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Authors
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Abstract(s)
This study presents a spatiotemporal analysis of changes in groundwater vulnerability and the safeguard zones using an integrated, multidisciplinary, and GIS-based approach. The fractured hard-rock aquifer of Porto city in the surroundings of Paranhos and Salgueiros spring galleries was used as an experimental case study where the TIME–INPUT method was used for assessing the intrinsic vulnerability and the Time-Dependent model was used for assessing the sanitary safeguard zones. Two scenarios were compared: the end of the XIXth century when the water was still used for drinking, and there were no sanitary sewers, and the present day in the XXIst century, after the city's urban expansion. The vulnerability and the safeguard zones were completely assessed using flow travel time components, and the results are based on travel times rather than categories of unitless numbers. Dug-wells data were used to estimate the thickness of the fissured zone, the saturated zone, and the unsaturated zone. The historical land use map was reconstructed using a historic map from 1892. Then, GIS models were built to predict the recharge, groundwater vertical and horizontal travel time, and surface travel time. Several updated elements have been added to enhance the calculation of vulnerability in urban areas, such as the maps of hydraulic networks. The study shows that the TIME-INPUT method and the Time-dependent model apply to urban fractured hard-rock aquifers. The results indicate that the land use in the study area has changed over time with rapid growth in urbanization, and the most affected factor by this change are the recharge (INPUT Factor) and surface travel time. Areas around tectonic lineaments are the most vulnerable, and the overall spatiotemporal changes in vulnerability and the safeguard zones are small in the study area between the past and present time.
Este estudo apresenta uma análise espácio-temporal das alterações na vulnerabilidade das águas subterrâneas e nos perímetros de proteção, utilizando uma abordagem integrada, multidisciplinar e simplificada baseada em SIG. O aquífero granítico fraturado da cidade do Porto (NW de Portugal) na envolvente das galerias subterrâneas que conduzem a água das nascentes de Paranhos e Salgueiros foi utilizado como caso de estudo experimental. Dois cenários temporais foram usados para comparar as mudanças nas zonas de vulnerabilidade intrínseca e de proteção antes e após a expansão urbana e o consequente crescimento da cidade. No cenário histórico, de finais do século XIX, as águas das nascentes de Paranhos e Salgueiros eram usadas para consumo humano e não havia um sistema integrado de esgotos, e o cenário atual, século XXI, em que se analisaram as infraestruturas hidráulicas em pleno funcionamento (Rede de abastecimento público de água, saneamento e pluvial). O método TIME–INPUT foi utilizado para avaliar a vulnerabilidade intrínseca. Os principais fatores envolvidos neste método são o tempo de fluxo (TIME) da água desde a superfície até atingir a zona saturada, com um peso de 60%, e o valor da recarga subterrânea (INPUT), com um peso de 40%. Esta ponderação ligeiramente empírica, atribuindo ao tempo uma maior importância do que a recarga. Em contraste com outros métodos de avaliação, a vulnerabilidade é expressa em tempo real e os valores de entrada são reais e não valores adimensionais. Os dados de base para calcular o tempo de fluxo são a espessura e a condutividade hidráulica de cada nível da zona não saturada. A influência dos lineamentos tectónicos foi utilizada como fator de correção, uma vez que estes diminuem o tempo de fluxo. O fator recarga é classificado como fator de correção. Valores baixos de recarga correspondem a valores altos de fatores de correção, aumentando assim o tempo, enquanto valores altos de recarga reduzem o tempo e, assim, aumentam a vulnerabilidade. Para avaliar o fator recarga, foram usados vários fatores, incluindo a Geologia/Hidrogeologia, os declives, o uso do solo, a densidade de lineamentos tectónicos e a densidade da rede de drenagem. Além disso, para melhorar o cálculo do fator recarga em áreas urbanas no cenário atual, foram igualmente utilizados os parâmetros hidráulicos e sanitários, densidade da rede de água potável, densidade da rede de saneamento e densidade da rede de águas pluviais. O modelo Time-Dependent foi usado para avaliar os perímetros de proteção. Este modelo inclui componentes de fluxo horizontal e vertical da água subterrânea e considera ainda uma componente de fluxo superficial. O tempo de fluxo vertical através da zona não saturada foi calculado usando o método TIME-INPUT. O tempo de fluxo horizontal na zona saturada foi estimado usando a ferramenta Euclidian Distance no ArcGIS Spatial Analyst e assumido para a velocidade do fluxo o valor inicial de 1 m/dia proposto por Devlin. O tempo de fluxo superficial, que é uma função da topografia, da geologia e do uso do solo no seio da bacia hidrográfica, foi previsto usando o método de velocidade NRCS. Seguidamente, o tempo total de fluxo foi calculado combinando as componentes dos tempos de fluxo. A vulnerabilidade e os perímetros de proteção foram avaliados usando as componentes do tempo de fluxo. Para estimar a espessura das zonas não saturada, saturada e fraturada foram usados dados de poços existentes em 1908. O mapa histórico de uso do solo foi reconstruído usando um mapa histórico de 1892. Seguidamente, os modelos SIG foram construídos para prever a recarga, os tempos de fluxo vertical e horizontal da água subterrânea e o tempo de fluxo superficial. Os resultados baseiam-se nos tempos de fluxo e não em números adimensionais. Desta forma, o nível de subjetividade na avaliação da vulnerabilidade é reduzido, pois a hierarquização e a parametrização da vulnerabilidade foram parcialmente evitadas. As áreas com minores tempos de fluxo são mais vulneráveis. Seguidamente converteu-se o mapa do tempo total de fluxo obtido num mapa de perímetros de proteção. O uso do solo, na área em estudo, sofreu alterações ao longo do tempo. Desde o passado, no século XIX, até ao presente, no século XXI, ocorreu um rápido crescimento urbano. Foi possível comprovar, que os valores dos parâmetros mais afetados pelas alterações do uso do solo, foram a recarga e o tempo de fluxo superficial. Os resultados obtidos indicam que a componente de tempo de fluxo vertical total é inferior a 12 dias e que as áreas em próximas aos lineamentos tectónicos são as mais vulneráveis, por apresentarem os valores menores de tempo de fluxo. No entanto, as alterações espácio-temporais gerais em termos de vulnerabilidade e área de proteção foram pequenas na área de estudo, entre passado e o presente. Considerando que as características hidrogeológicas da área de estudo não sofreram alterações significativas entre o passado e o presente, não houve alterações espácio-temporais no tempo de fluxo horizontal, apresentando este um valor máximo de cerca de 1 ano e 4 meses (491 dias). No entanto, na maior parte da área, o tempo de fluxo horizontal é inferior a 50 dias, e na envolvente das nascentes de Paranhos e Salgueiros pode atingir os 100 dias. O tempo de fluxo superficial máximo na área de estudo é de 1 h no passado e de 0,5 h atualmente, o que significa que este tempo se torna mais rápido com o aumento da urbanização. Quanto ao tempo total de fluxo, este apresenta valores semelhantes aos do tempo de fluxo horizontal, com um valor máximo de cerca de 1 ano e 4 meses (489 dias). Na maior parte da área o tempo total de fluxo é inferior a 50 dias, e na envolvente das nascentes de Paranhos e Salgueiros pode atingir os 100 dias. As áreas envolventes aos lineamentos tectónicos apresentam os menores valores de tempo de fluxo e, portanto, os níveis de vulnerabilidade mais elevados. As mudanças espácio-temporais gerais nas zonas de vulnerabilidade e de proteção foram pequenas na área de estudo entre o tempo passado e o presente. Este estudo mostrou que o método TIME-INPUT e o modelo Time-Dependent se podem aplicar a aquíferos urbanos fraturados, e a metodologia proposta baseada em SIG pode ser aplicada com diferentes níveis de dados, mesmo com limitação de dados. No entanto, com a possibilidade de melhorá-lo e melhorar a qualidade da aquisição de dados, o método torna-se mais flexível e o nível de incerteza na previsão diminui.
Este estudo apresenta uma análise espácio-temporal das alterações na vulnerabilidade das águas subterrâneas e nos perímetros de proteção, utilizando uma abordagem integrada, multidisciplinar e simplificada baseada em SIG. O aquífero granítico fraturado da cidade do Porto (NW de Portugal) na envolvente das galerias subterrâneas que conduzem a água das nascentes de Paranhos e Salgueiros foi utilizado como caso de estudo experimental. Dois cenários temporais foram usados para comparar as mudanças nas zonas de vulnerabilidade intrínseca e de proteção antes e após a expansão urbana e o consequente crescimento da cidade. No cenário histórico, de finais do século XIX, as águas das nascentes de Paranhos e Salgueiros eram usadas para consumo humano e não havia um sistema integrado de esgotos, e o cenário atual, século XXI, em que se analisaram as infraestruturas hidráulicas em pleno funcionamento (Rede de abastecimento público de água, saneamento e pluvial). O método TIME–INPUT foi utilizado para avaliar a vulnerabilidade intrínseca. Os principais fatores envolvidos neste método são o tempo de fluxo (TIME) da água desde a superfície até atingir a zona saturada, com um peso de 60%, e o valor da recarga subterrânea (INPUT), com um peso de 40%. Esta ponderação ligeiramente empírica, atribuindo ao tempo uma maior importância do que a recarga. Em contraste com outros métodos de avaliação, a vulnerabilidade é expressa em tempo real e os valores de entrada são reais e não valores adimensionais. Os dados de base para calcular o tempo de fluxo são a espessura e a condutividade hidráulica de cada nível da zona não saturada. A influência dos lineamentos tectónicos foi utilizada como fator de correção, uma vez que estes diminuem o tempo de fluxo. O fator recarga é classificado como fator de correção. Valores baixos de recarga correspondem a valores altos de fatores de correção, aumentando assim o tempo, enquanto valores altos de recarga reduzem o tempo e, assim, aumentam a vulnerabilidade. Para avaliar o fator recarga, foram usados vários fatores, incluindo a Geologia/Hidrogeologia, os declives, o uso do solo, a densidade de lineamentos tectónicos e a densidade da rede de drenagem. Além disso, para melhorar o cálculo do fator recarga em áreas urbanas no cenário atual, foram igualmente utilizados os parâmetros hidráulicos e sanitários, densidade da rede de água potável, densidade da rede de saneamento e densidade da rede de águas pluviais. O modelo Time-Dependent foi usado para avaliar os perímetros de proteção. Este modelo inclui componentes de fluxo horizontal e vertical da água subterrânea e considera ainda uma componente de fluxo superficial. O tempo de fluxo vertical através da zona não saturada foi calculado usando o método TIME-INPUT. O tempo de fluxo horizontal na zona saturada foi estimado usando a ferramenta Euclidian Distance no ArcGIS Spatial Analyst e assumido para a velocidade do fluxo o valor inicial de 1 m/dia proposto por Devlin. O tempo de fluxo superficial, que é uma função da topografia, da geologia e do uso do solo no seio da bacia hidrográfica, foi previsto usando o método de velocidade NRCS. Seguidamente, o tempo total de fluxo foi calculado combinando as componentes dos tempos de fluxo. A vulnerabilidade e os perímetros de proteção foram avaliados usando as componentes do tempo de fluxo. Para estimar a espessura das zonas não saturada, saturada e fraturada foram usados dados de poços existentes em 1908. O mapa histórico de uso do solo foi reconstruído usando um mapa histórico de 1892. Seguidamente, os modelos SIG foram construídos para prever a recarga, os tempos de fluxo vertical e horizontal da água subterrânea e o tempo de fluxo superficial. Os resultados baseiam-se nos tempos de fluxo e não em números adimensionais. Desta forma, o nível de subjetividade na avaliação da vulnerabilidade é reduzido, pois a hierarquização e a parametrização da vulnerabilidade foram parcialmente evitadas. As áreas com minores tempos de fluxo são mais vulneráveis. Seguidamente converteu-se o mapa do tempo total de fluxo obtido num mapa de perímetros de proteção. O uso do solo, na área em estudo, sofreu alterações ao longo do tempo. Desde o passado, no século XIX, até ao presente, no século XXI, ocorreu um rápido crescimento urbano. Foi possível comprovar, que os valores dos parâmetros mais afetados pelas alterações do uso do solo, foram a recarga e o tempo de fluxo superficial. Os resultados obtidos indicam que a componente de tempo de fluxo vertical total é inferior a 12 dias e que as áreas em próximas aos lineamentos tectónicos são as mais vulneráveis, por apresentarem os valores menores de tempo de fluxo. No entanto, as alterações espácio-temporais gerais em termos de vulnerabilidade e área de proteção foram pequenas na área de estudo, entre passado e o presente. Considerando que as características hidrogeológicas da área de estudo não sofreram alterações significativas entre o passado e o presente, não houve alterações espácio-temporais no tempo de fluxo horizontal, apresentando este um valor máximo de cerca de 1 ano e 4 meses (491 dias). No entanto, na maior parte da área, o tempo de fluxo horizontal é inferior a 50 dias, e na envolvente das nascentes de Paranhos e Salgueiros pode atingir os 100 dias. O tempo de fluxo superficial máximo na área de estudo é de 1 h no passado e de 0,5 h atualmente, o que significa que este tempo se torna mais rápido com o aumento da urbanização. Quanto ao tempo total de fluxo, este apresenta valores semelhantes aos do tempo de fluxo horizontal, com um valor máximo de cerca de 1 ano e 4 meses (489 dias). Na maior parte da área o tempo total de fluxo é inferior a 50 dias, e na envolvente das nascentes de Paranhos e Salgueiros pode atingir os 100 dias. As áreas envolventes aos lineamentos tectónicos apresentam os menores valores de tempo de fluxo e, portanto, os níveis de vulnerabilidade mais elevados. As mudanças espácio-temporais gerais nas zonas de vulnerabilidade e de proteção foram pequenas na área de estudo entre o tempo passado e o presente. Este estudo mostrou que o método TIME-INPUT e o modelo Time-Dependent se podem aplicar a aquíferos urbanos fraturados, e a metodologia proposta baseada em SIG pode ser aplicada com diferentes níveis de dados, mesmo com limitação de dados. No entanto, com a possibilidade de melhorá-lo e melhorar a qualidade da aquisição de dados, o método torna-se mais flexível e o nível de incerteza na previsão diminui.
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Keywords
Urban fractured hard-rock aquifers Spatiotemporal changes Groundwater vulnerability Safeguard zones GIS Aquíferos fraturados urbanos Alterações espácio-temporais Vulnerabilidade das águas subterrâneas Perímetros de proteção SIG