Tracing groundwater-surface water interactions in a volcanic maar lake using stable isotopes and radon-222

Abstract

Abstract. Groundwater-surface water interactions are important in controlling lake water residence time, biogeochemistry, and water availability for downstream communities in tropical volcanic catchments. To better understand these complex seasonal interactions, a multi-tracer approach including water and inorganic carbon stable isotopes (δ2H, δ18O, δ13CDIC), hydrochemistry, and 222Rn was applied in Lake Hule, northern Costa Rica. Seasonal isotope mass balance calculations using lake, stream, precipitation, and groundwater isotope compositions were supplemented with local hydrometeorological information. Evaporation to inflow ratios (E/I) revealed a small variability between the dry (December-April) and wet seasons (May-November), with relatively low evaporation losses, 2.9±1.0 % and 3.2±1.8 %, respectively. Bayesian end-member analysis indicated that annual inputs from groundwater, precipitation, and runoff represented 61.3±8.1%, 24.4±8.4, and 14.3±5.9% of total inflow, respectively. Temporal variations of δ13CDIC also confirmed the key role carbonate buffering plays in this lake and indicated greater CO2 degassing from groundwater sources in the wet season. This first tracer-aided assessment in a volcanic lake maar of northern Costa Rica provides evidence of previously unknown groundwater-surface water interactions and poses a promising tool for estimating seasonal variability of groundwater discharge into natural lakes across the volcanic front of Central America.

Resumen. Las interacciones entre el agua subterránea y el agua superficial son importantes para controlar el tiempo de residencia del agua de los lagos, la biogeoquímica y la disponibilidad de agua para las comunidades aguas abajo en las cuencas volcánicas tropicales. Para comprender mejor estas complejas interacciones estacionales, se aplicó un enfoque de trazadores múltiples que incluye agua y isótopos estables de carbono inorgánico (δ2H, δ18O, δ13CDIC), hidroquímica y 222Rn en el lago Hule, al norte de Costa Rica. Los cálculos del balance de masas isotópico estacional utilizando composiciones isotópicas de lagos, arroyos, precipitaciones y aguas subterráneas se complementaron con información hidrometeorológica local. La relación evaporación-influjo (E/I) reveló una pequeña variabilidad entre las estaciones seca (diciembre-abril) y húmeda (mayo-noviembre), con pérdidas por evaporación relativamente bajas, 2,9 ± 1,0 % y 3,2 ± 1,8 %, respectivamente. El análisis bayesiano de miembros finales indicó que los aportes anuales de agua subterránea, precipitación y escorrentía representaron 61,3 ± 8,1 %, 24,4 ± 8,4 y 14,3 ± 5,9 % del aporte total, respectivamente. Las variaciones temporales de δ13CDIC también confirmaron el papel clave que desempeña la amortiguación de carbonatos en este lago e indicaron una mayor desgasificación de CO2 de las fuentes de agua subterránea en la temporada de lluvias. Esta primera evaluación asistida por trazadores en un lago volcánico maar del norte de Costa Rica proporciona evidencia de interacciones entre el agua subterránea y el agua superficial previamente desconocidas y plantea una herramienta prometedora para estimar la variabilidad estacional de la descarga de agua subterránea en lagos naturales a lo largo del frente volcánico de Centroamérica.