Deciphering surface water–groundwater connectivity using chemical and stable isotope tracers (H and O) in the headwaters of São Francisco River, Brazil

Este estudo analisou a composição hidroquímica e os isótopos estáveis (H e O) na precipitação, em águas subterrâneas e em águas superficiais na sub-bacia São Francisco 1 (SF1), região das cabeceiras do Rio São Francisco, para avaliar a conectividade entre águas superficiais e subterrâneas na sub-bacia. SF1 engloba um aquífero fraturado, e possui precipitação sazonal, com verões chuvosos e invernos secos. Águas subterrâneas e superficiais exibiram baixa mineralização, com condutividade elétrica média de 147,2 ± 99,4 μS.cm⁻¹ e 65,7 ± 78,7 μS.cm⁻¹, respectivamente. A abundância iônica (mEq.L⁻¹) foi de Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺ para cátions, e HCO₃⁻ > SO₄²⁻ > Cl⁻ > NO₃⁻ > F⁻ > PO₄³⁻ para ânions, sendo a maioria das amostras bicarbonatadas cálcicas e/ou magnesianas. A composição química foi influenciada principalmente por interação rocha-água e pela precipitação de estação úmida nas águas superficiais. A composição isotópica da precipitação mostrou um padrão sazonal distinto, com valores mais baixos na estação chuvosa (-63,87‰ para δ²H e -9,86‰ para δ¹⁸O) e mais altos na estação seca (-5,12‰ para δ²H e -2,12‰ para δ¹⁸O). A composição isotópica das águas subterrâneas permaneceu constante (-43,71‰ para δ²H e -6,70‰ para δ¹⁸O), e a das águas superficiais variou sazonalmente (-44,95‰ para δ²H e -7,07‰ para δ¹⁸O na estação chuvosa, e -38,12‰ para δ²H e -6,14‰ para δ¹⁸O na estação seca), refletindo as entradas da precipitação. Valores consistentes da inclinação das retas de evaporação ao longo das estações indicam que a recarga foi lenta e gradual. O teste de Mann-Whitney indicou que a conexão entre águas superficiais e subterrâneas esteve presente em ambas as estações, sendo mais intensa na estação úmida. No Baixo São Francisco 1, distribuições idênticas (p = 1) de NO₃, δ2H e δ18O apontam para mistura e forte conectividade entre reservatórios. A descarga de águas subterrâneas é a principal fonte do fluxo superficial, contribuindo com 60% a 85% do fluxo, seguida pela precipitação de estação úmida.

Resumo (inglês)

This study assessed the chemical composition of major elements and stable isotopes (H and O) in precipitation, groundwater, and surface water in São Francisco 1 (SF1) sub-basin (approximately 14,000 km2), located at the São Francisco River headwater region, fractured aquifer system region with a complex geologic framework. Both groundwater and surface water exhibited low mineral content, with average electrical conductivity of 147.2 ± 99.4 μS.cm-1 and 65.7 ± 78.7 μS.cm-1, respectively. The ionic abundance (mEq.L-1) followed Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > K⁺ for cations and HCO₃⁻ > SO₄²⁻ > Cl⁻ > NO₃⁻ > F⁻ > PO₄³⁻ for anions, with most samples being calcic and/or magnesian bicarbonates. Chemical composition was primarily influenced by rock-water interactions and wet-season precipitation in surface water. The isotopic composition of precipitation showed a seasonal pattern, with lower values in the wet season (-63.87 ‰ for δ2H and -9.86 ‰ for δ18O) and higher values in the dry season (-5.12 ‰ for δ2H and -2.12 ‰ for δ18O). Groundwater remained constant (-43.71 ‰ for δ2H and -6.70 ‰ for δ18O), while surface water varied seasonally (-44.95 ‰ for δ2H and -7.07 ‰ for δ18O in the wet season, and -38.12 ‰ for δ2H and -6.14 ‰ for δ18O in the dry season), reflecting wet-season precipitation inputs. Consistent groundwater Evaporation Line (EL) slopes across seasons suggest that the recharge was gradual and slow. The Mann-Whitney test for chemical and isotopes tracers pointed out that surface water-groundwater connectivity was present in both seasons, although enhanced in the wet season. In Lower SF1, identical distributions (p =1) of NO₃, δ2H and δ18O underscore the stronger connectivity and mixing within this compartment. Groundwater was the primary source of streamflow, contributing from 60 % to 85 %, and wet-season precipitation was another source of surface water.