Tracer hydrology of the data-scarce and heterogeneous Central American Isthmus

Abstract

Resumen. Numerosas actividades socioeconómicas dependen de las precipitaciones estacionales y del ciclo de recarga de aguas subterráneas en todo el istmo centroamericano. El crecimiento demográfico y los cambios no regulados en el uso de la tierra provocaron una amplia contaminación de las aguas superficiales y una gran dependencia de los recursos de aguas subterráneas. Este capítulo utiliza variaciones de isótopos estables en precipitaciones, aguas superficiales y subterráneas de Costa Rica, Nicaragua, El Salvador y Honduras para desarrollar un isopaisaje de precipitaciones regionalizado, tasas de caída isotópica, variaciones isotópicas espacio-temporales y trayectorias de retorno de masas de aire que determinan la media potencial. elevaciones de recarga, patrones de circulación de humedad e interacciones entre aguas superficiales y subterráneas. Los modos de lluvia intraestacionales dieron como resultado dos incursiones isotópicamente agotadas (patrón isotópico en forma de W) durante la estación húmeda 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 Centroamericano el notable fraccionamiento isotópico de las subnubes y la evaporación secundaria cerca de la superficie. Las proporciones de isótopos de aguas subterráneas y superficiales describieron la fuerte separación orográfica en los dominios del Caribe y el Pacífico, inducida principalmente por el transporte de humedad que rige desde el Mar Caribe, los complejos sistemas productores de lluvia a lo largo de la cordillera N-S y la posterior mezcla con la evapotranspiración local, y, en menor grado, los flujos del Océano Pacífico oriental. La recarga de aguas subterráneas se caracterizó por a) recarga agotada en áreas montañosas (72,3%), b) recarga rápida a través de rutas de flujo preferenciales (13,1%) y recarga enriquecida debido al fraccionamiento secundario cerca de la superficie (14,6%). La elevación media de recarga osciló entre 1.104 y 1.979 m s.n.m. Estos resultados tienen como objetivo mejorar las prácticas de conservación forestal, informar las regulaciones de protección del agua y facilitar la planificación de la seguridad y la sostenibilidad del agua en el istmo centroamericano.Abstract. Numerous socio-economic activities depend on the seasonal rainfall and groundwater recharge cycle across the Central American Isthmus. Population growth and unregulated land use changes resulted in extensive surface water pollution and a large dependency on groundwater resources. This chapter uses stable isotope variations in rainfall, surface water, and groundwater of Costa Rica, Nicaragua, El Salvador, and Honduras to develop a regionalized rainfall isoscape, isotopic lapse rates, spatial-temporal isotopic variations, and air mass back trajectories determining potential mean recharge elevations, moisture circulation patterns, and surface water-groundwater interactions. Intra-seasonal rainfall modes resulted in two isotopically 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 Central American 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. Groundwater recharge was characterized by a) depleted recharge in highland areas (72.3%), b) rapid recharge via preferential flow paths (13.1%), and enriched recharge due to near-surface secondary fractionation (14.6%). Median recharge elevation ranged from 1,104 to 1,979 m a.s.l. These results are intended to enhance forest conservation practices, inform water protection regulations, and facilitate water security and sustainability planning in the Central American Isthmus.