Tracer-aided modelling reveals quick runo generation and groundwater losses producing young stream ow ages in a tropical rainforest catchment

Abstract

There is still limited understanding of how waters mix, where waters come from and for how long they reside in tropical catchments. In this study, we used a tracer-aided model (TAM) and a gamma convolution integral model (GM) to assess runogeneration, mixing processes, water ages and transit times (TT) in the pristine humid tropical rainforest Quebrada Grandecatchment in central Costa Rica. Models are based on a four-year data record (2016 to 2019) of continuous hydrometric and stable isotope observations. Both models agreed on a young water component of fewer than 95 days in age for 75% of the study period. The streamow water ages ranged from around two months for wetter years (2017) and up to 9.5 months for drier (2019) years with a better agreement between the GM estimated TTs and TAM water ages for younger waters. Such short TTs and water ages result from high annual rainfall volumes even during drier years with 4,300 mm of annual precipitation (2019)indicating consistent quick near-surface runo generation with limited mixing of waters and a supra-regional groundwater ow of likely unmeasured older waters. The TAM in addition to the GM allowed simulating streamow (KGE > 0.78), suggesting an average groundwater contribution of less than 40% to streamow. The model parameter uncertainty was constrained in calibration using stable water isotopes (d2H), justifying the higher TAM model parameterization. We conclude that the multi-model analysis provided consistent water age estimates of a young water dominated catchment. This study represents an outlier compared to the globally predominant old water paradox, exhibiting a tropical rainforest catchment with higher new waterfractions than older water.

Todavía existe un conocimiento limitado de cómo se mezclan las aguas, de dónde provienen y durante cuánto tiempo residen en las cuencas de captación tropicales. En este estudio, utilizamos un modelo asistido por trazadores (TAM) y un modelo integral de convolución gamma (GM) para evaluar la escorrentía, los procesos de mezcla, las edades del agua y los tiempos de tránsito (TT) en la prístina selva tropical húmeda de la Quebrada Grande en la cuenca central de Costa Rica. . Los modelos se basan en un registro de datos de cuatro años (2016 a 2019) de observaciones continuas de isótopos hidrométricos y estables. Ambos modelos coincidieron en un componente de agua joven de menos de 95 días de edad durante el 75% del período de estudio. Las edades del agua de los arroyos variaron de alrededor de dos meses para los años más húmedos (2017) y hasta 9.5 meses para los años más secos (2019) con una mejor concordancia entre los TT estimados por GM y las edades del agua TAM para las aguas más jóvenes. Estos TT cortos y edades del agua son el resultado de altos volúmenes de lluvia anual, incluso durante años más secos, con 4.300 mm de precipitación anual (2019), lo que indica una generación de escorrentía rápida y constante cerca de la superficie con una mezcla limitada de aguas y un flujo de agua subterránea suprarregional de probablemente aguas más antiguas no medidas. . . El TAM además del GM permitió simular el caudal (KGE> 0,78), lo que sugiere una contribución de agua subterránea promedio de menos del 40% al caudal. La incertidumbre de los parámetros del modelo se limitó en la calibración utilizando isótopos de agua estables (d2H), lo que justifica la mayor parametrización del modelo TAM. Concluimos que el análisis de modelos múltiples proporcionó estimaciones consistentes de la edad del agua de una cuenca de captación dominada por agua joven. Este estudio representa un valor atípico en comparación con la paradoja del agua antigua predominante a nivel mundial, que muestra una cuenca de captación de selva tropical con fracciones de agua nuevas más altas que el agua más antigua.