Impacts on the Pantanal hydrological regime associated to the seasonality of groundwater dynamics

Abstract

The dynamics of groundwater in the Pantanal, the world's largest tropical continuous wetland, remain incompletely understood at a regional scale due to the lack of systematic piezometric monitoring. This gap limits the assessment of the role of subsurface flows in maintaining the ecosystem under climatic and anthropogenic ressures. This study addresses this limitation by developing and applying a transferable water budget framework that decomposes the terrestrial water storage signal obtained from the GRACE mission. The proposed approach integrates time series of precipitation, evapotranspiration, and river discharge to isolate and analyze subsurface flows between defined hydrological response zones in the Upper Paraguay River Basin, allowing internal hydrological connectivity to be assessed even in datascarce regions. The results reveal a coupled hydrological system structured by the topographic gradient from the Plateau to the Floodplain. While subsurface flows in the Plateau exhibit a well-defined seasonal response, the hydrological dynamics of the Floodplain are characterized by a prolonged memory. In this region, floods and river discharge respond with a lag of several months to recharge pulses originating upstream, a mechanism sustained by subsurface flows that is fundamental for the persistence of flooded areas during the dry season and extended dry periods. Thus, this study advances the quantification of regional interactions between surface and groundwater in the Pantanal, clarifying the role of the latter in maintaining the flood pulse. By enabling a compartmentalized representation of hydrological fluxes without relying on dense in situ monitoring, the proposed method offers a transferable tool for investigating complex River–Floodplain systems worldwide.

A dinâmica das águas subterrâneas no Pantanal, a maior área úmida tropical contínua do mundo, permanece pouco compreendida em escala regional devido à escassez de monitoramento piezométrico sistemático, limitando a avaliação do papel dos fluxos subterrâneos no ciclo hidrológico. Este estudo aborda essa lacuna ao desenvolver e aplicar uma metodologia de balanço hídrico que decompõe o sinal de armazenamento total de água terrestre da missão GRACE, integrando séries temporais de precipitação, evapotranspiração e vazão fluvial. A abordagem permite isolar e analisar fluxos subterrâneos entre zonas de resposta hidrológica na Bacia do Alto Paraguai, revelando a conectividade hidrológica interna mesmo em regiões com escassez de dados. Os resultados indicam um sistema hidrológico acoplado e estruturado pelo gradiente topográfico do Planalto à Planície de Inundação, no qual o Planalto atua como principal gerador de memória hidrológica, com variações sazonais expressivas de armazenamento subterrâneo e liberação atrasada de água, enquanto a Planície de Inundação funciona como integradora desse sinal, respondendo de forma atenuada e defasada às anomalias de armazenamento geradas a montante. Essa conectividade subterrânea sustenta a persistência da vazão fluvial e das áreas inundadas durante a estação seca e períodos prolongados de seca, fornecendo uma explicação funcional para o pulso de inundação do Pantanal. Assim, o estudo avança na quantificação das interações regionais entre águas superficiais e subterrâneas e apresenta uma ferramenta transferível para a investigação de sistemas fluviais e planícies de inundação complexos em escala global.