Headwaters drive streamflow and lowland tracer export in a large-scale humid tropical catchment

Abstract

Headwaters are generally assumed to contribute the majority of water to downstream users, but how much water, of what quality and where it is generated are rarely known in the humid tropics. Here, using monthly monitoring in the data scarce (2370 km2) San Carlos catchment in northeastern Costa Rica, we determined runoff-area relationships linked to geochemical and isotope tracers. We established 46 monitoring sites covering the full range of climatic, land use and geological gradients in the catchment. Regression and cluster analysis revealed unique spatial patterns and hydrologically functional landscape units. These units were used for seasonal and annual Bayesian tracer mixing models to assess spatial water source contributions to the outlet. Generally, the Bayesian mixing analysis showed that the chemical and isotopic imprint at the outlet is throughout the year dominated by the adjacent lowland catchments (68 %) with much less tracer influence from the headwaters. However, the headwater catchments contributed the bulk of water and tracers to the outlet during the dry season (>50 %) despite covering less than half of the total catchment area. Additionally, flow volumes seemed to be linearly scaled by area maintaining a link between the headwaters and the outlet particularly during high flows of the rainy season. Stable isotopes indicated mean recharge elevations above the mean catchment altitude, which further supports that headwaters were the primary source of downstream water. Our spatially detailed “snap-shot” sampling enabled a viable alternative source of large-scale hydrological process knowledge in the humid tropics with limited data availability.

En general, se asume que las cabeceras aportan la mayor parte del agua a los usuarios río abajo, pero en los trópicos húmedos rara vez se sabe cuánta agua, de qué calidad y dónde se genera. Aquí, utilizando el monitoreo mensual en los datos escasos (2370 km2) de la cuenca de captación de San Carlos en el noreste de Costa Rica, determinamos las relaciones de escorrentía vinculadas a trazadores geoquímicos e isotópicos. Establecimos 46 sitios de monitoreo que cubren la gama completa de gradientes climáticos, de uso de la tierra y geológicos en la cuenca. La regresión y el análisis de conglomerados revelaron patrones espaciales únicos y unidades de paisaje hidrológicamente funcionales. Estas unidades se utilizaron para modelos de mezcla de trazadores bayesianos estacionales y anuales para evaluar las contribuciones de la fuente de agua espacial a la salida. Generalmente, el análisis de mezcla bayesiana mostró que la huella química e isotópica en la salida está dominada durante todo el año por las cuencas de captación de las tierras bajas adyacentes (68%) con mucha menos influencia del trazador de las cabeceras. Sin embargo, las captaciones de las cabeceras aportaron la mayor parte de agua y trazadores a la salida durante la estación seca (> 50%) a pesar de cubrir menos de la mitad del área total de captación. Además, los volúmenes de flujo parecían estar escalados linealmente por área, manteniendo un vínculo entre la cabecera y la salida, particularmente durante los altos flujos de la temporada de lluvias. Los isótopos estables indicaron elevaciones medias de recarga por encima de la altitud media de la cuenca, lo que respalda además que las cabeceras eran la principal fuente de agua corriente abajo. Nuestro muestreo "instantáneo" espacialmente detallado permitió una fuente alternativa viable de conocimiento del proceso hidrológico a gran escala en los trópicos húmedos con disponibilidad limitada de datos.