Se sair para o seu jardim ou para uma floresta ou parque e começar a cavar, verá que o solo está húmido (a menos que esteja num deserto), mas não está saturado com água. Isto significa que parte do espaço poroso no solo é ocupado por água, e parte do espaço poroso é ocupado por ar (a menos que você esteja em um pântano). Esta é conhecida como a zona insaturada. Se você pudesse cavar suficientemente fundo, você chegaria ao ponto onde todos os espaços porosos estão 100% preenchidos com água (saturada) e o fundo do seu buraco se encheria de água. O nível de água no buraco representa o lençol freático, que é a superfície da zona saturada. Na maioria das partes da British Columbia, o lençol freático está vários metros abaixo da superfície.

Água caindo na superfície do solo como precipitação (chuva, neve, granizo, nevoeiro, etc.) pode fluir de uma encosta directamente para um riacho na forma de escoamento, ou pode infiltrar-se no solo, onde é armazenada na zona insaturada. A água na zona insaturada pode ser utilizada pelas plantas (transpiração), evaporar do solo (evaporação), ou continuar passando pela zona radicular e fluir para baixo até ao lençol freático, onde recarrega as águas subterrâneas.

Uma secção transversal de uma encosta típica com um aquífero não confinado é ilustrada na Figura 14.5. Em áreas com relevo topográfico, o lençol freático geralmente segue a superfície do terreno, mas tende a aproximar-se da superfície em vales, e intercepta a superfície onde existem riachos ou lagos. O lençol freático pode ser determinado a partir da profundidade da água de um poço que não está sendo bombeado, embora, como descrito abaixo, isso só se aplica se o poço estiver dentro de um aquífero não confinado. Neste caso, a maior parte da encosta forma a área de recarga, onde a água da precipitação flui para baixo através da zona insaturada para chegar ao lençol freático. A área do riacho ou lago para onde as águas subterrâneas fluem é uma área de descarga.

O que faz a água fluir das áreas de recarga para as áreas de descarga? Lembre-se de que a água está fluindo em poros onde há atrito, o que significa que é necessário trabalho para mover a água. Há também alguma fricção entre as próprias moléculas de água, que é determinada pela viscosidade. A água tem uma viscosidade baixa, mas a fricção ainda é um fator. Todos os fluidos que fluem estão sempre a perder energia para a fricção com o seu ambiente. A água irá fluir de áreas com alta energia para aquelas com baixa energia. As áreas de recarga estão em elevações mais altas, onde a água tem alta energia gravitacional. Foi a energia do sol que evaporou a água para a atmosfera e a elevou para a área de recarga. A água perde essa energia gravitacional ao fluir da área de recarga para a área de descarga.

Na Figura 14.5, o lençol freático é inclinado; essa inclinação representa a mudança da energia potencial gravitacional da água no lençol freático. O lençol freático é mais alto sob a área de recarga (90 m) e mais baixo na área de descarga (82 m). Imagine quanto trabalho seria levantar água com 8 m de altura no ar. Essa é a energia que foi perdida por atrito à medida que a água subterrânea fluía do topo do morro para o riacho.

A situação torna-se muito mais complicada no caso de aquíferos confinados, mas são fontes de água importantes, por isso precisamos de compreender como funcionam. Como mostrado na Figura 14.6, há sempre um lençol freático, e isso aplica-se mesmo que os materiais geológicos na superfície tenham uma permeabilidade muito baixa. Onde há um aquífero confinado – o que significa um que está separado da superfície por uma camada confinante – este aquífero terá o seu próprio “lençol freático”, que na verdade é chamado de superfície potenciométrica, pois é uma medida da energia potencial total da água. A linha tracejada vermelha na Figura 14.6 é a superfície potenciométrica do aquífero confinado, e descreve a energia total que a água está sob o aquífero confinado. Se perfurarmos um poço no aquífero não confinado, a água subirá até ao nível do lençol freático (poço A na Figura 14.6). Mas se perfurarmos um poço tanto no aquífero não confinado como na camada confinante e dentro do aquífero confinado, a água subirá acima do topo do aquífero confinado até ao nível da sua superfície potenciométrica (poço B na Figura 14.6). Isto é conhecido como um poço artesiano, porque a água sobe acima do topo do aquífero. Em algumas situações, a superfície potenciométrica pode estar acima do nível do solo. A água de um poço perfurado no aquífero confinado nesta situação subiria acima do nível do solo, e fluirá para fora, se não estiver tampado (poço C na Figura 14.6). Isto é conhecido como um poço artesiano que flui.

Em situações em que existe um aquífero de extensão limitada, é possível que exista um aquífero empoleirado como mostra a Figura 14.7. Embora os aquíferos empoleirados possam ser boas fontes de água em algumas alturas do ano, eles tendem a ser relativamente finos e pequenos, e por isso podem ser facilmente esgotados com uma bombagem excessiva.

Em 1856, o engenheiro francês Henri Darcy realizou algumas experiências das quais derivou um método para estimar a taxa de fluxo de águas subterrâneas baseado no gradiente hidráulico e a permeabilidade de um aquífero, expressa usando K, a condutividade hidráulica. A equação de Darcy, que tem sido amplamente utilizada pelos hidrogeólogos desde então, parece assim:

V = K * i

(onde V é a velocidade do fluxo de água subterrânea, K é a condutividade hidráulica, e i é o gradiente hidráulico).

Podemos aplicar esta equação ao cenário da Figura 14.5. Se assumirmos que a permeabilidade é de 0,00001 m/s, obtemos: V = 0,00001 * 0,08 = 0,0000008 m/s. Isto é equivalente a 0,000048 m/min, 0,0029 m/hora ou 0,069 m/dia. Isso significa que levaria 1.450 dias (quase quatro anos) para que a água percorresse os 100 m desde as proximidades do poço até ao riacho. A água subterrânea move-se lentamente, e isso é uma quantidade de tempo razoável para que a água se desloque a essa distância. Na verdade, provavelmente levaria mais tempo do que isso, porque não viaja em linha reta.

É fundamental compreender que as águas subterrâneas não fluem em cursos de água subterrâneos, nem formam lagos subterrâneos. Com exceção das áreas cársticas, com cavernas em calcário, as águas subterrâneas fluem muito lentamente através de sedimentos granulares, ou através de rochas sólidas que apresentam fraturas no mesmo. Velocidades de fluxo de vários centímetros por dia são possíveis em sedimentos significativamente permeáveis com gradientes hidráulicos significativos. Mas em muitos casos, as permeabilidades são menores do que as que usamos como exemplos aqui, e em muitas áreas, os gradientes são muito menores. Não é raro que as águas subterrâneas fluam a velocidades de alguns milímetros a alguns centímetros por ano.

Como já foi observado, as águas subterrâneas não fluem em linhas rectas. Ela flui de áreas de cabeça hidráulica superior para áreas de cabeça hidráulica inferior, e isto significa que ela pode fluir “para cima” em muitas situações. Isto é ilustrado na Figura 14.8. As linhas laranja tracejadas são equipotenciais, o que significa linhas de igual pressão. As linhas azuis são as trajectórias de fluxo de água subterrânea previstas. As linhas vermelhas tracejadas são linhas sem limites de fluxo, significando que a água não pode fluir através destas linhas. Isso não é porque há algo que o impeça, mas porque não há gradiente de pressão que faça a água fluir naquela direção.

A água subterrânea flui em ângulos rectos em relação às linhas equipotenciais da mesma forma que a água fluindo em declive desceria em ângulos rectos em relação às linhas de contorno. O riacho neste cenário é o local com o menor potencial hidráulico, portanto a água subterrânea que flui para as partes mais baixas do aquífero tem que fluir para cima para chegar a este local. É forçado para cima pelas diferenças de pressão, por exemplo, a diferença entre as linhas equipotenciais 112 e 110.

As águas subterrâneas que fluem através de cavernas, incluindo as de zonas cársicas – onde as cavernas foram formadas em calcário devido à dissolução – comportam-se de forma diferente das águas subterrâneas em outras situações. As cavernas acima do lençol freático são condutos cheios de ar, e a água que flui dentro destes condutos não está sob pressão; ela responde apenas à gravidade. Em outras palavras, ela flui para baixo ao longo do declive do piso da caverna (Figura 14.9). Muitas cavernas de calcário também se estendem abaixo do nível do lençol freático e até à zona saturada. Aqui a água comporta-se de forma semelhante a qualquer outra água subterrânea, e flui de acordo com o gradiente hidráulico e a lei de Darcy.