Water stable isotopes reveal groundwater vulnerability to land use fragmentation and climate variability in central Honduras

Abstract

Abstract. The inter-mountainous region of central Honduras has been experiencing abrupt urban water shortages during the last decade. Land use fragmentation to increase pasture, crop, and peri-urban areas has rapidly reduced surface water quantity and quality. Here we present a 3-yr (2018-2020) tracer study within the headwaters of the Choluteca River basin (2,949 km2). We sampled rainfall (weekly N=156; daily N=270), drilled wells (N=166; up to 300 m depth), boreholes (N =70; 4-12 m depth), and springs (N=128) to assess the spatio-temporal connectivity between rainfall and groundwater recharge elevations (MREs). Rainfall isotopic seasonality from the dry to the wet season is characterized by a clear W-shaped pattern. HYSPLIT trajectory analysis reveals three main moisture sources: 73% (east, Caribbean Sea), 17% (southwest, Pacific Ocean), and 10% (north; Gulf of Mexico). Groundwater sources exhibit a strong meteoric origin with a slight evidence of secondary evaporation. MREs range between 813 to 2,130 m asl with a mean value of ~1,600 m asl. Seasonal isotopic variability along with the influence of rapid infiltration limited the MRE method performance as follows: springs (60%), borehole (77%), and drilled wells (93%). Isotope-informed MREs coincide in large degree with coniferous forest, pasture, and crop areas. These results are intended to guide the mapping and delineation of critical recharge areas in central Honduras to enhance water quality and quantity during dry periods.Resumen. La región intermontañosa del centro de Honduras ha estado experimentando una abrupta escasez de agua en las zonas urbanas durante la última década. La fragmentación del uso de la tierra para aumentar los pastos, los cultivos y las áreas periurbanas ha reducido rápidamente la cantidad y calidad del agua superficial. Aquí presentamos un estudio de seguimiento de 3 años (2018-2020) dentro de las cabeceras de la cuenca del río Choluteca (2,949 km2). Tomamos muestras de lluvia (semanal N=156; diaria N=270), pozos perforados (N=166; hasta 300 m de profundidad), pozos (N =70; 4-12 m de profundidad) y manantiales (N=128) para evaluar la conectividad espacio-temporal entre la lluvia y las elevaciones de recarga de aguas subterráneas (MRE). La estacionalidad isotópica de las precipitaciones desde la estación seca a la húmeda se caracteriza por un patrón claro en forma de W. El análisis de trayectoria de HYSPLIT revela tres fuentes principales de humedad: 73% (este, Mar Caribe), 17% (suroeste, Océano Pacífico) y 10% (norte; Golfo de México). Las fuentes de agua subterránea presentan un fuerte origen meteórico con una ligera evidencia de evaporación secundaria. Los MRE oscilan entre 813 y 2130 m snm con un valor medio de ~1600 m snm. La variabilidad isotópica estacional junto con la influencia de la rápida infiltración limitaron el desempeño del método MRE de la siguiente manera: manantiales (60%), pozos (77%) y pozos perforados (93%). Las ERM informadas por isótopos coinciden en gran medida con bosques de coníferas, pastos y áreas de cultivo. Estos resultados tienen como objetivo guiar el mapeo y la delimitación de áreas críticas de recarga en el centro de Honduras para mejorar la calidad y cantidad del agua durante los períodos secos.