Large-scale assessment of groundwater reserves and processes in Brazil, South America

Abstract

As reservas de água subterrânea estão entre os componentes do balanço hídrico com maior incerteza de quantificação. O entendimento da sua disponibilidade ainda é limitado em comparação com outras reservas hídricas como rios, atmosfera, solo e lagos. A busca por esse recurso tem aumentado tanto nas áreas úmidas quanto nas áreas secas. Explorar os processos de interação entre as águas subterrâneas e os rios em aquíferos de grande escala (como o comportamento das reservas em períodos secos, eventos de recarga episódica e variabilidade anual), é de grande interesse para a indústria, a economia e a qualidade de vida da população. O desenvolvimento e a avaliação de ferramentas é um passo inicial para o uso sustentável das águas subterrâneas. O objetivo desta tese é avançar no entendimento de processos hidrogeológicos de grande escala que ocorrem no Brasil em diferentes climas e formações aquíferas a partir de ferramentas inovadoras e complementares de monitoramento in situ, dados de sensoriamento remoto e modelagem hidrológica. Verificou-se que o uso do GRACE para detectar variações nas reservas de água subterrânea para um aquífero sedimentar no semiárido brasileiro apresentou resultados adequados. As reservas de água subterrânea estão entre os componentes do balanço hídrico com maior incerteza de quantificação. O entendimento da sua disponibilidade ainda é limitado em comparação com outras reservas hídricas como rios, atmosfera, solo e lagos. A busca por esse recurso tem aumentado tanto nas áreas úmidas quanto nas áreas secas. Explorar os processos de interação entre as águas subterrâneas e os rios em aquíferos de grande escala (como o comportamento das reservas em períodos secos, eventos de recarga episódica e variabilidade anual), é de grande interesse para a indústria, a economia e a qualidade de vida da população. O desenvolvimento e a avaliação de ferramentas é um passo inicial para o uso sustentável das águas subterrâneas. O objetivo desta tese é avançar no entendimento de processos hidrogeológicos de grande escala que ocorrem no Brasil em diferentes climas e formações aquíferas a partir de ferramentas inovadoras e complementares de monitoramento in situ, dados de sensoriamento remoto e modelagem hidrológica. Verificou-se que o uso do GRACE para detectar variações nas reservas de água subterrânea para um aquífero sedimentar no semiárido brasileiro apresentou resultados adequados.

Groundwater volumes are among the water balance components with the greatest uncertainty of quantification, the understanding of its availability is still limited compared to other water reserves such as rivers, atmosphere, soil, and lakes. The search for this continuous supply resource throughout the year has increased in wet and dry areas. Exploring hydrological, hydrogeological, and surface-groundwater interaction processes among these large-scale South American aquifers, such as the dynamics associated with dry periods response, recharge events, and interannual variability, is of great interest to the industry, the economy, and the quality of life of the regional population. And the development and testing of tools for researching these aspects is a primer step for sustainable usage of groundwaters in the South American domain. The main objective of this thesis is to advance in the determination of large-scale hydrogeological process in Brazil, South America in different climates and aquifer formations from innovative and complementary tooling of intensive field monitoring, remote sensing data, and hydrological modeling. We found that the use of GRACE to detect variations in groundwater reserves showed adequate results for a small-scale sedimentary aquifer in the Brazilian semi-arid region. The findings were promising to improve the understanding of droughts at different scales in those areas. GRACE data also showed itself as an essential tool for monitoring groundwater volumes in the other two aquifers in humid subtropical areas and investigated in this thesis (Caiuá Aquifer and SASG). We also found that in those humid subtropical areas, the high soil moisture storage has an important role in the occurrence of large episodic recharge events. Atypical rainfall in winter periods was responsible for the increase in soil moisture that explains the larger events. The changes in aquifer storage caused by episodic recharge events are long-lasting and directly affect low flows in rivers with implications on hydro-climatic variability. We also brought important findings related to groundwater variations in fractured aquifer systems, which are complex to predict. Significant contributions related to groundwater level variations, transit times, regional trends, and interaction with the rivers in the SASG were presented.