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

Abstract

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.

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.