Estudo Geológico e Geofísico da dispersão de contaminantes em vazadouro controlado De resíduos sólidos urbanos na área metropolitana do Porto
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Maria João Santos Fontoura
2014-A
A monitorização e a caracterização ambiental de depósitos de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) são uma área crescente, em termos dos estudos interdisciplinares envolvidos. Qualquer que seja a solução adoptada para o tratamento de resíduos sólidos urbanos, o seu confinamento final em aterro não é o fim do problema. Ao contrário, a necessidade de monitorização contínua, acompanhando a evolução da massa de resíduos em toda a sua envolvente, contribuirá para avaliar as consequências ambientais da existência de um depósito de RSU.
A avaliação da dispersão de contaminantes em Vazadouros Controlados (VC) de RSU é possível através da combinação de estudos geológicos, geofísicos, geoquímicos e estatísticos, conforme se poderá verificar pelo que será descrito nesta tese. A metodologia aplicada neste estudo irá contribuir para avaliar as consequências ambientais do VC de Matosinhos (Norte de Portugal), que se insere num contexto geológico cristalino granítico com uma permeabilidade controlada por alteração diferencial associada a fracturação.
O VC de Matosinhos, o objecto de estudo desta tese, possui uma característica especial pois é constituído por duas zonas distintas: uma correspondente à antiga lixeira (sem impermeabilização na base) e outra correspondente ao Aterro Sanitário (com três alvéolos devidamente impermeabilizados). O principal problema deste local é a área correspondente à antiga lixeira, na qual, ao longo de quase 20 anos, diversos tipos de resíduos foram depositados de forma descontrolada.
Com vista à identificação da pluma de contaminação proveniente do VC de Matosinhos foram utilizados diferentes métodos geofísicos: método da resistividade eléctrica, método electromagnético, método da refracção sísmica e MASW. Para validação dos resultados obtidos através desses métodos recorreu-se a estudos geológicos, análises físico-químicas de águas e métodos estatísticos.
A característica inovadora desta tese está relacionada com a aplicação de métodos estatísticos, vulgarmente utilizados na análise de dados geoquímicos, a dados geofísicos, com o intuito de, efectivamente, distinguir entre aquilo que são valores geofísicos anómalos e aquilo que corresponde a valores geofísicos de fundo do local em estudo. O estabelecimento de valores limite entre anomalia geofísica e background geofísico para um determinado local é algo que ainda não foi efectuado na área da geofísica ambiental.
Foi elaborado um modelo hidrogeológico da área de estudo com base na informação geológica recolhida na fase de reconhecimento do local de estudo, posteriormente complementada com dados de sondagens e com resultados obtidos pelos métodos de refracção sísmica e MASW.
Os dados de resistividade eléctrica foram obtidos através da realização de 32 perfis com o arranjo Wenner-Schlumberger, por este ser uma boa alternativa entre a configuração Wenner e a configuração Dipolo-Dipolo, permitindo obter uma maior profundidade de investigação do que o Wenner, com uma força de sinal maior do que o Dipolo-Dipolo.
Verificou-se uma concordância, em termos de resultados obtidos pelos diferentes métodos geofísicos (resistividade eléctrica, electromagnética e sísmica), na definição e delimitação da pluma de contaminação proveniente do VC.
Os métodos estatísticos aqui descritos (Iterative 2s e Calculated distribution function) foram adaptados para serem usados com o conjunto de perfis 2D de resistividade obtido, de modo a relacioná-los no espaço tridimensional e, portanto, delinear as anomalias de contaminação na envolvente ao VC.
Foram recolhidas amostras de águas subterrâneas, a montante e a jusante do VC, com o objectivo de confirmar directamente a presença de contaminantes indirectamente detectados pelos métodos geofísicos e estatísticos.
A combinação destas diferentes abordagens foi englobada num programa de visualização a 3D (GeoMerge), permitindo delimitar as plumas de contaminação provenientes do VC a várias profundidades e calcular o seu volume global.
Palavras-Chave: Resistividade eléctrica, pluma de contaminação, Vazadouro Controlado, métodos estatísticos, visualização 3D.
The characterization and environmental monitoring of Municipal Solid Waste (MSW) deposits are an increasing area, in terms of the interdisciplinary studies involved. Whatever the solution adopted for the MSW treatment, its final containment on landfill is not the end of the problem. Rather, the need for continuous monitoring, tracking the evolution of the waste mass in all its surroundings, will contribute to evaluate the environmental consequences of the existence of a deposit of MSW.
The assessment of contaminants dispersion in Controlled Dumps (CD) of MSW is possible through the combination of geological, geophysical, geochemical and statistical studies as described in this thesis. The methodology applied in this study will contribute to evaluate the environmental consequences of the Matosinhos CD (north Portugal), which is set in a granitic crystalline geological context with a permeability controlled by differential weathering associated with fracturing.
The Matosinhos CD, the study object of this thesis, has a special feature consisting of two distinct zones: one corresponding to the old dump (without sealing in the base) and another corresponding to the Landfill (with three cells properly sealed). The main problem is the area corresponding to the old dump, in which over almost 20 years, several types of waste were deposited in an uncontrolled way.
In order to identify the contamination plume from the Matosinhos VC, different geophysical methods were used: electrical resistivity, electromagnetic, seismic refraction and MASW. To validate the results obtained through these methods, geological studies, physicochemical water analysis and statistical methods were used.
The innovative feature of this thesis is related to the application of statistical methods, commonly applied in geochemical data, to geophysical data, in order to distinguish between geophysical anomalous values and geophysical background values of the study area. Setting a limit between geophysical anomaly and geophysical background in a particular location is something that has not been done in the environmental geophysics area.
A hydrogeological model of the study area was prepared based on geological information collected during the site recognition stage, later complemented with data from geological soundings and results from seismic refraction and MASW methods.
The electrical resistivity data were obtained by conducting 32 profiles with the Wenner-Schlumberger array, which is a good alternative to Wenner and Dipole-Dipole configuration, allowing a greater depth of investigation than Wenner, with greater signal strength than Dipole-Dipole.
Statistical methods here described (Iterative 2s and Calculated distribution function) were adapted to be used with the set of 2D resistivity profiles in order to relate them and thus delineate the contamination plume in the CD surroundings in three dimensional space.
There was a good correlation between results obtained by different geophysical methods (electrical resistivity, electromagnetic and seismic) in the definition and delineation of the contamination plume from the CD.
Groundwater samples were collected, upstream and downstream of the CD, with the aim of directly confirming the presence of contaminants indirectly detected by geophysical and statistical methods.
The combination of these different approaches was enclosed in a 3D visualization program (GeoMerge), allowing to delimit contamination plumes from the CD at several depths and to calculate its overall volume.
Key words: Electrical resistivity, contamination plume, Controlled Dump, statistical methods, 3D visualization.
RESUMO1
ABSTRACT3
AGRADECIMENTOS5
LISTA DE TABELAS9
LISTA DE FIGURAS10
LISTA DE ABREVIATURAS15
CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO
I.1. Objectivos e Metodologia18
I.2. Estado da Arte19
CAPÍTULO II – ENQUADRAMENTO DA ÁREA DE ESTUDO
II.1. Enquadramento Geográfico e Geomorfológico26
II.2. Enquadramento Geológico28
II.2.1. Geologia Regional28
II.2.2. Cartografia à Escala 1/10 00031
II.2.3. Sondagens Mecânicas35
II.2.4. Petrografia36
II.3. Enquadramento Ambiental38
II.3.1. Águas e Solo39
II.3.2. Ar e Ruído42
II.4. O Vazadouro Controlado de Matosinhos44
II.4.1. Enquadramento Legal44
II.4.2. Caracterização Geral46
CAPÍTULO III – MATERIAIS E MÉTODOS
III.1. Prospecção Geofísica53
III.1.1. Selecção dos Métodos Geofísicos55
III.1.2. Método Electromagnético Indutivo58
III.1.2.1. Princípios Fundamentais58
III.1.2.2. Aquisição de Dados62
III.1.3. Método da Resistividade Eléctrica65
III.1.3.1. Princípios Fundamentais65
III.1.3.2. Aquisição de Dados
71
III.1.4. Métodos Sísmicos75
III.1.4.1. Princípios Fundamentais75
III.1.4.2. Aquisição de Dados81
III.2. Análises de Águas Subterrâneas e Superficiais83
III.3. Abordagem Estatística aos Dados de Resistividade Eléctrica93
CAPÍTULO IV – RESULTADOS E DISCUSSÃO
IV.1. Tratamento de Dados e Apresentação de Resultados99
IV.1.1. Método Electromagnético Indutivo99
IV.1.2. Método da Resistividade Eléctrica102
IV.1.3. Método da Refracção Sísmica e MASW114
IV.1.4. Análises de Águas Subterrâneas e Superficiais120
IV.1.5. Abordagem Estatística aos Dados de Resistividade Eléctrica131
IV.2. Integração Conjunta dos Resultados136
IV.2.1. Modelo Hidrogeológico Conceptual136
IV.2.2. Visualização a 3D139
IV.2.2.1. Interpolação e Incerteza140
IV.2.2.2. Visualização da Anomalia142
CAPÍTULO V – CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS
V.1. Considerações Finais151
V.2. Trabalhos Futuros155
CAPÍTULO VI – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
157
Quando se pretende avaliar a dispersão da contaminação na área envolvente a um Vazadouro Controlado é necessário efectuar um conjunto de estudos que permitam caracterizar e monitorizar ambientalmente essas zonas. Os estudos envolvidos neste tipo de avaliação têm sofrido um desenvolvimento cada vez maior em termos de leque de trabalhos interdisciplinares envolvidos. Pelo facto de envolverem a interligação de várias áreas científicas, permitem um conhecimento mais aprofundado do problema, o que possibilitará a adopção da solução mais adequada para cada caso.
Os métodos de prospecção geofísica constituem uma importante ferramenta para avaliação ambiental de uma área onde se procede ao confinamento de resíduos, motivo pelo qual foram utilizados na área de estudo, onde não existia qualquer tipo de trabalho desta natureza.
Tratando-se de um estudo multidisciplinar, além dos estudos geofísicos, foram também englobados estudos geológicos, geoquímicos e estatísticos, permitindo assim uma avaliação integrada do problema ambiental.
Com a realização dos primeiros perfis pelo método da resistividade eléctrica (1 a 13), foi possível identificar duas plumas de contaminação provenientes do VC (uma a norte e outra a sul do VC). Verificou-se que os dados obtidos através do método electromagnético indutivo, apesar das suas limitações, estão em conformidade com os dados de resistividade eléctrica (RE) obtidos nos mesmos locais.
Com a realização da totalidade dos perfis de RE as plumas de contaminação foram confirmadas e delimitadas. Foram também definidas áreas contaminadas (resistividade<30?.m), pouco contaminadas (30?.m <resistividade<200?.m) e não contaminadas (resistividade>200?.m), tendo por base apenas critérios empíricos, também utilizados por outros autores.
Verificou-se que a pluma de contaminação a sul do VC é mais extensa e apresenta valores de RE mais baixos que a pluma a norte do VC. Detectou-se que ambas as plumas se atenuam com o progressivo afastamento ao VC e que o rio Leça está a funcionar como barreira à contaminação proveniente do VC.
Com a realização dos perfis de RE no topo do VC (28 a 32), foi possível confirmar a existência das duas zonas que compõe o VC (antiga lixeira sem impermeabilização na base e Aterro Sanitário com três alvéolos devidamente impermeabilizados), das camadas de cobertura da massa de resíduos e do início da zona contaminada imediatamente abaixo da área do VC que não está impermeabilizada na base (antiga lixeira). Com os perfis de RE realizados não foram detectadas rupturas nas camadas de impermeabilização utilizadas na base e topo do VC, no entanto a pluma de contaminação da zona norte, poderá estar relacionada com alguma falha na camada impermeabilizante nessa zona. Uma outra possibilidade poderá estar relacionada com a subida do nível freático na zona não impermeabilizada do VC que poderia justificar um gradiente hidráulico capaz de dispersar a pluma da zona sul para a zona norte.
Os valores de RE obtidos em diferentes épocas do ano ou com um ano de separação entre si, não apresentam diferenças significativas, continuando a definir a pluma no mesmo local e com valores de resistividade muito semelhantes, motivo pelo qual não foi realizada uma nova campanha geofísica em todos os locais iniciais.
Os dados obtidos pelo método da refracção sísmica permitiram identificar uma camada superficial (com VP<800m/s) menos espessa na zona norte (com cerca de 5m de espessura) do que a zona sul (com cerca de 10m de espessura). A esta camada segue-se um maciço granítico com graus de alteração graduais (1000m/s<VP<4600m/s), que se encontra mais próximo da superfície e a cotas superiores na zona norte, que foi menos erodida precisamente por se apresentar mais resistente.
Os valores das VS obtidos através do método MASW estão de acordo com os valores das VP obtidos pelo método da refracção sísmica, confirmando as características do terreno atravessado pelas ondas sísmicas, evidenciando que o comportamento mecânico do terreno se vai tornando cada vez mais rígido em profundidade.
Pela análise da VS foi também possível distinguir o limite entre células contendo resíduos e solos não perturbados. Os valores encontrados (2m na zona norte e 3m na zona sul) estão de acordo com a profundidade (do projecto) à qual as novas células de resíduos foram colocadas.
Nos locais onde as velocidades das ondas sísmicas são mais baixas verificaram-se também valores baixos de resistividade, característicos da presença de resíduos urbanos. À medida que os valores de resistividade vão aumentando em profundidade as VP e VS também aumentam.
Os resultados obtidos pelos diferentes métodos geofísicos (resistividade eléctrica, electromagnética e sísmica) são concordantes na definição das características inerentes à delimitação das plumas de contaminação provenientes do VC.
A validação dos resultados obtidos através dos métodos geofísicos, indirectos, foi obtida com recurso a estudos directos: geológicos, análises físico-químicas de águas e métodos estatísticos.
Foram recolhidas amostras de água dos piezómetros a montante e a jusante do VC entre 2005 e 2012, e foram também recolhidas algumas amostras de água em locais fora da influência do VC para detectar efectivamente quais os valores que representam contaminação e quais os que representam valores de background da área de estudo e assim permitiram validar os métodos geofísicos. Tendo em atenção que estamos a medir diferentes meios (solo+água vs água), verifica-se que os valores obtidos de forma directa (análises de água) estão de acordo com os valores obtidos de forma indirecta (método da resistividade eléctrica). Esta constatação foi confirmada, através desses mesmos elementos, uma vez que foram calculados valores de porosidade que correspondem a valores semelhantes aos referidos na bibliografia. Os valores de RE, obtidos através das análises de água, são também mais baixos na zona a jusante do VC.
Os elementos encontrados nas águas subterrâneas, muitos deles excedendo largamente os VMR e VMA para águas de consumo humano, permitiram confirmar a existência de contaminação e indicar a origem provável dessa contaminação.
Com a elaboração do modelo hidrogeológico para a área de estudo foi possível integrar diversa informação recolhida e verificar que a evolução da pluma de contaminação deverá estar relacionada com a topografia do local (os valores de RE mais altos localizam-se a cotas mais elevadas, a norte do VC, não se verificando que a anomalia se estenda nesse sentido), com os circuitos hidrogeológicos (relacionados com a fracturação, conforme verificado pela orientação das plumas de contaminação que estão de acordo com a tectónica dominante, com a orientação das linhas de água na envolvente ao VC e com o gradiente hidráulico regional) e com o substrato geológico granítico (funcionando como barreira à circulação de água contaminada, quer lateralmente quer em profundidade).
Com vista ao desenvolvimento de uma metodologia mais objectiva para a definição de plumas de contaminação foram utilizados métodos estatísticos (Iterative 2s e Calculated distribution function). Após os métodos terem sido devidamente testados, verificou-se que a sua aplicação aos dados geofísicos em estudo era adequada e permitia definir um limite entre anomalia e background de forma criteriosa, sem o tipo de incerteza e ambiguidade normalmente característica da utilização de métodos empíricos.
A inclusão dos algoritmos utilizados nos dois métodos estatísticos num programa de visualização tridimensional (GeoMerge) permitiu distinguir as zonas contaminadas e não contaminadas da área de estudo a duas e a três dimensões.
Verifica-se que o método Iterative 2s é mais abrangente, em termos de definição da anomalia, do que o método Calculated distribution function, uma vez que considera maior quantidade de dados como anomalia. A anomalia é mais limitada no método Calculated distribution function, incluindo valores de RE mais baixos.
Em termos de delimitação da anomalia verifica-se que o método Calculated distribution function está em maior concordância com os limites definidos apenas com base em critérios empíricos aplicados aos dados de RE.
A potencialidade do programa GeoMerge para calcular volumes permitiu determinar que o volume anómalo é maior na zona sul do VC do que na zona norte do VC, tal como esperado. Verificou-se também que o volume definido pelo método Iterative 2s é sempre maior do que o volume definido pelo método Calculated distribution function.
Os resultados anómalos obtidos pelo método da RE, aos quais foram aplicados critérios estatísticos, estão de acordo com os resultados de contaminação obtidos nas amostras de água subterrânea. Verifica-se que os locais onde foram detectadas águas subterrâneas contaminadas estão em zonas onde se representa a mancha correspondente à anomalia obtida por métodos estatísticos. O que demonstra a viabilidade do método da RE e dos métodos estatísticos, para realizar este tipo de avaliação, resultando numa análise mais rápida, eficiente e económica.
Comparando os dois métodos estatísticos, em termos ambientais e económicos, podemos inferir que o método Iterative 2s poderá ser mais indicado quando as questões ambientais se sobrepõe, uma vez que é mais preventivo na delimitação da anomalia e como tal dá uma margem maior para o local a ser ambientalmente remediado. Por outro lado, se a questão económica se impuser, o método Calculated distribution function poderá ser mais indicado, porque delimita uma área mais restrita a ser remediada. No entanto ambos os métodos são indicados para a definição da anomalia, mesmo com um menor número de dados de RE, o que corresponde a uma vantagem em termos de custos e de tempo, se compararmos com outros métodos de investigação directa do subsolo.
Em termos ambientais, a metodologia aqui apresentada é relevante pois não potencia a contaminação, uma vez que não são necessárias perfurações, e permite ter uma ideia global da área contaminada no local em estudo e assim ajudar à remediação de locais contaminados de uma forma mais eficiente e económica.
A metodologia pode ser aplicada a qualquer outro local de deposição de RSU, em qualquer tipo de contexto geológico, adaptando a recolha de dados a cada caso em particular, permitindo comparar diferentes plumas de contaminação em diferentes locais em termos volumétricos.