (Equações de base, Condições de fronteira, Condições de partida, no caso de modelo em regime transiente). Processo de modelação (protocolo). Importância da Calibração, Verificação e Validação. Importância da qualidade dos dados de partida.

I.5 - Software PMWin “Processing Modflow” – Conceitos do Módulo “Modflow” e familiarização com o ambiente de modelação do software. Menus do PMWin, Editor de Malhas (Grid), Editor de Dados, Imputação de dados “célula a célula”, Imputação de dados com recurso a polígonos, Imputação de dados com recurso a Polilinhas. Modos de visualização e impressão. Características específicas das Malhas (GRID’s): Propriedades e tipo de layers; “Bottom and Top Layers”, “Hydraulic Heads” (níveis piezométricos), Condutividade Hidráulica e Transmissividade Horizontal, Anisotropia horizontal, “Vertical Leakance” (conductância vertical) e Condutividade Hidráulica Vertical, Anisotropia vertical e Conductividade Hidráulica Vertical, Porosidade efectiva, Coeficiente de armazenamento (“Storage Coefficient”), Coeficiente de armazenamento específico (“Specific Storage”) e “Specific Yied”. “Bulk Density” (modelação de processos reactivos). Tipos de Modelação: Modelação de escoamentos em regime estacionário (“steady-state”). Modelação de escoamentos em regime transiente; dados específicos para modelações em regime transiente (“Temporal Data”). Especificidades localizadas associadas ao escoamento (FLOW PACKAGES): Evapotranspiração; Drenos; Condições de fronteira: “General - Head Boundary”, “Horizontal-Flow Barrier”, “Recharge”; “Interbed Storage”; “Reservoir”; “River”; “Stream-flow Routing”; “Time-Variant Specified Head”; “Well”; “Wetting Capability” (dry cels/ inactive cels). Soluções possíveis de modelação (SOLVERS): Métodos de cálculo de sistemas de equações lineares. Métodos de cálculo de sistemas de equações não-lineares. Outras funcionalidades específicas: “Head Observations”; “Drawdown Observations”; “Subsidence Observations”; “Compaction Observations”, “Output Control”; “Run”; “View” (“Run Listening File”, “Head Scatter Diagram”, “Drawdown Scatter Diagram”, “Subsidence Scatter Diagram”, “Compaction Scatter Diagram”, “Head-Time Curves”

I.6 - Exercícios práticos com recurso ao software PMWin “Processing Modflow” – exploração do Módulo “Modflow

II - Modelação de processos reactivos e de transporte de contaminantes

II.1 - Comportamento dos contaminantes nas águas subterrâneas: Contaminantes orgânicos (hidrólise, oxidação-redução, biodegradação, adsorpção, volatilização); Contaminantes inorgânicos (Nutrientes - azoto, fósforo e enxofre, ácidos e bases, haletos e metais (filtração, precipitação, complexação/pH/ redox, adsorpção.

II.2 - Efeitos de Transporte dos contaminantes em águas subterrâneas. Processos de Transporte: advecção, dispersão e retardação. Conceitos e equações gerais. Comportamento da pluma de contaminação: densidade do contaminante, solubilidade do contaminante, condições de escoamento locais (velocidade do escoamento subterrâneo e condutividade hidráulica), condições geológicas particulares (efeitos de barreira, efeitos de conduta, maciços cristalinos ou calcários fracturados, falhas e estruturas permeáveis). Transporte com reacções químicas: equação geral de transporte com o efeito conjugado de advecção-dispersão e efeitos reactivos de retardação, degradação e existência de IGNOREe externa de contaminante. Conceito de Atenuação Natural.

II.3 - Conceitos e equações de base associados às técnicas de modelação de transporte: Lei de Darcy e transporte advectivo; Lei da conservação de massas e interpretação Euleriana do transporte advectivo. Interpretação do transporte advectivo em função do método “particle tracking”. Dispersão e transferência de massas: Dispersão microscópica e dispersão macroscópica. Equação de Advecção-Dispersão. Sistemas do tipo advectivo-difusivo. Modelos de porosidade dupla (dual porosity). Transporte com reacções químicas – Conceitos e equações de base: Equação geral do transporte com efeitos reactivos; Efeitos de sorpção e desorpção e sistemas em equíbrio e em desequilíbrio; Isótérmicas de sorpção (Freundlich e Lagmuir); Efeito de retardação – conceito e equações de base; Permuta Iónica – conceito e istotérmicas (equações de retardação não lineares); Conceitos de Sorpção cinética, reacções irreversíveis de primeira ordem, reacções mono-cinéticas, reacções multi-espécies-cinéticas, reacções instantâneas, reacções em cadeia de primeira ordem tipo “parent-daughter”; Reacções em sistemas de porosidade dupla.

II.4 - Software PMWin “Processing Modflow” – Conceitos e principais diferenças entre os Módulos “MT3DMS”, “PHT3D”, “MT3D99”, “RT3D”, “MOC3D” e “PMPATH”

II.5 - Software PMWin “Processing Modflow” – Conceitos e principais diferenças entre os Módulos “MT3DMS”, “PHT3D”, “MT3D99”, “RT3D”, “MOC3D” e “PMPATH” - Exercícios práticos

III - Modelação de processos físicos e químicos para tratamento de águas subterrâneas (“pump-and-treat”; instalação de “drenos”, “barreiras passivas”, “barreiras activas”) – Exercícios práticos

IV – Introdução à modelação hidrogeológica de maciços fracturados.

Conceitos e princípios básicos: noção de maciço fracturado; modo de perpetuação dos escoamentos em maciços heterogéneos alterados e facturados; importância do conhecimento da variação das condições de fracturação do meio; soluções das equações de fluxo para o caso de escoamentos em maciços heterogéneos; introdução aos modelos de dupla-porosidade.

 

Bibliografia

[1] Vallejo, L. , Mercedes, F., Ortuño, L., Oteo, C. (2002) Ingeneria Geológica - Parte I, Capítulo 5 Hidrogeologia”. Prentice Hall, Madrid, ISBN: 84-205-3104-9, p.264-302.

[2] Liu, D., Lipták, B. (2000) Groundwater and surface water pollution. Lewis Publishers, USA. 150 p.

[3] Zheng, C. & Bennet, G. (2002) Applied Contaminant Transport Modeling. “. 2.nd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Publication, USA. 621 p.

[4] Custodio, E e Llamas, MR (1983a) Hidrologia Subterranea. Tomos I e II. Ediciones Omega, S. A., Barcelona, 1157 p.

[5] Marques, JM, Chambel, A e Ribeiro, L. (2007) AIH-GP and IAH - Commission on Hard Rock Hydrogeology - Iberian Regional Working Group. Proceedings of the Symposium on Thermal and Mineral Waters in Hard Rock Terrains, Lisboa, Portugal, 202 p.

[6] S. Barbosa (2014). Sebentas de apoio às aulas teórico-práticas de “Modelação de Águas Subterrâneas” 

Método de ensino

O modelo de ensino adoptado é de tipo teórico e prático com: i) aulas teóricas e teórico práticas com apoio multimédia; ii) aulas práticas com resolução de exercícios com recurso a software de modelação de escoamentos subterrâneos e de processos de transporte físico e reactivos de contaminantes em águas subterrâneas.

Método de avaliação

Componente teórico-prática (30%) e laboratorial/ projecto (70%).  Teórico-prática: um teste que poderá ser substituído por exame. Componente de projecto: a obter com a entrega e avaliação dos exercícios, repartidos em dois módulos (35% cada módulo).

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