Modelling non-stationary water ages in a tropical rainforest: A preliminary spatially distributed assessment

Abstract

Pristine tropical forests play a critical role in regional and global climate systems. For a better understanding of the eco-hydrology of tropical “evergreen” vegetation, it is essential to know the partitioning of water into transpiration and evaporation, runoff and associated water ages. For this purpose, we evaluated how topography and vegetation influence water flux and age dynamics at high temporal (hourly) and spatial (10 m) resolution using the Spatially Distributed Tracer-Aided Rainfall-Runoff model for the tropics (STARRtropics). The model was applied in a tropical rainforest catchment (3.2 km2 ) where data were collected biweekly to monthly and during intensive monitoring campaigns from January 2013 to July 2018. The STARRtropics model was further developed, incorporating an isotope mass balance for evapotranspiration partitioning into transpiration and evaporation. Results exhibited a rapid streamflow response to rainfall inputs (water and isotopes) with limited mixing and a largely timeinvariant baseflow isotope composition. Simulated soil water storage showed a transient response to rainfall inputs with a seasonal component directly resembling the streamflow dynamics which was independently evaluated using soil water content measurements. High transpiration fluxes (max 7 mm/day) were linked to lower slope gradients, deeper soils and greater leaf area index. Overall water partitioning resulted in 65% of the actual evapotranspiration being driven by vegetation with high transpiration rates over the drier months compared to the wet season. Time scales of water age were highly variable, ranging from hours to a few years. Stream water ages were conceptualized as a mixture of younger soil water and slightly older, deeper soil water and shallow groundwater with a maximum age of roughly 2 years during drought conditions (722 days). The simulated soil water ages ranged from hours to 162 days and for shallow groundwater up to 1,200 days. Despite the model assumptions, experimental challenges and data limitation, this preliminary spatially distributed model study enhances knowledge about the water ages and overall young water dominance in a tropical rainforest with little influence of deeper and older groundwater.

Los bosques tropicales vírgenes desempeñan un papel fundamental en los sistemas climáticos regionales y mundiales. Para una mejor comprensión de la ecohidrología de la vegetación tropical "siempre verde", es esencial conocer la división del agua en transpiración y evaporación, escorrentía y edades asociadas del agua. Para este propósito, evaluamos cómo la topografía y la vegetación influyen en el flujo de agua y la dinámica de edad a alta resolución temporal (por hora) y espacial (10 m) utilizando el modelo de precipitación y escorrentía asistida por trazadores distribuidos espacialmente para los trópicos (STARRtropics). El modelo se aplicó en una cuenca de captación de selva tropical (3,2 km2) donde los datos se recopilaron cada dos semanas a mensualmente y durante campañas de monitoreo intensivas desde enero de 2013 hasta julio de 2018. El modelo STARRtropics se desarrolló aún más, incorporando un balance de masa de isótopos para la evapotranspiración dividida en transpiración y transpiración. evaporación. Los resultados mostraron una respuesta rápida del flujo de la corriente a las entradas de lluvia (agua e isótopos) con una mezcla limitada y una composición de isótopos de flujo base en gran medida invariante en el tiempo. El almacenamiento de agua del suelo simulado mostró una respuesta transitoria a las entradas de lluvia con un componente estacional que se asemeja directamente a la dinámica del flujo de la corriente que se evaluó de forma independiente utilizando mediciones del contenido de agua del suelo. Los altos flujos de transpiración (máx. 7 mm / día) se relacionaron con pendientes más bajas, suelos más profundos y un mayor índice de área foliar. La división general del agua dio como resultado que el 65% de la evapotranspiración real fuera impulsada por la vegetación con altas tasas de transpiración durante los meses más secos en comparación con la temporada de lluvias. Las escalas de tiempo de la edad del agua fueron muy variables, desde horas hasta algunos años. Las edades del agua de los arroyos se conceptualizaron como una mezcla de agua del suelo más joven y agua del suelo más profunda y ligeramente más antigua y agua subterránea poco profunda con una edad máxima de aproximadamente 2 años durante las condiciones de sequía (722 días). Las edades del agua del suelo simuladas variaron de horas a 162 días y para aguas subterráneas poco profundas hasta 1200 días. A pesar de las suposiciones del modelo, los desafíos experimentales y la limitación de los datos, este estudio de modelo preliminar distribuido espacialmente mejora el conocimiento sobre las edades del agua y el dominio general del agua joven en una selva tropical con poca influencia de las aguas subterráneas más profundas y antiguas.