Fatores condicionantes de fluxo e recarga no compartimento do Sistema Aquífero Guarani, Brasil

Abstract

O Sistema Aquífero Guarani (SAG) é um dos maiores reservatórios de água subterrânea do mundo e desempenha papel estratégico para a segurança hídrica na América do Sul. Com cerca de 90% de sua extensão confinada por rochas vulcânicas, as zonas de afloramento configuram áreas de importância ímpar para compreensão do aquífero. Nos modelos conceituais tradicionais, é atribuído a elas o papel de áreas de recarga regional. A implementação de políticas de uso e gestão dos recursos hídricos subterrâneos depende da caracterização e quantificação das reservas e da recarga. Esta tese teve como objetivo estimar a recarga do SAG e caracterizar seus fatores condicionantes no Sul do Brasil, caracterizadas por elevada complexidade hidrogeológica. Foram adotadas três abordagens, que foram integradas para a elaboração de um modelo conceitual para a região. A análise das séries temporais de nível da água de 21 poços da Rede Integrada de Monitoramento de Águas Subterrâneas (RIMAS/SGB) envolveu a estimativa de recarga pelo método da Variação do Nível da Água (VNA), comparando-se abordagens distintas, e a aplicação de análises estatísticas de autocorrelação e correlação cruzada com dados pluviométricos. A segunda abordagem consistiu na elaboração de um mapa de potencialidade de recarga com base em sete variáveis ambientais (declividade, forma do terreno, uso e ocupação, hidrogeologia, teor de argila, densidade de drenagens e de lineamentos), ponderadas pelo método Analytic Hierarchy Process. A terceira abordagem envolveu a caracterização hidroquímica e isotópica das águas subterrâneas do SAG e de aquíferos adjacentes, contemplando parte do Compartimento Sul na Argentina. Foram aplicados diagramas clássicos de hidroquímica e isotopia e o modelo End Member Mixing Analysis (EMMA) para quantificação das proporções de mistura. Os resultados indicaram alta heterogeneidade espacial da recarga, com valores médios anuais entre 11% e 24% da precipitação. Identificou-se a atuação de dois mecanismos de fluxo: fluxo difuso pela matriz, dominante na região, e fluxo preferencial, mais restrito, porém associado às maiores taxas de recarga. O mapa indicou que o alto potencial de recarga se concentra em uma faixa orientada no sentido N-S, e sua validação com dados de condutividade elétrica confirmou a coerência espacial do modelo. As análises hidroquímicas revelaram padrões evolutivos, com a troca iônica sendo o principal processo relacionado ao enriquecimento em sódio, enquanto o incremento de sulfato, magnésio e flúor está associado à interação com aquíferos adjacentes. As assinaturas isotópicas indicam recarga sob condições climáticas distintas nas águas do SAG. A identificação dos membros extremos e a quantificação das misturas pelo EMMA confirmaram que as águas dos aquíferos sobrejacente (SASG) e subjacente (Pré-SAG) contribuem significativamente para a composição química do SAG. O modelo conceitual proposto evidencia uma dinâmica de recarga fortemente controlada por estruturas geológicas, e que a área de afloramento, além de zona de recarga, pode comportar-se como uma área de descarga regional. Esta pesquisa traz informações relevantes para uma área até agora menos estudada do SAG, oferecendo novas perspectivas sobre os modelos regionais clássicos.

The Guarani Aquifer System (SAG) is one of the largest groundwater reservoirs in the world and plays a strategic role in water security in South America. With approximately 90% of its extent confined by volcanic rocks, the outcrop zones represent areas of unique importance for understanding the aquifer dynamics. In traditional conceptual models, these zones are considered to function as regional recharge areas. The implementation of groundwater use and management policies depends on the characterization and quantification of both reserves and recharge. This thesis aimed to estimate the recharge of the SAG and characterize its controlling factors in southern Brazil, a region marked by high hydrogeological complexity. Three complementary approaches were adopted and integrated into the development of a conceptual model for the region. The first approach involved the analysis of time series of water levels from 21 wells in the Integrated Groundwater Monitoring Network (RIMAS/SGB), applying the Water Table Fluctuation (WTF) method for recharge estimation, including the comparison of different approaches, and statistical analyses of autocorrelation and cross-correlation with rainfall data. The second approach consisted of the development of a groundwater recharge potential map based on seven environmental variables (slope, landform, land use and cover, hydrogeology, clay content, drainage density, and lineament density), weighted using the Analytic Hierarchy Process (AHP) method. The third approach involved the hydrochemical and isotopic characterization of groundwater from the SAG and adjacent aquifers, including part of the southern compartment in Argentina. Classical hydrochemical and isotopic diagrams were applied, along with the End Member Mixing Analysis (EMMA) model to quantify mixing proportions. The results revealed high spatial heterogeneity in recharge, with average annual values ranging from 11% to 24% of precipitation. Two flow mechanisms were identified: diffuse flow through the matrix, which is predominant in the region, and preferential flow, more restricted but associated with higher recharge rates. The recharge potential map indicated that areas of high recharge potential are concentrated along a north–south-oriented belt, and its validation with electrical conductivity data confirmed the spatial coherence of the model. Hydrochemical analyses revealed evolutionary patterns, with ion exchange being the main process associated with sodium enrichment, while increases in sulfate, magnesium, and fluoride were linked to interactions with adjacent aquifers. Isotopic signatures indicate recharge under distinct climatic conditions within the SAG waters. The identification of end members and the quantification of mixing via EMMA confirmed that groundwater from the overlying (SASG) and underlying (Pre-SAG) aquifers significantly contributes to the chemical composition of the SAG. The conceptual model proposed for the study area highlights a recharge dynamic strongly controlled by geological structures. This research provides relevant information for the Southern compartment of the SAG, offering new perspectives on classical regional models.