RESSALVA Atendendo solicitação do autor, o texto completo desta tese será disponibilizado somente a partir de 13/04/2025. I ns t i t u to de Geoc iênc ias e C iênc ias Exa tas Campus de Rio Claro PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOCIÊNCIAS E MEIO AMBIENTE FreeText IMAGEAMENTO SUPERFICIAL E SUBSUPERFICIAL PARA A CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA DE ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA FreeText Lucas Moreira Furlan FreeText Rio Claro/SP 2023 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “Júlio de Mesquita Filho” Instituto de Geociências e Ciências Exatas Campus Rio Claro LUCAS MOREIRA FURLAN IMAGEAMENTO SUPERFICIAL E SUBSUPERFICIAL PARA A CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA DE ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA Tese apresentada ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas do Campus de Rio Claro, da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Geociências e Meio Ambiente. Orientadora: Profª. Drª. Vânia Silvia Rosolen Rio Claro – SP 2023 F985i Furlan, Lucas Moreira Imageamento superficial e subsuperficial para a caracterização hidrodinâmica de áreas úmidas isoladas da Depressão Periférica Paulista / Lucas Moreira Furlan. -- Rio Claro, 2023 127 p. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Geociências e Ciências Exatas, Rio Claro Orientadora: Vania Rosolen 1. Sensoriamento Remoto. 2. Drone. 3. Satélite. 4. Eletrorresistividade. 5. Geotecnologias. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca do Instituto de Geociências e Ciências Exatas, Rio Claro. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. Impacto potencial desta pesquisa1 Os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) representam um compromisso global para promover a prosperidade humana em harmonia com a natureza. Os ODS visam erradicar a pobreza, proteger o meio ambiente e o clima e garantir que todas as pessoas possam desfrutar de paz e prosperidade até 2030. Entre os 17 objetivos definidos pela ONU, este trabalho contempla os ODS 6, 13, 14, 15 e 17. O ODS 6, Água potável e saneamento, é abordado neste trabalho através da análise direta das dinâmicas de disponibilidade hídrica em áreas úmidas. As áreas úmidas são importantes para a manutenção dos recursos hídricos, pois ajudam a recarregar aquíferos, regular o fluxo de água e manter a qualidade da água. Além disso, as áreas úmidas oferecem serviços ecossistêmicos vitais, como a purificação da água e a proteção contra enchentes. O ODS 13, Ação contra a mudança global do clima, é abordado neste trabalho por meio de análises históricas e sazonais das áreas úmidas. As áreas úmidas têm um papel fundamental na mitigação e adaptação às mudanças climáticas, pois podem armazenar grandes quantidades de carbono e fornecer uma barreira natural contra eventos climáticos extremos. Os ODS 14 e 15, Vida na água e Vida terrestre, são abordados neste trabalho por estudar os ecossistemas que se encontram na interface terrestre-aquática. As áreas úmidas são habitats essenciais para diversas espécies de animais e plantas, além de fornecerem recursos naturais importantes para as comunidades locais. A conservação desses ecossistemas é fundamental para garantir a sobrevivência de muitas espécies e manter a diversidade biológica. O ODS 17, Parcerias e meios de implementação, é abordado neste trabalho com o objetivo de fornecer dados qualitativos e quantitativos para diferentes partes interessadas na gestão, monitoramento e preservação das áreas úmidas. A colaboração entre governos, organizações não governamentais, empresas e comunidades locais é fundamental para garantir a sustentabilidade das áreas úmidas. 1 De acordo com a Portaria UNESP 117-2022 e Instrução AT-PROPG Nº02 (22/12/2022), passa a ser recomendado que todas as dissertações e teses, defendidas a partir dessa data apresentem uma descrição do impacto esperado relacionado aos Objetivos do Desenvolvimento Sustentável. Potential impact of this research The Sustainable Development Goals (SDGs) represent a global commitment to promote human prosperity in harmony with nature. The SDGs aim to eradicate poverty, protect the environment and climate, and ensure that everyone can enjoy peace and prosperity by 2030. Among the 17 goals defined by the UN, this work focuses on SDGs 6, 13, 14, 15, and 17. SDG 6, Clean Water and Sanitation, is addressed in this work through direct analysis of the dynamics of water availability in wetlands. Wetlands are important for maintaining water resources as they help recharge aquifers, regulate water flow, and maintain water quality. In addition, wetlands provide vital ecosystem services such as water purification and flood protection. SDG 13, Climate Action, is addressed in this work through historical and seasonal analysis of wetlands. Wetlands play a critical role in climate change mitigation and adaptation as they can store large amounts of carbon and provide a natural barrier against extreme weather events. SDGs 14 and 15, Life Below Water and Life on Land, are addressed in this work by studying ecosystems at the land-water interface. Wetlands are essential habitats for various animal and plant species and provide important natural resources for local communities. The conservation of these ecosystems is crucial to ensure the survival of many species and maintain biological diversity. SDG 17, Partnerships for the Goals, is addressed in this work with the aim of providing qualitative and quantitative data to different stakeholders in wetland management, monitoring, and preservation. Collaboration between governments, non-governmental organizations, companies, and local communities is essential to ensure the sustainability of wetlands. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “Júlio de Mesquita Filho” Instituto de Geociências e Ciências Exatas Câmpus de Rio Claro LUCAS MOREIRA FURLAN IMAGEAMENTO SUPERFICIAL E SUBSUPERFICIAL PARA A CARACTERIZAÇÃO HIDRODINÂMICA DE ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de Geociências e Ciências Exatas do Câmpus de Rio Claro, da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Geociências e Meio Ambiente Comissão Examinadora Profa. Dra. VANIA SILVIA ROSOLEN IGCE / UNESP/Rio Claro (SP) Profa. Dra. RENATA CRISTINA BOVI FCA / UNESP/Botucatu (SP) Prof. Dr. CÉSAR AUGUSTO MOREIRA IGCE / UNESP/Rio Claro (SP) Prof. Dr. MANUEL EDUARDO FERREIRA IESA / UFG/Goiânia (GO) Prof. Dr. JEPHERSON CORREIA SALES ICHS / UFR/Rondonópolis (MT) Conceito: Aprovado. Rio Claro/SP, 13 de abril de 2023. AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001. Também contou com apoio financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq. Por fim, esta pesquisa faz parte do processo nº 2020/03207-9, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). Agradeço à Universidade Estadual Paulista, minha alma mater desde a graduação. Agradecimentos além-palavras à professora Drª. Vânia Rosolen pela orientação que transpassou a tese e se transformou em uma amizade valiosa. Sou grato por sua percepção e integridade científicas, que me ensinaram muito sobre como crescer pessoal e profissionalmente. Sua confiança em minhas ideias, mesmo quando eram pequenas, e seu estímulo constante ajudaram-nas a crescer de forma exponencial. Gigante parte do profissional que sou hoje é fruto desta parceria. Ao professor Dr. César Augusto Moreira, por todos os valiosos ensinamentos e parceria durante esses anos. Ao professor Dr. Manuel Eduardo Ferreira, por toda a contribuição em meu aprendizado. Ao prestigioso geólogo e amigo, Matheus Casagrande, pela parceria semanal. Muito do trabalho se enriqueceu em nossas conversas. Aos amigos que também habitaram, mesmo que brevemente, as áreas úmidas: Dr. Jepherson Sales, Dra. Renata Bovi, Dra. Fernanda Teles e Me. Deise Junqueira pelos muitos avanços construídos em conjunto. Aos amigos que deram apoio metodológico neste trabalho, Paulo Guilherme de Alencar, João Paulo Maimoni, Giorgio Sartorato, e especialmente ao querido Allan da Silva Tomazella (in memorian). Não menos importante, a todos que viabilizaram a execução de todas as etapas deste projeto. RESUMO Áreas úmidas geograficamente isoladas (AUGI; Geographically Isolated Wetlands na bibliografia internacional) são feições geomorfológicas caracterizadas por depressões fechadas e representam formas de relevo onde as encostas circundam a área de acúmulo de água superficial. Grande número de AUGI’s estão distribuídas por toda a Depressão Periférica Paulista (Estado de São Paulo, Brasil) e são geralmente localizadas em colinas suaves, facilmente reconhecidas na paisagem por suas características geomorfológicas típicas. Devido à falta de legislações específicas e de estudos científicos que justifiquem a proteção das AUGI’s, é necessário integrar o monitoramento de longo prazo combinado a um conjunto de dados qualitativos e quantitativos em múltiplas escalas espaciais e temporais. Este estudo investigou a hidrodinâmica superficial e subsuperficial de AUGI's na Bacia do Rio Corumbataí, por meio de técnicas de imageamento não invasivas. Dados de sensoriamento remoto de múltiplas fontes, como satélites e dados de alta resolução espacial de veículo aéreo não tripulados, foram usados para estudar a superfície, enquanto o método geofísico da Eletrorresistividade e a condutividade hidráulica in situ foram utilizadas para acessar a subsuperfície rasa e profunda. Posteriormente, as análises foram validadas com dados climatológicos de precipitação e evapotranspiração. Foram identificados AUGI’s com diferentes hidroperíodos na localidade, sazonais e perene. No centro das AUGI’s ocorre o acúmulo de água superficial e sua interação com a água de solo, que pode posteriormente infiltrar de forma lenta para porções mais profundas (aquíferos). As AUGI’s são altamente sensíveis ao uso e ocupação do solo, pois estão localizadas em regiões de agricultura consolidada, portanto, é essencial conduzir e aplicar monitoramentos históricos e sazonais de alta resolução espaço temporal. Sobre a gênese dos ecossistemas, foi observada uma forte correlação entre o contexto geológico, hidrogeológico e características estruturais. Dois complexos de áreas úmidas foram identificados: o primeiro, com gênese e evolução controladas principalmente por fatores geomórficos, e o segundo principalmente controlado por características estruturais. A contribuição quantitativa e qualitativa das AUGI’s com o ciclo hidrogeológico reitera a necessidade de estudos sistemáticos de identificação, caracterização, classificação, monitoramento e gestão sustentável. Palavras-chave: Sensoriamento Remoto; drone; satélite; Eletrorresistividade; condutividade hidráulica; geotecnologias. ABSTRACT Geographically isolated wetlands (GIW) are geomorphological features characterized by closed depressions and represent landforms where slopes surround areas of surface water accumulation. A large number of GIWs are distributed throughout the São Paulo peripheral depression (São Paulo state, Brazil) and are usually located on smooth hills, easily recognized in the landscape by their typical geomorphological characteristics. Managing GIWs is a challenge because it requires integrating long-term monitoring combined with a set of qualitative and quantitative data at multiple spatial and temporal scales. This study investigated the surface and subsurface hydrodynamics of GIWs in the Corumbataí river basin using non-invasive imaging techniques. Remote sensing data from multiple sources such as satellites and high-resolution spatial data from unmanned aerial vehicles were used to study the surface, while Electrical Resistivity and hydraulic conductivity in situ were used to access the shallow and deep subsurface. Subsequently, the analyses were integrated with climatological data on precipitation and evapotranspiration. GIWs with different hydropatterns were identified in the locality, seasonal and perennial. In the center of the GIWs, there is the accumulation of surface water and its interaction with soil water, which can subsequently infiltrate slowly into deeper portions (aquifers). GIWs are highly sensitive to land use and occupation because they are located in agricultural border regions. Therefore, it is essential to conduct and apply historical and seasonal high-resolution spatio-temporal monitoring. Regarding the genesis of ecosystems, a strong correlation was observed between the geological, hydrogeological context, and structural characteristics. Two wetland complexes were identified: the first, with genesis and evolution mainly controlled by geomorphic factors, and the second mainly controlled by structural characteristics. The quantitative and qualitative contribution of GIWs to the hydrogeological cycle reiterates the need for systematic studies of identification, characterization, classification, monitoring, and sustainable management. Keywords: Remote Sensing; drone; satellite; Electrical Resistivity Tomography; hydraulic conductivity; geotechnologies. LISTA DE FIGURAS INTRODUÇÃO Figura 1.1 – Localização da Bacia do Paraná, com destaque para o estado de São Paulo (geomorfologia e distribuição dos biomas). Imagem de satélite com municípios que integram a Bacia do Rio Corumbataí e localização das áreas úmidas identificadas e aprofundadas neste estudo: AUGI Norte, Central e Sul..............................................................................................................21 Figura 1.2 – Bacia do Rio Corumbataí. A) Geologia; B) Solos e C) Aquíferos..............................23 MATERIAIS E MÉTODOS Figura 2.1 – Esquema dos métodos e técnicas aplicados em diferentes escalas.............................27 Figura 2.2 - Condutividade Metálica (a) e Condutividade Eletrolítica (b).....................................34 Figura 2.3 - Fluxo de corrente num condutor linear de comprimento L, resistência R e área de seção A............................................................................................................................................35 Figura 2.4 - Medição da resistividade por meio de um arranjo linear de 4 eletrodos, com os eletrodos M e N posicionados entre os eletrodos A e B...................................................................36 Figura 2.5 - Disposição dos pares eletrodos em arranjo Schlumberger..........................................37 Figura 2.6 – Mapa da AUGI Central, com as linhas de aquisição de dados de Eletrorresistividade e os pontos de condutividade hidráulica.........................................................................................38 RESULTADOS E DISCUSSÕES CAPITULO I Figura 3.1 – AUGI Norte, Sul e Central. Pixel time series do MapBiomas Água, com a coberturas do período de 1985 a 2022. Área Norte e Sul não possuem água identificada no período. Central com escala de cores que representa a frequência relativa de anos com presença de água no intervalo de tempo indicado...........................................................................................................................52 Figure 1 -Localization of the geomorphological compartments in the São Paulo State, Brazil, overlayed with the distribution of the Cerrado and Atlantic Forest ecoregions (i.e., biomes). The zoom-in the study area (Corumbataí River Basin DEM [44]) with wetlands identified by Junqueira [45] Furlan et al. [46]. A and B are the location of the two studied wetlands. ……………...……53 Figure 2 - Multi-scale process used during the development of the different stages of the study, contemplating satellites, UAV, and Electrical Resistivity Tomography workflows and applications during the study…………………………………………………………………………………...54 Figure 3 - 1975-2020 band composition images of the Landsat series and CBERS-04A satellite. Pixel-based supervised classification in wetland A and B (zoom-in) - the wetlands chosen to be classified and monitored. The graph “Area of the wetland A” displays the result of calculations of the waterlogged area for each year-dataset, based on the supervised classifications……………...58 Figure 4 - One-year (August 2019 – July 2020) systematic acquisition of Wetland A (A) and Wetland B (B) UAV-orthomosaics……………………………………………………….………59 Figure 5 - October-2019 orthomosaics, digital elevation models and elevation profiles (a-b) of the two wetlands A and B. (A) Wetland with perennial flooding and no tree vegetation, perimeter of 1485.1 meters; B) Wetland with temporary flooding and tree vegetation on its limits, perimeter of 972.3 meters. Wetland A is approximately 34% bigger than B…………………………………..60 Figure 6 – (A) The polygons extracted from Wetland A delimit the spatial pattern that reflects the wetland's characteristics with different RGB pixel responses related to seasonal hydro-periods. The images show a zoom-in view of a border portion of Wetland A for October 2019 and February 2020; (B) The polygons extracted from Wetland B delimit the spatial pattern that reflects the wetland's characteristics with different RGB pixel responses related to seasonal hydro-periods. The images show a zoom-in view of a border portion of Wetland B for October 2019 and February 2020………………………………………………………………………………………………61 Figure 7 -(w-x; y-z) 2D Inversion resistivity models, acquired based on Schlumberger array.…………………………………………………………………………………...…………64 Figure 8 - 3D subsurface slices - visualization models, slices of the 3D blocks, resulted of lateral interpolation of 2D inversion models. Depth of 5, 15, 25 and 35 meters.......................................65 CAPITULO II Figura II.1 – A) Mapa com locais de aquisição das linhas de Eletrorresistividade e dos pontos de medição da condutividade hidráulica; B) Mapa de condutividade hidráulica; C) Modelos de inversão 2D (Linha 2 e 27), com representação do uso e ocupação do solo.....................................75 Figura II.2 – Modelos de inversão 2D das linhas 1 a 6. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias).......................................................................76 Figura II.3 – Modelos de inversão 2D das linhas 7 a 11. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias) .............................................................77 Figura II.4 – Modelos de inversão 2D das linhas 12 a 17. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias) .............................................................78 Figura II.5 – Modelos de inversão 2D das linhas 18 a 23. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias) .............................................................79 Figura II.6 – Modelos de inversão 2D das linhas 24 a 27. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias).............................................................81 Figura II.7 – Modelos de inversão 2D das linhas 24 a 27. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias).............................................................82 Figura II.8 – Modelos de inversão 2D das linhas 24 a 27. Linha tracejada indica limite entre as zonas insaturadas (cores quentes) e saturadas (cores frias) .............................................................83 CAPITULO III Figure 1 - Localization of the São Paulo State with a zoom-in of the studied wetland and the land- use in the surroundings…………………………………………………………………………...88 Figure 2 - 12 months orthomosaics (August 2019 to July 2020) of the wetland, built from UAV data. The orthomosaics are displayed in three hydroperiods……………………………………...89 Figure 3 - Graph of the monthly precipitation (mm/mo) and the monthly evapotranspiration (mm/mo) (August 2019 to July 2020) ……………………………………………………….......89 Figure 4 - Processing based on (a) High- resolution DEM (+ 5 cm/pixel): (b) Stream network and the drainage areas for each stream segment (4758 features); (c) DEM pro- file with the terrain slope representation and wetland area-indication; (d) and (e) zoom-in the orthomosaics of October images, with the network stream overlay…………………………………………………………90 Figure 5 - Flooding simulations generated for pro- gressive increases of 0.2 m in the water level (wl), with a minimum wl of 556.60 m and a maximum wl of 558.20 m………………………….91 Figure 6 - Real flooding areas during October 2019 (a) and February 2020 (c); zoom-in a northeast border portion of each month (b) and (d)…………………………………………………………92 CAPÍTULO IV Figure 1 - Geomorphological and biome compartmentalization of the state of São Paulo. Location of the Corumbataí River Basin and of the studied wetlands (a-q) ……………………………...…97 Figure 2 - (A) Slope map with the Embrapa classification (1-6). (B) Geological Map. (C) Soil map. (D) Hydrogeological map with the main aquifers and the unconfined Rio Claro Aquifer (shallow aquifer). (E) Fracture level of the bedrock/aquifer……………………………………………….99 Figure 3 - Visual modeling of the three distinct scenarios generated from the AHP multi-criteria analysis, indicating the zones with the respectively probability of occurrence of wetland in the CRB……………………………………………………………………………………………..102 Figure 4 - Heatmap graph (Pearson correlation) of the variables (factors)……………………...103 Figure 5 - Bands composition generated by the open-code interface Marigold. Examples of the spectral response for 3 wetlands (m, n, o): (i) True Color Composition (R-G-B); (ii) ASTER; swir1/red; (iii) ASTER; (green*red *100)/blue………………………………………………….104 Figure 6 - The polygons for wetland-geomorphic elements (a-q). The corresponding maturity indices, DL and CI, are also shown for each of the elements…………………………………...104 OS HIDROPERÍODOS E A HIDRODINÂMICA DAS ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA Figura 4.1 – Modelo esquemático da hidrodinâmica superficial e subsuperficial para a AUGI Central..........................................................................................................................................113 Figura 4.1 – Modelo esquemático da hidrodinâmica superficial e subsuperficial para a AUGI Norte e Sul..............................................................................................................................................114 LISTA DE TABELAS MÉTODOS E MEIOS Tabela 2.1 – Características técnicas de aquisição e processamento de imagens multi-satélites utilizadas na análise.........................................................................................................................30 Tabela 2.2 – Características técnicas de aquisição e processamento do conjunto de dados VANT utilizados nas análises.....................................................................................................................33 Tabela 2.3 - Escala de Julgamento AHP.........................................................................................44 Tabela 2.4 - Exemplo da distribuição dos valores na matriz de julgamento para 4 fatores.............45 Tabela 2.5 - Índice Randômico (RI) em função da ordem (n) da matriz de julgamento............... 46 CAPÍTULO I Table 1 - Technical characteristics of acquisition and processing of the satellite images dataset used in the analysis………………………………………………………………………….…….53 Table 2 - Wetland A and B photogrammetric calculations performed……………………….…...61 Table 3 - Precipitation (P), Evapotranspiration (ET) and Water Balance (WB).…………...……63 CAPÍTULO III Table 1 - Main parameters of UAV data acquisition and processing………………………...……85 CAPÍTULO IV Table 1 - Saaty’s Scale of importance in the pairwise comparison…………………………….…96 Table 2 - Random Index (RI)…………………………………………………………………….97 Table 3 - Calculation of relative importance weightage for Scenario 1…………………….…....97 Table 4 - Calculation of relative importance weightage for Scenario 2………………………….97 Table 5 - Calculation of relative importance weightage for Scenario 3………………………….98 Table 6 - Percentage of wetlands in each of the probability zones………………..………….....103 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 16 1.1 Hipótese .............................................................................................................................................. 19 1.2 Objetivos ............................................................................................................................................ 20 1.2.1 Objetivo geral .............................................................................................................................. 20 1.2.2 Objetivos específicos ................................................................................................................... 20 1.3 Área de estudo .................................................................................................................................... 21 1.3.1 A Bacia do Rio Corumbataí ........................................................................................................ 22 1.3.2 Contexto geológico local ............................................................................................................. 22 1.3.3 Contexto geomorfológico local ................................................................................................... 24 1.3.4 Contexto hidrogeológico local .................................................................................................... 25 1.3.5 Contexto climático ...................................................................................................................... 26 2. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................................ 27 2.1 Dados de sensoriamento remoto orbital ............................................................................................. 28 2.1.1 MapBiomas Water ....................................................................................................................... 28 2.1.2 Aquisição e processamento de dados de satélite ......................................................................... 29 2.1.3 Índices morfométricos ................................................................................................................. 31 2.2 Aquisição e processamento de dados de Veículo Aéreo Não Tripulado ............................................ 32 2.3 Método da Eletrorresistividade .......................................................................................................... 34 2.3.1 Aquisição e processamento dos dados de 2D e 3D ..................................................................... 38 2.4 Dados climatológicos – Balanço hídrico ............................................................................................ 39 2.5 Condutividade hidráulica (Ksat) ........................................................................................................ 40 2.5.1 Medição da condutividade hidráulica in situ ............................................................................... 41 2.6 Análise multicritério – Processo Analítico Hierárquico ..................................................................... 42 2.6.1 Criação do Banco de Dados ........................................................................................................ 43 2.6.2 Normalização dos Fatores ........................................................................................................... 43 2.6.3 Atribuição de Pesos ..................................................................................................................... 44 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................................... 48 CAPÍTULO I - IMAGEAMENTO E HIDRODINÂMICA SUPERFICIAL ............................................... 48 CAPÍTULO II - HIDRODINÂMICA SUBSUPERFICIAL E A ARQUITETURA DE INFILTRAÇÃO.. 73 II.1 Introdução .......................................................................................................................................... 73 II.2 A arquitetura de infiltração ................................................................................................................ 74 II.3 Considerações .................................................................................................................................... 84 CAPÍTULO III - SENSIBILIDADE AMBIENTAL DAS ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS ....................... 85 CAPÍTULO IV - A GÊNESE DAS ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS E SUA RELAÇÃO COM A PAISAGEM ................................................................................................................................................. 94 4. OS HIDROPERÍODOS E A HIDRODINÂMICA DAS ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA. ................................................................................................ 112 5. ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA: CONTRIBUIÇÕES, CONSIDERAÇÕES GERAIS E NOVAS PERSPECTIVAS DE ESTUDO. .......... 115 REFERÊNCIAS ......................................................................................................................................... 118 APRESENTAÇÃO Essa tese foi organizada em capítulos que compreendem os resultados e discussões apresentados na forma de artigos – já publicados ou a publicar. As seções estão dispostas da seguinte forma: Introdução apresenta as questões iniciais que motivaram e mobilizaram este estudo, bem como as hipóteses, objetivos e a contextualização da área de estudo. Materiais e Métodos traz uma abordagem sistemática dos embasamentos metodológicos, técnicas e processamentos aplicados ao longo da pesquisa, que são apresentados em maior detalhe em cada capítulo. Capítulo I versa sobre resultados e discussões acerca do imageamento superficial e análise da hidrodinâmica de duas áreas úmidas isoladas da Depressão Periférica Paulista, submetido após revisão por pares, na revista Remote Sensing, intitulado “Multisource Remote Sensing and Geophysical Data to Unveil Surface and Subsurface Hydrodynamics of Small Natural Wetlands: An Undervalued Ecosystem at the Atlantic Forest-Cerrado Interface, Brazil”. Capítulo II versa sobre os resultados e discussões sobre o imageamento de subsuperfície e a arquitetura de interação de águas subterrâneas de uma área úmida. Capítulo III versa sobre os resultados e discussões acerca do monitoramento ambiental e sazonal de uma área úmida, publicado no artigo “Environmental monitoring and hydrological simulations of a natural wetland based on high-resolution unmanned aerial vehicle data (Paulista Peripheral Depression, Brazil)”, na revista Environmental Challenges. Capítulo IV versa sobre os resultados e discussões acerca da gênese das áreas úmidas isoladas e a influência dos fatores geomorfologia, geologia, pedologia, hidrologia e hidrogeologia. O artigo foi submetido, após revisão por pares, na revista International Journal of Geo- Information, intitulado “Brazilian Small Inland Wetlands: Spatial Dependence-distribution Based on Multi-criteria Analysis (GIS-AHP technique) and Geomorphometric Indices Assessed by Remote Sensing”. Os hidroperíodos e a hidrodinâmica das áreas úmidas isoladas da Depressão Periférica Paulista apresenta uma integração dos capítulos anteriores e Contribuições, considerações gerais e novas perspectivas de estudo, apresenta as considerações finais de forma a integrar todas as discussões e apontar as vantagens e limitações dos métodos utilizados, bem como indicar novos potenciais direcionamentos de estudos. 16 1. INTRODUÇÃO As áreas úmidas naturais de água doce recobrem cerca de 7 milhões de km² em todo o mundo. Tem importância reconhecida por ser um ecossistema que desempenha um papel fundamental nos ciclos hídricos locais a globais, contribuindo com o armazenamento da água meteórica, recarga de diferentes níveis aquíferos, amortecimento de cheias e enchentes, vazão de drenagens, retenção de sedimentos, purificação da água, regulação do microclima, fornecimento de água potável para seres humanos e animais, estoque de carbono, entre outros (EULISS et al., 2004; MELTON et al., 2013; RUSSI et al., 2013; JUNK et al., 2014; ROSOLEN et al., 2015; GANESAN et al., 2016; FURLAN et al., 2020; 2021b). Embora sejam áreas de grande relevância, os ecossistemas mantidos por áreas úmidas foram e são degradados em todo o mundo, principalmente pelas crescentes atividades urbanas e rurais que impulsionam impactos ambientais (EULISS & MUSHET, 2004; PAPASTERGIADOU et al., 2008; ROSOLEN et al., 2015). No Brasil, aproximadamente 20% do território é coberto por áreas úmidas e esses ambientes desempenham uma variedade de funções ecossistêmicas (JUNK et al., 2014). O território brasileiro atualmente possui 27 áreas designadas como Áreas Úmidas de Importância Internacional (Sítios Ramsar) (RAMSAR, 2022). Este estudo aborda uma classe específica de áreas úmidas, designadas como áreas úmidas geograficamente isoladas (AUGI na abreviação e Geographically Isolated Wetlands na bibliografia internacional). As AUGI’s são feições geomorfológicas caracterizadas por serem depressões fechadas com acúmulo de água superficial, circundadas por encostas (NORTON, 1986; TINER, 2003; KOŁODYŃSKA-GAWRYSIAK & POESEN 2017). A AUGI natural pode ocorrer em muitos locais ao redor do mundo e sua gênese pode ser influenciada pelo contexto geológico local, características físicas e químicas do solo, geomorfologia regional e local e influência das águas subterrâneas, seja pela hidrodinâmica dos aquíferos ou pelo grau de erosão do solo, rochas, entre outros (GILLIJNS et al., 2005; VANWALLEGHEM et al., 2008; SAURO, 2019; NATIENNE et al., 2011; KOŁODYŃSKA-GAWRYSIAK & POESEN, 2017). A funcionalidade e a sensibilidade ambiental das AUGI’s são amplamente reconhecidas no bioma Cerrado, especialmente as funções ecossistêmicas associadas à interação das águas superficiais e subterrâneas na recarga dos aquíferos (JUNK et al., 2014; ROSOLEN et al., 2015; 2019; FURLAN et al., 2020, 2021; LUKO-SULATO et al., 2021). Sua formação, persistência, tamanho e funções, bem como a hidrologia da bacia e seus hidroperíodos, são amplamente 17 controlados pelo regime local de precipitação-evapotranspiração, cujas taxas podem ser substancialmente alteradas pela mudança climática global, especialmente pelo prolongamento dos períodos de seca (ACREMAN & MCCARTNEY, 1991; ANDERSON & LOCKABY, 2012; VAN DIJK et al., 2013; MIDDLETON & SOUTER, 2016). Além disso, as pressões de uso da terra, principalmente pelos avanços da agricultura, têm levado a perdas, degradação e fragmentação das áreas úmidas, acentuando sua vulnerabilidade e tornando-as menos eficazes na manutenção da qualidade da água (CHANG et al., 2021). Um grande número de AUGI’s estão distribuídas por toda a Depressão Periférica Paulista (Estado de São Paulo, Brasil). Estas áreas são geralmente localizadas em colinas suaves e são facilmente reconhecidas na paisagem por suas características geomorfológicas típicas, como sua forma circular-ovalada, com hidroperíodos bem marcados ligados à sazonalidade climática e sem conexão visível com drenagens (TINER, 2003). O conjunto de AUGI’s de água doce ocorre em litologias (rochas sedimentares e magmáticas) e idades geológicas variáveis (idades Paleozóica e Mesozóica) e são subestimadas pela sociedade e governo quanto à sua importância ecológica e hídrica. Desde a década de 1970, a intensificação do uso da terra por conversão em áreas urbanas, minerações de argila e agricultura modificaram profundamente os ecossistemas naturais, inclusive as áreas úmidas (reconhecidas localmente como brejos, lagoas ou pântanos). A gestão das AUGI’s é um desafio diante da necessidade de integrar o monitoramento de longo prazo com dados qualitativos e quantitativos em múltiplas escalas espaciais e temporais. As abordagens metodológicas deste estudo são concentradas em técnicas de imageamento não- invasivas para a caracterização hídrica superficial e subsuperficial. Nesse sentido, o uso de geotecnologias em imageamentos de superfície e subsuperfície geram informações de grande relevância ao estudo da dinâmica de paisagem e hidrodinâmica de pequenos ecossistemas (FURLAN et al., 2021a, 2021b; ŚLEDŹ et al., 2021). Dados superficiais de alta resolução espacial são versáteis e de baixo custo quando obtidos por meio de sensores embarcados em veículos aéreos não tripulados (VANT’s). Ortomosaicos gerados a partir de dados de VANT e modelos de elevação digital (MDE) são ferramentas valiosas ao estudo geomorfológico e hidrológico (ŚLEDŹ et al., 2021, LI et al., 2010, OUÉDRAOGO et al., 2014). Imagens de subsuperfície podem ser adquiridas através de métodos geofísicos. Notavelmente, o método geoelétrico de Eletrorresistividade é adequado para estudos hidrogeológicos, devido à alta variabilidade nas propriedades elétricas relacionadas a diferentes materiais e níveis de umidade ou 18 saturação de água em matrizes e horizontes heterogêneos de solo/rocha/rególito (LOWRIE, 2007; TARGA et al., 2019; CASAGRANDE et al., 2020). A pouca agilidade do Brasil em cumprir as metas da Convenção Ramsar resulta na exposição das AUGI’s aos impactos de atividades humanas (Junqueira, 2021). As AUGI’s, em particular, são mais suscetíveis a danos do que outros sistemas úmidos, pois suas funções ecossistêmicas ainda são pouco estudadas e conhecidas, e, portanto, não possuem monitoramentos e legislações adequados. Por isso, existe uma crescente demanda pela classificação, caracterização e monitoramento ambiental sazonal e histórico das áreas úmidas isoladas. Isso se deve, principalmente, à necessidade de fortalecer as leis ambientais e desenvolver estudos que aumentem a compreensão das funções ecossistêmicas e hidrodinâmicas desses ambientes, tanto em escala local quanto regional. Diante do exposto, o objetivo geral deste estudo foi investigar a hidrodinâmica superficial e subsuperficial de áreas úmidas isoladas na Depressão Periférica Paulista (Bacia do Rio Corumbataí), por meio de técnicas de imageamento não invasivas de superfície e de subsuperfície associadas com medidas de condutividade hidráulica e análise multicritério. Foram utilizadas múltiplas fontes de dados de sensoriamento remoto, como satélites e VANT, para analisar a hidrodinâmica superficial, e dados de Eletrorresistividade e condutividade hidráulica in situ para caracterizar a subsuperfície. Além disso, os resultados foram validados com dados climatológicos de precipitação e evapotranspiração. A AUGI atua como um local de interação entre água superficial e a água de solo (aquífero raso), que pode, eventualmente, infiltrar de forma lenta para porções mais profundas – e atingir o nível aquífero profundo, que pode ser caracterizado como um aquitarde devido à alta disponibilidade de água, mas baixas velocidades de condutividade hidráulica. O estudo também evidenciou que há uma forte correlação entre o contexto geológico, hidrogeológico e características estruturais na gênese dos ecossistemas. Foi possível identificar dois complexos de áreas úmidas, o primeiro controlado principalmente por fatores geomórficos e o segundo, por características estruturais. Por fim, a contribuição das AUGI's para o ciclo hidrogeológico reitera a necessidade de estudos sistemáticos de identificação, caracterização, classificação, monitoramento e gestão sustentável dessas áreas. 115 5. ÁREAS ÚMIDAS ISOLADAS DA DEPRESSÃO PERIFÉRICA PAULISTA: CONTRIBUIÇÕES, CONSIDERAÇÕES GERAIS E NOVAS PERSPECTIVAS DE ESTUDO. A presente pesquisa classificou as áreas úmidas isoladas da Depressão Periférica Paulista como áreas úmidas geograficamente isoladas (AUGI’s). Apesar de apresentarem feições geomorfológicas similares, possuem hidroperíodos e, consequentemente, hidrodinâmicas superficiais e subsuperficiais muito variáveis. A aplicação de sensoriamento remoto de múltiplas fontes é essencial nas diferentes etapas de caracterização de dinâmica superficial. Dados de satélite contribuíram para a definição da série histórica de alagamento, enquanto os dados suborbitais de alta resolução espacial (ao longo de um ano) contribuíram para o entendimento de detalhe sazonal dos hidroperíodos. Combinadas, ambas as técnicas, conferem um caráter sistemático e amplo para as caracterizações hidrodinâmicas superficiais. O conjunto de dados climáticos foi de grande importância para dar coerência à caracterização do hidroperíodo e para validar os dados espectrais, o que possibilitou comparações entre precipitação, evapotranspiração e as respostas de imageamento superficial. A aplicação da técnica de Eletrorresistividade permitiu entender a arquitetura de infiltração e a hidrodinâmica subsuperficial de uma área úmida. Foi observado que a área retém água superficial devido o substrato argiloso e a característica de aquitarde da Formação Corumbataí, de baixa condutividade hidráulica. Os períodos de estiagem e a evapotranspiração causam a redução do alagamento. A AUGI atua como um ponto de interação entre água superficial e subsuperficial, e contribui diretamente para manter a umidade do solo e alimentar drenagens próximas, bem como pode contribuir, mesmo que lentamente por meio de infiltração no aquitarde, na recarga do aquífero subjacente (aquífero Tubarão). As AUGI’s estão localizadas em regiões de agricultura consolidada, com intensa atividade há muitas décadas – pincipalmente cana-de-açúcar. Por isso, possuem alta sensibilidade ambiental devido às necessidades da aplicação de agroquímicos e fertilizantes nas áreas de cultivo, que muitas vezes são também as áreas de contribuição superficial e de escoamento de água meteórica para o centro das AUGI’s. Devido ao tamanho destes ecossistemas, de apenas alguns hectares, a utilização de dados de alta resolução espacial se faz necessária para monitorar sutis alterações ou conversões inadequadas de uso e ocupação do solo. A AUGI Norte teve uma perda de área causada pela ação 116 humana de aproximadamente 12,27% entre outubro de 2019 e fevereiro de 2020. Também foi realizada a validação dos dados de alta resolução para a simulação de alagamento. A comparação entre a simulação de alagamento e o alagamento real apresentou uma variação de apenas de ±3,27%, o que comprova as metodologias aqui aplicadas extremamente eficazes e com grande potencialidade de reaplicação em pequenos ecossistemas. Os resultados deste estudo forneceram dados fundamentais sobre a caracterização e funcionamento das AUGI’s e para discutir a gênese destes ecossistemas. Reconhecer a gênese das áreas úmidas envolve a abordar diversos e complexos fatores do meio físico, a aplicação do método multicritério proporcionou o entendimento sistematizado dos diferentes fatores ambientais e sua distribuição espacial. Foram identificados os fatores que têm maior influência nas correlações entre as áreas úmidas e as zonas de probabilidade de ocorrência das mesmas. Os resultados indicam uma forte correlação entre o contexto geológico, hidrogeológico e características estruturais das localidades em que se encontram as AUGI’s. Dois complexos de áreas úmidas foram identificados: o primeiro, com gênese e evolução controladas principalmente por fatores geomórficos, com destaque para as correlações entre contexto geológico e hidrogeológico; e o segundo, principalmente controlado por características estruturais, com maior influência do nível de fraturamentos do substrato rochoso e do contexto hidrogeológico. Neste sentido, o método Multicritério por meio da técnica Processo Analítico Hierárquico, é eficaz na categorização de fatores que influenciam a gênese de ecossistemas. O desafio deste método é que, para que ele funcione, é necessário inserir uma quantidade de dados muito robusta, ou seja, o objeto de estudo precisa estar em fase avançada de conhecimento. A partir deste estudo, além das contribuições técnico-cientificas propostas inicialmente em seus objetivos, também é de relevância destacar a importância social e para a sustentabilidade do desenvolvimento econômico regional, fortemente dependente da agricultura, além do intenso crescimento urbano e industrial, que exercem pressão dos múltiplos usos da água. É importante sua ampla divulgação para a sociedade em geral, em especial as comunidades locais que vivem em regiões próximos às AUGI’s, superficiários, gestores e demais partes interessadas. Uma forma de viabilizar essas conexões é através de projetos de governança que construam estratégias para uso sustentável destes ecossistemas. Ter como premissa que a importância de um ecossistema é senso comum não é procedente, por isso, a integração ativa de conhecimentos gerados por meio de alta tecnologia necessita ser difundida, para possibilitar de forma participativa o monitoramento, 117 preservação e gestão das áreas úmidas. Muitas vezes, embora já comprovado cientificamente, as partes interessadas não têm acesso à informação, e a negligência dos diferentes atores pode ser reflexo de uma dificuldade de acesso ao conhecimento especializado, e não de uma negligência proposital. Desta forma são propostas medidas protetivas na região das AUGI’s, como a criação de legislações específicas que visem a criação de matas ciliares e a restrição de uso intensivo de agroquímicos e fertilizantes nas áreas de contribuição hídrica direta das AUGI’s. Apesar das técnicas aplicadas proporcionarem o entendimento da dinâmica de subsuperfície, a arquitetura profunda foi caracterizada inteiramente por dados indiretos. Desta forma, a eventual integração com dados de medidas diretas, físicas e químicas de subsuperfície, pode fornecer maiores detalhes acerca da hidrodinâmica e de sua integração com a paisagem local e regional. São recomendados como estudos futuros a análise de isótopos destas águas, a fim de traçar de forma mais assertiva os caminhos de fluxo e as contribuições ecossistêmicas a nível regional. Além disso, são recomendados estudos sistematizados em toda a Depressão Periférica, para que seja possível quantificar as AUGI’s e mensurar sua contribuição ecossistêmica regional. Estes estudos devem ser voltados para a obtenção de métricas comparáveis em diferentes áreas, visando o delineamento rápido e tomadas de decisões ágeis pelas partes interessadas. Por fim, também são recomendados estudos que visem a criação de estratégias de difusão social do conhecimento acerca destes ecossistemas, como a inserção das AUGI’s em projetos de governança ambiental. Isoladamente, a quantificação de água superficial e caracterização dos processos hidrodinâmicos podem parecer numérica e significativamente pequenos, mas existem muitas AUGI’s na Bacia do Rio Corumbataí, o que torna a contribuição deste ecossistema muito relevante para a manutenção hidrológica regional. Apesar de estarem isoladas geograficamente, em subsuperfície estão amplamente interconectadas com a dinâmica das paisagens. 118 REFERÊNCIAS ABEM, A. I. Terrameter LS Instruction Manual. ABEM Instrument Sundbyberg, 2012. 122p. ACHIRO, J. O Subgrupo Irati (Neopermiano) da Bacia do Paraná. 1996. 182 f. Tese (Doutorado em Geologia). Programa de Pós-Graduação em Geologia Sedimentar, IG/USP, 1996. ACREMAN, M. C.; MOUNTFORD, J. O. Wetland management. In Handbook of Catchment Management (19-50). Wiley-Blackwell, 2009. ALMEIDA, F. F. M. Geological foundations of São Paulo relief. São Paulo: Geographic and Geological Institute. Geology of the State of São Paulo, p. 167-263, 1964. ANDERSON, C. 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