Investigating physical controls of streamflow generation through baseflow campaigns

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2024.

Os rios de cabeceira são essenciais para transporte de sedimentos e remoção de nutrientes, além de fornecerem água para consumo humano e irrigação. No entanto, ainda é necessário entender os fatores que controlam a geração de vazão nesses rios. Para isso, o monitoramento hidrológico de longo prazo em pequenas bacias hidrográficas é fundamental, mas tem diminuído, especialmente em regiões tropicais e subtropicais. Como alternativa, campanhas de escoamento de base, que fornecem informações detalhadas no espaço, mas não no tempo, podem ser usadas para testar hipóteses sobre controles de geração de vazão. O objetivo da tese é analisar a influência das estruturas da paisagem na geração de vazão na bacia experimental da Lagoa Peri por meio de campanhas de escoamento de base. A bacia, de 19 km², é coberta pela Mata Atlântica, sua geologia é caracterizada por granito e dique de diabásio. Mediu-se a vazão em 31 bacias e amostramos isótopos (d18O) em 26 bacias (áreas variando de 0,02 a 5,33 km²). O modelo matemático fisicamente baseado ParFlow-CLM, validado por meio dos dados de vazão, foi utilizado como experimento virtual com diferentes configurações geológicas. Nossos resultados mostraram que a variação espacial dos dados de vazão não pode ser explicada por erros de medição, o que indica que a diferença de vazões entre as sub-bacias está relacionada à capacidade de armazenamento e liberação da água subsuperficial. Sendo assim, as características subterrâneas (ex.: porosidade, condutividade hidráulica e profundidade do solo) são as responsáveis por diferença de vazão. O coeficiente de Spearman entre a porcentagem de diabásio e a vazão específica é 0,68 (p-value < 0,05). Concluímos que, devido aos diques de diabásio serem mais rasos e terem maior permeabilidade, eles fornecem mais água aos rios durante o escoamento de base. Os dados de isótopos não puderam ser explicados por meio da topografia em sub-bacias com geologia heterogênea (granito e diabásio), e estão relacionados à área em bacias caracterizadas por geologia homogênea (granito), mostrando que uma geologia heterogênea resulta em caminhos subterrâneos mais diversificados. Kling?Gupta efficiency passou de -0,10 para 0,36 em uma série horária de vazão, apenas ao aumentar o grau de heterogeneidade subsuperficial no modelo ParFlow-CLM. Esse resultado destaca a importância da geologia e do solo para o entendimento da geração de vazão. Os resultados sugerem que as medições em bacias aninhadas durante condições de escoamento de base refletem a heterogeneidade das diferentes fontes que contribuem para os rios, sendo uma ferramenta poderosa para entender padrões de geração de escoamento em bacias subtropicais e tropicais, onde o monitoramento contínuo é difícil de implementar.

Abstract: Headwater streams are essential for sediment transport and nutrient removal, as well as providing water for human consumption and irrigation. However, the factors controlling streamflow generation in these streams still need to be better understood. Long-term hydrological monitoring in small catchments is crucial for this understanding, but it has been declining, especially in tropical and subtropical regions. As an alternative, baseflow campaigns, which provide detailed spatial but not temporal information, can be used to test hypotheses about the controls of streamflow generation. The objective of this thesis is to analyze the influence of landscape structures on streamflow generation in the Peri Lake Experimental Catchment (PLEC) through baseflow campaigns. PLEC (19 km²) is covered by the Atlantic Forest, and its geology is characterized by granite and diabase dikes. Streamflow was measured in 31 subcatchments, and isotopes (d18O) were sampled in 26 subcatchments (areas ranging from 0.02 to 5.33 km²). The physically-based model ParFlow-CLM, validated using baseflow data, was used to conduct a virtual experiment with different geological configurations. The spatial variation of baseflow data cannot be explained by measurement errors, indicating that the differences in flows between subcatchments are related to subsurface water storage capacity and release, thus, subsurface characteristics (e.g., porosity, hydraulic conductivity, and soil depth). The Spearman coefficient between the percentage of diabase and specific baseflow is 0.68 (p-value < 0.05), we concluded that, due to diabase dikes being shallower and having greater permeability, they deliver more water to stream during baseflow. Isotope data could not be explained by topography in subcatchments with diabase dikes and are related to area in subcatchments characterized by granite, showing that heterogeneous geology results in more heterogeneous subsurface pathways. The Kling?Gupta efficiency increased from -0.10 to 0.36 in a streamflow time series by simply increasing the degree of subsurface heterogeneity in the ParFlow-CLM model. This result highlights the importance of geology and soil for understanding streamflow generation. The results suggest that measurements in nested catchments during baseflow conditions reflect the heterogeneity of the different sources to streams, being a powerful tool for understanding streamflow generation patterns in subtropical and tropical catchment, where continuous monitoring is difficult to implement.