Modeling Complex Water Systems (CWS): integrated water resources management supported by qualitative and quantitative water resource assessments

Abstract

As interações entre as componentes do ciclo hidrológico determinam a intensidade, caminhos e intercâmbios da água entre os reservatórios atmosféricos, superficiais e subterrâneos. Para compreender a interligação entre os reservatórios de água e a sociedade, esta pesquisa explora o conceito de Sistema Hídrico Complexo (SHC) dentro no contexto da Gestão Integrada dos Recursos Hídricos (GIRH) do estado de São Paulo. A área de estudo é a bacia do Baixo Pardo Grande (BXPG), uma bacia complexa localizada no nordeste de São Paulo que passou por mudanças significativas no uso do solo e flutuações na demanda por água superficial e subterrânea nas últimas décadas. O contexto geológico inclui rochas vulcânicas e sedimentares mesozoicas da intracratônica Bacia Sedimentar do Paraná. Existem três unidades hidrogeológicas principais: os sistemas aquíferos Guarani, Serra Geral e Bauru (doravante SAG, SASG e SAB). O objetivo desta pesquisa é avaliar os aspectos qualitativos e quantitativos do SHC do BXPG usando uma abordagem integradora de dados multidisciplinares. Uma visão holística e sistemática do balanço hídrico é usada para quantificar as mudanças no SHC e identificar os principais agentes de mudança, integrando dados hidroclimáticos de sensoriamento remoto, estações de monitoramento, transições no uso do solo e gestão hídrica. Após a filtragem, os conjuntos de dados incluem informações de 108 estações pluviométricas, 24 estações fluviométricas e três poços de monitoramento, bem como dados pontuais de 815 medições de águas subterrâneas e 1.549 outorgas de águas superficiais e subterrâneas. Historicamente, mudanças climáticas afetaram a bacia regionalmente e foram associadas ao aumento das temperaturas e à diminuição das precipitações. Já as mudanças no uso do solo afetaram principalmente as sub-bacias a jusante que transicionaram para o uso agrícola. Além disso, o aumento da frequência dos períodos de seca tem interferido na recarga do SAB, arenoso e não confinado. Visto a menor disponibilidade de dados quantitativos das águas subterrâneas, um modelo hidrogeológico conceitual é proposto baseado em dados qualitativos de 207 amostras de águas subterrâneas com informações hidro(geo)químicas, isotópicas e de tempo de residência. As águas subterrâneas são recarregadas pela precipitação nas porções aflorantes do SAB e SASG. As assinaturas isotópicas enriquecidas no SAB e SASG, com δ18O maior que -7 ‰, sugerem que processos de evaporação podem ocorrer durante a recarga. Por outro lado, o SAG é completamente confinado, com idade de águas subterrâneas fósseis e assinaturas empobrecidas, com δ18O menor que -8 ‰. Diversos processos de interação água-rocha moldam a composição hidroquímica das águas subterrâneas, como a dissolução de minerais carbonáticos e silicatos, formação de minerais secundários, trocas iônicas e mistura de águas subterrâneas, que variam em função do confinamento e disponibilidade mineralógica dos aquíferos. No BXPG, a análise do SHC mostrou que a GIRH tradicional tem dificuldade em mitigar os impactos das mudanças climáticas e em aumentar a resiliência hídrica. Assim, são necessárias medidas transformadoras para melhorar a capacidade de adaptação do SHC. Para criar caminhos sustentáveis futuros, a GIRH deve melhorar as redes de monitoramento, estabelecer um sistema de dados dinâmico que apoie a tomada de decisões informadas e forneça informações hidro(geo)lógicas confiáveis, e incentivar a diversificação do uso da terra para melhorar o balanço hídrico do SHC e preparar o caminho para uma transformação a longo prazo.

Interactions among components of the hydrologic cycle determine the intensity, pathways and exchanges of water between atmospheric, surface, and groundwater reservoirs. To understand the interconnection between the water reservoirs and the society, this research explores the Complex Water System (CWS) concept within the São Paulo state Integrated Water Resources Management (IWRM) framework. The study area is the Baixo Pardo Grande (BXPG) basin, a complex basin located in northeastern São Paulo that has experienced significant land use changes and fluctuating surface and groundwater demands over the past few decades. The geological context includes Mesozoic volcanic and sedimentary rocks from the intracratonic Paraná Sedimentary Basin. There are three main hydrogeological units: Guarani, Serra Geral and Bauru aquifer systems (thereafter GAS, SGAS and BAS). The objective of this research is to evaluate qualitative and quantitative aspects of the BXPG CWS using a data-driven, integrative approach. A holistic and systematic view of the water balance is used to quantify changes in the CWS and identify their main drivers by integrating remote sensing and on-ground time series datasets, land use transitions, and water management frameworks. After filtering, the on-ground datasets include information from 108 rain gauges, 24 streamflow stations, and three monitoring wells, as well as data points from 815 groundwater measurements and 1,549 water grant records. Historically, climate change events have affected the basin regionally and are associated with increasing temperatures and decreasing rainfall. Meanwhile, land use changes have mostly affected downstream sub-basins that have transitioned to agricultural use. Additionally, the increased frequency of droughts has interfered with the recharge of the sandy, unconfined BAS. Due to the limited quantitative data on groundwater, a conceptual hydrogeological model is proposed based on qualitative data from 207 groundwater samples, which include hydro(geo)chemical, isotopic, and residence time information. Groundwater is recharged by precipitation within the outcrop portions of the BAS and SGAS. The enriched isotopic signatures in the BAS and SGAS, and with δ18O greater than -7 ‰, suggest that evaporation processes may occur during recharge. Conversely, the GAS is completely confined, of fossil groundwater age, and with depleted δ18O signatures smaller than -8 ‰. The hydrochemistry of groundwater is shaped by multiple water-rock interaction processes, such as the dissolution of carbonate and silicate minerals, the formation of secondary minerals, ionic changes, and groundwater mixing. These processes vary depending on the confinement of the aquifers and the availability of minerals. In the BXPG, the CWS analysis showed that traditional IWRM has difficulty mitigating the impacts of climate change and enhancing water resilience. Thus, transformative measures are needed to improve CWS’s ability to adapt. To create sustainable pathways for the future, IWRM must improve monitoring networks, establish a living data system that supports informed decision-making and provides reliable hydro(geo)logical information, and encourage diversification of land use to improve CWS water balance and pave the way for long-term transformation.