Análise de séries temporais e assinaturas isotópicas de 18O e 2H na definição das fontes de contribuição de uma nascente em área de afloramento do Sistema Aquífero Guarani

Abstract

Os estudos isotópicos em bacias hidrográficas visam compreender a variabilidade espacial e temporal da dinâmica entre águas subterrâneas, superficiais e meteóricas. As alterações nos padrões de precipitação afetam toda a dinâmica dos sistemas hidrológicos, e causam perturbações na disponibilidade e circulação da água no planeta. Por essa razão, é crucial compreender as implicações das variações climáticas nos processos de recarga das águas subterrâneas e sua interação com as águas superficiais. Nesse contexto, o estudo busca entender essas relações na sub-bacia do Alto Jacaré-Pepira, próxima à cidade de Brotas, na região central do estado de São Paulo. A região de interesse está inserida na Bacia Sedimentar do Paraná, em um importante local de afloramento do Sistema Aquífero Guarani, composto essencialmente pelas rochas sedimentares das formações Piramboia e Botucatu. A coleta dos dados na bacia foi realizada por meio de equipamentos instalados no local e com o uso de produtos derivados de satélite (IMERG, NOAH, SSEBop). No caso, foram monitoradas as variações de: precipitação, temperatura, evapotranspiração e níveis d’água subterrânea, assim como os valores de deutério (2H) e oxigênio-18 (18O) presentes nas águas da chuva, de uma nascente e de um poço de monitoramento. De maneira geral, no período de 2001 a 2021, a análise dos dados obtidos revela que o período mais recente de monitoramento da bacia foi marcado por uma forte seca na região, principalmente após o ano de 2017, havendo diminuição das médias de chuva e aumento tanto da temperatura quanto da evapotranspiração. Em relação aos dados de isótopos, a água da chuva apresenta uma média e desvio padrão de δ18O de -4.49‰ ± 3.16‰ VSMOW, com uma reta meteórica de equação δ2H = 8,14*δ18O + 14,20, indicando o domínio de processos relacionados à recirculação de vapor na atmosfera. Os valores de δ18O da água do poço apresentaram média e desvios padrão de -7,25‰ ± 0,32‰ VSMOW e se assemelham aos valores da nascente, de -6,94‰ ± 0,28‰ VSMOW. De acordo com os resultados do modelo de mistura, as águas subterrâneas representam cerca de 80% da descarga da nascente ao longo do ano, e essa contribuição apresenta uma pequena variação entre verão e inverno. Isso ocorre porque a parcela de água da chuva aumenta durante os períodos de maior pluviosidade, mas, em geral, a fonte subterrânea sempre se sobrepõe à chuva. A partir de 2017, observa-se um rebaixamento praticamente constante do nível d’água do poço até o fim do período de monitoramento. Neste momento, há um aumento da contribuição da água da chuva para a nascente, o que pode ser entendido como uma redução da capacidade do aquífero de abastecer a nascente. Isso evidencia a importância do aquífero na manutenção da dinâmica da bacia, uma vez que o rebaixamento ocorre devido à entrada de água por meio da recarga não ser suficiente para compensar a saída de água do reservatório, devido à seca prolongada e a fatores antrópicos. O entendimento desses processos só foi possível com a investigação conjunta de métodos estatísticos e isotópicos, tanto das águas subterrâneas quanto superficiais. Portanto, este tipo de estudo é crucial para o planejamento e gestão dos recursos hídricos, garantindo assim a resiliência e a utilização sustentável da água.

Isotopic studies in watersheds aim to understand the spatial and temporal variability of the dynamics between groundwater, surface water and meteoric water. Alterations in precipitation patterns affects the entire dynamics of hydrological systems, and cause disturbances in the availability and circulation of water on the planet. Hence, there is a need to understand the implications of climate variations on groundwater recharge processes and their relationship with surface water. That said, this study seeks to understand these interactions in the sub-basin of the Alto Jacaré-Pepira River, near the city of Brotas in the central region of the state of São Paulo. The area of interest is located in the Paraná Sedimentary Basin at an important outcrop zone of the Guarani Aquifer System, primarily composed of sedimentary rocks from the Piramboia and Botucatu formations. Data acquisition within the basin was carried out using both on-site equipment and satellite-derived products (IMERG, NOAH, SSEBop). Specifically, the study encompassed the monitoring of variations in precipitation, temperature, evapotranspiration, and groundwater levels, alongside the analysis of deuterium (2H) and oxygen-18 (18O) values in rainwater, a spring, and a monitoring well. In general, from 2001 to 2021, the analysis of the obtained data reveals that the most recent monitoring period of the basin was marked by a severe drought in the region, particularly after 2017, with a decrease in average rainfall volumes and an increase in both temperature and evapotranspiration. Regarding the isotope data, rainwater shows an average and standard deviation of δ18O of -4.49‰ ± 3.16‰ VSMOW, with a meteoric water line equation of δ2H = 8.14*δ18O + 14.20, indicating dominance of the processes related to atmospheric vapor recycling. Well water δ18O values displayed an average and standard deviation of -7.25‰ ± 0.32‰ VSMOW, resembling the values of the spring, which were -6.94‰ ± 0.28‰ VSMOW. According to the results of the mixing model, groundwater accounts for approximately 80% of the spring discharge throughout the year, and this contribution exhibits only a slight variation between summer and winter seasons. This occurs because the portion of rainwater increases during periods of higher precipitation, but overall, the groundwater source consistently outweighs the contribution from rainfall. From 2017 onwards, there is an almost constant decline observed in the well’s water level until the end of the monitoring period. At this point, there is an increase in the contribution of rainwater to the spring discharge, which can be interpreted as a reduction in the aquifer's capacity to supply the monitored spring. This behavior highlights the importance of the aquifer in maintaining the basin's dynamics, as the decline of the well’s water level is attributed to the input of water through recharge not being sufficient to compensate for the outflow from the reservoir, due to prolonged drought and anthropogenic factors. Understanding these processes was only possible through the joint investigation of statistical and isotopic methods, both for groundwater and surface water. Therefore, this type of study is crucial for the planning and management of water resources, thus ensuring the resilience and sustainable use of water.