Hydrogeology Journal

, 17:1733 | Cite as

Assessment of groundwater recharge and water fluxes of the Guarani Aquifer System, Brazil

Report

Abstract

The groundwater recharge and water fluxes of the Guarani Aquifer System in the state of Sao Paulo in Brazil were assessed through a numeric model. The study area (6,748 km2) comprises Jacaré-Guaçú and Jacaré-Pepira River watersheds, tributaries of the Tietê River in the central region of the state. GIS based tools were used in the storage, processing and analysis of data. Main hydrologic phenomena were selected, leading to a groundwater conceptual model, taking into account the significant outcrops occurring in the study area. Six recharge zones were related to the geologic formation and structures of the semi-confined and phreatic aquifer. The model was calibrated against the baseflows and static water levels of the wells. The results emphasize the strong interaction of groundwater flows between watersheds and the groundwater inflow into the rivers. It has been concluded that lateral groundwater exchanges between basins, the deep discharges to the regional system, and well exploitation were not significant aquifer outflows when compared to the aquifer recharge. The results have shown that the inflows from the river into the aquifer are significant and have the utmost importance since the aquifer is potentially more vulnerable in these places.

Keywords

Brazil Groundwater recharge Flow model Numerical modeling Geographic information systems 

Evaluation de la recharge de l’aquifère et des mouvements de l’eau dans le Système Aquifère du Guarani, Brésil

Résumé

La recharge de l’aquifère et les mouvements de l’eau dans le Système Aquifère du Guarani dans l’état de Sao Paulo au Brésil ont été évalués à l’aide d’un modèle numérique. Le secteur d’étude (6,748 km2)englobe les bassins versants du Jacaré-Guaçù et de la Rivière Jacaré-Pepira, tributaires de la Rivière Tietê dans la région centrale de l’Etat. Des outils établis sur un SIG ont été utilisés pour le stockage, le traitement et l’analyse des données. Les principaux phénomènes hydrologiques ont été sélectionnés, aboutissant à un modèle conceptuel de l’aquifère, prenant en compte les affleurements significatifs se trouvant dans le secteur d’étude. Six zones de recharge ont été reliées à la formation et aux structures géologiques de l’aquifère phréatique semi-captif. Le modèle a été calibré en s’appuyant sur les débits de base et les niveaux pièzométriques des puits. Les résultats mettent en évidence la forte interdépendance des circulations d’eau souterraine entre bassins versants et de l’apport d’eau souterraine aux rivières. On en a conclu que les échanges d’eau souterraine entre bassins versants, les écoulements profonds vers le système régional, et l’exploitation des puits ne correspondait pas à des sorties significatives de l’aquifère en comparaison de la recharge de l’aquifère. Les résultats ont montré que les apports de la rivière à l’aquifère sont significatifs et ont la plus grande importance du fait que l’aquifère est potentiellement plus vulnérable dans ces endroits.

Bestimmung der Grundwasserneubildung und -flüsse des Guarani Aquifer Systems, Brasilien

Zusammenfassung

Die Grundwasserneubildung und -flüsse des Guarani Aquifer Systems im Bundesstaat Sao Paulo in Brasilien wurden mit einem numerischen Modell untersucht. Das Untersuchungsgebiet (6748 km2) umfasst Jacaré-Guaçu und Jacaré-Pepira Wasserbecken, die nebenflüsse des Tietê Flusses in der zentralen Region des Staates sind. GIS-basierte Werkzeuge wurden in der Speicherung, Verarbeitung und Analyse der Daten eingesetzt. Die wichtigsten hydrologischen Prozesse wurden definiert, was zu einem konzeptionellen Modell des Untersuchungsgebiets gefûhrt hat. Sechs Neubildungszonen wurden entsprechend den geologischen Formationen und Strukturen dem halbgespannten und freien Grundwasserleiter zugewiesen. Das Modell wurde anhand des Basisabflusses und der statischen Wasserstände der Brunnen kalibriert. Die Ergebnisse unterstreichen die starke Wechselwirkung zwischen den beiden Wasserbecken und der Grundwasserabfluss in die Flüsse. Es wurde festgestellt, dass der seitliche Abfluss in die anliegenden Wasserbecken, der Abfluss zu dem regionalen System und die Brunnenförderung im Vergleich zur Grundwasserleiterneubildung nicht signifikant waren. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Zufluss aus den Flüssen in den Grundwasserleiter erheblich ist und große Bedeutung hat, da der Grundwasserleiter an diesen Stellen potenziell gefährdet ist.

Evaluación de la recarga de aguas subterráneas y flujo de agua del Sistema Acuífero Guaraní, Brasil

Resumen

Se evaluó la recarga de aguas subterráneas y los flujos de agua del Sistema Acuífero Guaraní en el estado de Sao Paulo en Brasil a través de un modelo numérico. El área de estudio (6,748 km2) comprende las cuencas de los ríos Jacaré-Guaçú y Jacaré-Pepira, tributarios del Río Tietê en la región central del estado. Se usaron herramientas basadas en SIG en el almacenamiento, procesamiento y análisis de los datos. Se seleccionaron los principales fenómenos hidrológicos, que condujeron a un modelo conceptual de las aguas subterráneas, teniendo en cuenta los afloramientos significativos existentes en el área estudiada. Seis zonas de recarga fueron relacionadas a las estructuras y formación geológica del acuífero semiconfinado y freático. El modelo fue calibrado en función del flujo de base y los niveles estático de agua de los pozos. Los resultados enfatizan la fuerte interacción de los flujos de aguas subterráneas entre las cuencas y la afluencia de aguas subterráneas hacia los ríos. Se concluyó que los intercambios laterales de aguas subterráneas entre cuencas, la descarga profunda al sistema regional y la explotación de pozos no constituían salidas significativas del acuífero en comparación con la recarga del acuífero. Los resultados han demostrado que las entradas desde el río hacia el acuífero son significativas y tienen el mayor grado de importancia puesto que el acuífero es potencialmente más vulnerable en estos lugares.

Determinação da recarga de água subterrânea e dos fluxos no Sistema Aquífero Guarani, Brasil

Resumo

A recarga de água subterrânea e os fluxos de água no sistema aquífero Guarani, localizado no estado de São Paulo, no Brasil, foram determinados utilizando um modelo numérico de simulação de fluxo subterrâneo. A zona de estudo (6,748 km2) inclui as bacias hidrográficas dos rios Jacaré-Guaçú e Jacaré-Pepira, que são tributários do rio Tietê na região central do estado de São Paulo. Ferramentas SIG foram usadas no armazenamento, tratamento e análise de dados. Procedeu-se à identificação dos principais processos hidrogeológicos e ao desenvolvimento do modelo conceptual do aquífero, tendo em conta as inúmeras zonas de afloramento que ocorrem na zona de estudo. Foram identificadas seis zonas de recarga e relacionadas com as respectivas formações geológicas e estruturas dos aquíferos semi-confinado e freático. O modelo foi calibrado comparando os resultados da simulação com os caudais e níveis hidrostáticos medidos nos poços. Os resultados colocam em evidência o papel da água subterrânea no intercâmbio de água entre bacias hidrográficas e entre as massas de água subterrânea e os rios. Conclui-se que as trocas laterais de água subterrânea entre as bacias hidrográficas, as descargas profundas no sistema aquífero regional e a exploração dos poços não constituem saídas de água importantes dos aquíferos quando comparadas com a recarga. Os resultados obtidos mostram ainda que a contribuição de água do rio para o sistema aquífero é significativa e da maior importância, uma vez que o aquífero é potencialmente mais vulnerável nestas zonas de interacção.

巴西Guarani含水层系统地下水补给和水通量的评估

摘要

利用数值模型评估了巴西圣保罗州Guarani含水层系统的地下水补给和水通量。研究区总面积6748 km2, 包括Jacaré-Guaçú和Jacaré-Pepira流域, 及流经该州中部的Tietê河支流流。数据的存储、处理和分析都基于GIS平选择主要水文现象, 并考虑研究区的主要露头, 建立了地下水概念模型。六个补给区与半承压、潜水含水层的地质建造和构造有关。该模型经基流和井静水位校正。结果强调, 流域间地下水流与泄入河流的地下水之间存在密切的相互作用。并推断出 : 地下水盆地间的侧向地下水交换、排入局部系统的深层地下水和井采相对于含水层补给量来说很小。结果显示, 河水对含水层的补给显著。由于在该补给机制下, 含水层会更为脆弱, 因此这种补给极为重要。

Notes

Acknowledgements

The authors are grateful to the direction of the Tietê-Jacaré Basin Committee and to the technicians of the Departamento de Águas e Energia Elétrica do Estado de São Paulo (DAEE) of the city of Araraquara for their support during the collection of data. The authors likewise are deeply grateful to the financial support granted by the Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) and to the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) which made the development of the present study feasible.

References

  1. Araújo LM, França AB, Potter PE (1999) Hydrogeology of the Mercosul aquifer system in the Paraná and Chaco-Paraná basins, South America, and comparison with the Navajo-Nugget aquifer system, USA. Hydrogeol J 7(3):313–336Google Scholar
  2. Arnold JG, Allen PM (1999) Automated methods for estimating baseflow and groundwater recharge from streamflow records. J Am Water Resour Assoc 35(2):411–424CrossRefGoogle Scholar
  3. ASCE Committee (1990) Review of geostatistics in geohydrology, II: applications. J Hydrol Eng 116:633–658CrossRefGoogle Scholar
  4. Bardossy A, Lehmann W (1998) Spatial distribution of soil moisture in a small catchment: part I, geostatistical analysis. J Hydrol 206:1–15CrossRefGoogle Scholar
  5. Borghetti NRB, Borghetti JR, Rosa Filho EF (2004) Aqüífero Guarani: a verdadeira integração dos países do Mercosul [Guarani Aquifer: the true integration of the Mercosur countries]. Nova, Rio de JaneiroGoogle Scholar
  6. Braga BPF, Conejo JGL, Palos JCF (1991) Balanço hídrico do Estado de São Paulo [Water budget of the São Paulo state]. UNESCO, Montevideu, UruguayGoogle Scholar
  7. Cignoni P, Montani C, Scopigno R (1998) DeWall: a fast divide and conquer Delaunay triangulation algorithm in Ed. Comput Aided Des 30(5):333–341CrossRefGoogle Scholar
  8. Corrêa UMP (1995) Estudo das águas subterrâneas das bacias hidrográficas dos rios Jacaré-Guaçu e Jacaré-Pepira no Estado de São Paulo [Study of groundwater of the Jacaré-Guaçu and Jacaré-Pepira river basins in the state of Sao Paulo]. MSc Thesis, Universidade de São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  9. Cunha AT (2003) Estimativa experimental da taxa de recarga na zona de afloramento do Aqüífero Guarani, para a região de São Carlos – SP [Experimental estimate of the recharge rate in the Guarani Aquifer outcrop zone for region of Sao Carlos – SP]. MSc Thesis, Universidade de São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  10. DAEE (Departamento de Águas e Energia Elétric) (1974) Estudo de águas subterrâneas: região administrativa no 6, Ribeirão Preto [Study of groundwater: administrative region no. 6, Ribeirao Preto, vol. 4]. DAEE, São PauloGoogle Scholar
  11. Delhomme JP (1978) Kriging in the hydrosciences. Adv Water Resour 1:251–266CrossRefGoogle Scholar
  12. De Vries JJ, Simmers I (2002) Groundwater recharge: an overview of processes and challenges. Hydrogeol J 10:5–17Google Scholar
  13. Guo X, Zhang C (2000) Hydraulic gradient comparison method to estimate aquifer hydraulic parameters under steady-state conditions. Ground Water 1 November 2000. doi: 10.1111/j.1745-6584.2000.tb00679.x
  14. IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) (1993) Geologia das folhas Campinas (SF.23-Y-A) e Ribeirão Preto (SF.23-V-C) [Geology of the Campinas (SF.23-YA) and Ribeirao Preto (SF.23-VC) leaves]. IPT, São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  15. IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) (2003) Diagnóstico da situação atual dos recursos hídricos e estabelecimento de diretrizes técnicas para a elaboração do Plano da Bacia Hidrográfica do Tietê/Jacaré [Diagnosis of the current situation of water resources and establishment of technical guidelines for the preparation of the Tiete/Jacare watershed plan]. IPT, São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  16. Linsley RK, Kohler MA, Joseph LH (1975) Applied hydrology. McGraw-Hill, New YorkGoogle Scholar
  17. Matos IS (1987) Aplicação de um modelo de balanço hídrico na Bacia do Rio Jacaré-Guaçu [Application of a water budget model in the Jacaré-Guaçu river basin]. MSc Thesis, Universidade de São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  18. Nathan RJ, Mcmahon TA (1990) Evaluation of automated techniques for base flow and recession analysis. Water Resour Res 26:1465–1473CrossRefGoogle Scholar
  19. OAS/GEF (Organization of American States/Global Environment Facility) (2001) Proyecto para la Protección Ambiental y Desarrollo Sostenible Integrado del SAG [Project for the Environmental Protection and Integrated Sustainable Development of the SAG]. OAS/GEF, Montevideo, UruguayGoogle Scholar
  20. Piuci J, Diniz HN (1985) Conhecimento do Aqüífero Botucatu na Cidade de Araraquara — SP [Knowledge of the Botucatu Aquifer in the Araraquara city — SP]. Instit Geol 6:23–44Google Scholar
  21. Rebouças AC (1976) Recursos hídricos subterrâneos da Bacia do Paraná [Underground water resources of the Parana basin]. PhD Thesis, Universidade de São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  22. Rosa Filho EF, Hindi EC, Giusti DA et al (2003) Sistema Aqüífero Guarani: considerações preliminares sobre a influência do Arco de Ponta Grossa no Fluxo das águas subterrâneas [Guarani Aquifer System: preliminary considerations on the influence of the Ponta Grossa Arc in the groundwater flow]. Águas Subterr 17:91–111Google Scholar
  23. Scanlon BR, Healy RW, Cook PG (2002) Choosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge. Hydrogeol J 10(1):18–39CrossRefGoogle Scholar
  24. SMA (Secretaria de Estado do Meio Ambiente) (2004) Um exemplo de solução integrada para a criação de áreas de proteção de captações destinadas ao abastecimento público com usos de modelos de sustentabilidade e sistemas avançados de suporte de tecnologia de informação. Rel. tec. 11.04.04 [An example of integrated solution for the creation of areas of impounding protection intended for public supply with use of models of sustainability and advanced systems of support of information technology. Tech. report 11.04.04]. SMA, São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  25. Sracek O, Hirata R (2002) Geochemical and stable isotopic evolution of the Guarani Aquifer System in the state of São Paulo, Brazil. Hydrogeol J 10(6):643–655CrossRefGoogle Scholar
  26. Wendland E (2003) Implementação de pacote computacional SPA (Simulação de Processos em Aqüíferos). FAPESP relatório de pesquisa 02/09696-3 [Implementation of computational package SPA: simulation of processes in aquifers. FAPESP technical report 02/09696-3]. Universidade de São Paulo, BrazilGoogle Scholar
  27. Wendland E, Barreto C, Gomes LH (2007) Water balance in the Guarani Aquifer outcrop zone based on hydrogeologic monitoring. J Hydrol 342:261–269. doi: 10.1016/j.jhydrol.2007.05.033 CrossRefGoogle Scholar
  28. Zuquette LV, Palma JB, Pejon OJ (2006) Initial assessment of the infiltration and overland flow for different rainfall events in land constituted of sandstones of the Botucatu Formation (Guarani Aquifer), State of São Paulo, Brazil. Environ Geol 50(3):371–387. doi: 10.1007/s00254-006-0216-2

Copyright information

© Springer-Verlag 2009

Authors and Affiliations

  1. 1.Federal University of Recôncavo da Bahia, Center of Exact Sciences and TechnologyCruz das AlmasBrazil
  2. 2.Department of Hydraulics and Sanitary EngineeringUniversity of São PauloSão CarlosBrazil

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