Recarga do Sistema Aquífero Serra Geral nos domínios do tempo, espaço e da frequência

Abstract

Resumo: A compreensão da dinâmica climática de uma região é fundamental para avaliar de forma eficiente os processos de recarga de sistemas aquíferos. Essa avaliação precisa levar em consideração desde aspectos locais até processos e fenômenos de escala continental, tais como eventos atmosféricos com influência global. Nessa perspectiva, a integração de dados hidrogeológicos do aquífero estudado com os processos climáticos sob os quais ele está submetido é fundamental para compreender o sistema de recarga subterrânea. Tendo em vista a relevância da interação entre as oscilações térmicas da superfície marinha do Oceano Pacífico e a atmosfera para o clima da América do Sul, entender como tais eventos contribuem para a dinâmica hidrogeológica numa porção chave do Sul do Brasil se torna objeto de estudo de extrema importância. Dessa forma, esta pesquisa investigou de que forma a recarga do Sistema Aquífero Serra Geral se comporta nos domínios do espaço, tempo e da frequência na área da Bacia Paraná 3, situada no Oeste Paranaense. Junto a isso, buscou-se compreender como os processos de El Niño-Oscilação Sul afetam positiva ou negativamente essa recarga. Para avaliar tal influência, foram utilizadas séries temporais entre 10 e 73 anos de duração referentes ao cálculo da recarga potencial do aquífero obtidas por sensoriamento remoto, tais como pluviometria, umidade do solo, escoamento superficial e evapotranspiração real, assim como séries de oscilação doa armazenamento hídrico subterrâneo e oscilações da temperatura da superfície marinha no Oceano Pacífico Equatorial, também por sensoriamento remoto. Além disso, foi utilizado o monitoramento da oscilação do freático na Bacia Hidrográfica Paraná 3 a partir de 29 poços monitorados por até cinco anos em resolução horária, derivados do Projeto Hidrosfera, convênio entre a Universidade Federal do Paraná, Itaipu Binacional e Parque Tecnológico Itaipu. Adicionalmente, foram obtidas 1260 trajetórias de massas atmosféricas durante 240 horas retroativas da chegada delas na área de estudo entre os anos de 2005 e 2023 via o sistema de sensoriamento remoto HYSPLIT, com o objetivo de avaliar mudanças nos padrões atmosféricos no domínio do tempo. As séries temporais tiveram parâmetros estatísticos descritivos calculados, comparados e distribuídos nos domínios do tempo e do espaço, em conjunto com a análise espectral via Transformada Rápida de Fourier para avaliação de semelhanças de sinal no domínio da frequência. Foi observado que a recarga do aquífero se concentra nos meses de maio e outubro, enquanto a descarga se concentra no inverno, tendo a chegada de umidade influenciada pela Amazônia como a principal fonte, sendo ela transportada pelos Jatos de Baixos Níveis da América do Sul até a Bacia Paraná 3. Em termos do tempo de atraso entre eventos de chuva e a recarga do aquífero, há indícios que possivelmente indicam cerca de um mês entre o evento pluvial e a entrada de água no meio freático. Além disso, picos espectrais encontrados para as séries analisadas, incluindo as de oscilação do nível freático, excedem 12 meses de duração, chegando a períodos de mais de 3 anos, sendo que o mesmo ocorre para as séries de variação do armazenamento hídrico pelo satélite GRACE e dos índices referentes à El Niño-Oscilação Sul. Tal conjunto de dados sugere a relação diretamente proporcional da recarga do Sistema Aquífero Serra Geral na Bacia Paraná 3 com a Oscilação Meridional de El Niño, a partir do reforço dos Jatos de Baixos Níveis da América do Sul em eventos de El Niño especialmente intensos

Abstract: Understanding the climate dynamics of a region is essential to efficiently evaluate the recharge processes of aquifer systems. This assessment needs to consider everything from local aspects to continental-scale processes and phenomena, such as atmospheric events with global influence. From this perspective, the integration of hydrogeological data from the studied aquifer with the climatic processes to which it is subjected is fundamental to understanding the underground recharge system. Considering the relevance of the interaction between thermal oscillations of the Pacific Ocean sea surface and the atmosphere for the climate of South America, understanding how such events contribute to the hydrogeological dynamics in Southern Brazil becomes an extremely important object of study. Therefore, this research investigated how the recharge of the Serra Geral Aquifer System, the main aquifer in the region, behaves in the domains of space, time, and frequency in the Paraná 3 Basin area, in Western Paraná. Along with this, how the El Niño-Southern Oscillation processes positively or negatively affect this recharge. To evaluate this influence, time series between 10 and 73 years in length were used to calculate the potential recharge of the aquifer obtained by remote sensing, including parameters such as rainfall, soil moisture, surface runoff, groundwater storage oscillation, real evapotranspiration, and sea surface temperature fluctuations in the Equatorial Pacific Ocean. In addition, in situ monitoring of groundwater fluctuations in the Paraná 3 Hydrographic Basin was made using data from 29 wells monitored for up to five years at hourly resolution. These data derived from the Hidrosfera Project, an agreement between the Federal University of Paraná, Itaipu Binacional and Parque Tecnológico Itaipu. Additionally, 1260 trajectories of atmospheric masses were obtained using 240 retroactive hours tracking of their arrival in the study area between the years 2005 and 2023 via the HYSPLIT remote sensing system, aiming for evaluating changes in atmospheric patterns in the time domain. The time series had descriptive statistical parameters calculated, compared, and distributed in the time and space domains, in conjunction with spectral analysis via Fast Fourier Transform to evaluate signal similarities in the frequency domain. It was observed that the recharge of the aquifer is concentrated in the months of May and October, while the discharge is concentrated in winter, with the arrival of moisture from the Amazon as the main source of rainfall, being the humidity transported by the South American Low Level Jets System to the Paraná 3 Basin. In terms of the delay time between rain events and aquifer recharge, there is evidence that may suggest a lag time of around a month between the rain event and the entry of water into the water table. Furthermore, spectral peaks found for the analyzed series, including those of water table oscillation, exceed 12 months in duration, reaching periods of more than 3 years, and the same occurs for the water storage variation series obtained by the GRACE satellite and indices referring to the El Niño-Southern Oscillation. This set of data suggests a directly proportional relationship between the recharge of the Serra Geral Aquifer System in the Paraná Basin 3 and the El Niño Southern Oscillation, resulting from the reinforcement of the South American Low Level Jets System, especially during intense El Niño events