Bayesian estimates of the mean recharge elevations of water sources in the Central America region using stable water isotopes

Abstract

Abstract. Study region: Central America. Study focus: Knowledge of the mean recharge elevation (MRE) of water resources is important where water resources are vulnerable. The purpose of this study was to develop and apply a Bayesian approach which incorporates isotopic uncertainties and evaporative effects on isotopic compositions to determine the MRE of 680 surface water sources from Central America. Differences were assessed between results from our approach and those from other isotope-based methods that do not account for these factors. New hydrological insights for the region: Different MRE patterns were identified for Pacific and Caribbean basins, which were characterized by distinct isotopic signatures: 1) the Pacific slope had recharge occurring at higher elevations relative to the source mean catchment elevation (MCE) and 2) the Caribbean slope had recharge largely occurring at elevations lower than the MCE. These relationships were quantified: MREP = 1.072 (MCE) + 45.65 (Pacific: r2 = 0.93, error = 144 m); MREC = 0.9493 (MCE) – 28.24 (Caribbean: r2 = 0.83, error = 190 m). The MRE, surface water site elevation (SWSE), and MRE-SWSE differences were generally greater on the Pacific slope, which hosts most of the region’s population. Bayesian MRE estimates were on average lower than MREs obtained using other methods and may better approximate the actual (recharge-weighed) MRE, suggesting that the inclusion of isotopic uncertainties, evaporative corrections, and recharge likelihoods all positively effect MRE estimations.

Resumen. Región de estudio: Centroamérica. Enfoque del estudio: El conocimiento de la elevación de recarga media (MRE) de los recursos hídricos es importante donde los recursos hídricos son vulnerables. El propósito de este estudio fue desarrollar y aplicar un enfoque bayesiano que incorpora incertidumbres isotópicas y efectos evaporativos en composiciones isotópicas para determinar la MRE de 680 fuentes de agua superficial de Centroamérica. Se evaluaron las diferencias entre los resultados de nuestro enfoque y los de otros métodos basados ​​en isótopos que no tienen en cuenta estos factores. Nuevos conocimientos hidrológicos para la región: se identificaron diferentes patrones de ERM para las cuencas del Pacífico y el Caribe, que se caracterizaron por firmas isotópicas distintas: 1) la vertiente del Pacífico tuvo una recarga que se produjo en elevaciones más altas en relación con la elevación media de la cuenca de captación (MCE) y 2) la vertiente del Caribe tuvo una recarga que se produjo principalmente en elevaciones más bajas que el MCE. Estas relaciones se cuantificaron: MREP = 1.072 (MCE) + 45.65 (Pacífico: r2 = 0.93, error = 144 m); MREC = 0.9493 (MCE) - 28.24 (Caribe: r2 = 0.83, error = 190 m). Las diferencias de MRE, elevación del sitio de agua superficial (SWSE) y MRE-SWSE fueron generalmente mayores en la vertiente del Pacífico, que alberga a la mayor parte de la población de la región. Las estimaciones de MRE bayesianas fueron en promedio más bajas que las MRE obtenidas usando otros métodos y pueden aproximarse mejor a la MRE real (ponderada por recarga), lo que sugiere que la inclusión de incertidumbres isotópicas, correcciones evaporativas y probabilidades de recarga afectan positivamente las estimaciones de MRE.