Isotope hydrology and baseflow geochemistry in natural and human-altered watersheds in the Inland Pacific Northwest, USA

Abstract

This study presents a stable isotope hydrology and geochemical analysis in the inland Pacific Northwest (PNW) of the USA. Isotope ratios were used to estimate mean transit times (MTTs) in natural and human-altered watersheds using the FLOWPC program. Isotope ratios in precipitation resulted in a regional meteoric water line of δ2H = 7.42·δ18O + 0.88 (n = 316; r2 = 0.97). Isotope compositions exhibited a strong temperature-dependent seasonality. Despite this seasonal variation, the stream δ18O variation was small. A significant regression (τ = 0.11D−1.09; r2 = 0.83) between baseflow MTTs and the damping ratio was found. Baseflow MTTs ranged from 0.4 to 0.6 years (human-altered), 0.7 to 1.7 years (mining-altered), and 0.7 to 3.2 years (forested). Greater MTTs were represented by more homogenous aqueous chemistry whereas smaller MTTs resulted in more dynamic compositions. The isotope and geochemical data presented provide a baseline for future hydrological modelling in the inland PNW.

Este estudio presenta una hidrología de isótopos estables y un análisis geoquímico en el interior del Pacífico Noroeste (PNW) de los EE. UU. Las proporciones de isótopos se utilizaron para estimar los tiempos de tránsito medios (MTT) en cuencas hidrográficas naturales y alteradas por el hombre utilizando el programa FLOWPC. Las proporciones de isótopos en la precipitación dieron como resultado una línea de agua meteórica regional de δ2H = 7,42 · δ18O + 0,88 (n = 316; r2 = 0,97). Las composiciones de isótopos exhibieron una fuerte estacionalidad dependiente de la temperatura. A pesar de esta variación estacional, la variación de δ18O de la corriente fue pequeña. Se encontró una regresión significativa (τ = 0.11D − 1.09; r2 = 0.83) entre los MTT de flujo base y la tasa de amortiguamiento. Los MTT de flujo base variaron de 0,4 a 0,6 años (alterado por humanos), 0,7 a 1,7 años (alterado por minería) y 0,7 a 3,2 años (forestado). Los MTT mayores estuvieron representados por una química acuosa más homogénea, mientras que los MTT más pequeños dieron como resultado composiciones más dinámicas. Los datos isotópicos y geoquímicos presentados proporcionan una línea de base para futuros modelos hidrológicos en el PNW interior.