Tracer hydrology in a hydrometric data-limited and complex tropical mountainous region: the case of the Central American Isthmus

Abstract

Numerous socio-economic activities are dependent on the seasonal rainfall and groundwater recharge cycle across the Central American Isthmus. Demographic growth and unregulated land use changes resulted in extensive surface in rainfall, surface water, and groundwater of Costa Rica, Nicaragua, El Salvador, and Honduras. A regional rainfall isoscape, isotopic lapse rates, spatial-temporal isotopic variations, and air mass back trajectories were combined to determine potential mean recharge elevations, moisture circulation patterns, and surface water-groundwater interactions. Intra-seasonal rainfall modes resulted in two depleted incursions (W-shaped isotopic pattern) during the wet season and two enriched pulses during the Mid-Summer Drought and the months of the strongest trade winds. Notable isotopic sub-cloud fractionation and near-surface secondary evaporation were identified as common denominators within the Dry Corridor. Groundwater and surface water isotope ratios depicted the strong orographic separation into the Caribbean and Pacific domains, mainly induced by the governing moisture transport from the Caribbean Sea, complex rainfall producing systems across the N-S mountain range, and the subsequent mixing with local evapotranspiration, and, to a lesser degree, the eastern Pacific Ocean fluxes.Numerosas actividades socioeconómicas dependen de las lluvias estacionales y del ciclo de recarga de las aguas subterráneas en todo el istmo centroamericano. El crecimiento demográfico y los cambios no regulados en el uso de la tierra dieron como resultado una extensa superficie de lluvia, agua superficial y agua subterránea de Costa Rica, Nicaragua, El Salvador y Honduras. Se combinaron un isoscape regional de lluvia, tasas de lapso isotópicas, variaciones isotópicas espacio-temporales y trayectorias de retroceso de la masa de aire para determinar las posibles elevaciones medias de recarga, los patrones de circulación de la humedad y las interacciones entre el agua superficial y el agua subterránea. Los modos de lluvia intraestacional dieron como resultado dos incursiones agotadas (patrón isotópico en forma de W) durante la temporada de lluvias y dos pulsos enriquecidos durante la sequía de mediados de verano y los meses de los vientos alisios más fuertes. Se identificaron como denominadores comunes dentro del Corredor Seco el notable fraccionamiento de subnube isotópico y la evaporación secundaria cerca de la superficie. Las proporciones de isótopos de aguas subterráneas y superficiales representaron la fuerte separación orográfica en los dominios del Caribe y el Pacífico, principalmente inducida por el transporte de humedad gobernante desde el Mar Caribe, los complejos sistemas de producción de lluvia a través de la cordillera NS y la posterior mezcla con la evapotranspiración local, y, en menor grado, los flujos del Océano Pacífico oriental.