Spatially distributed tracer-aided hydrological modelling using a streamflow isotope-corrected climate model input
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Date
2026-01-26
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Publisher
Universidad de Cuenca, Facultad de Ingeniería
Abstract
Tracer-aided hydrological modeling (TAM) offers a robust framework for enhancing catchment characterization and understanding of hydrological processes. However, the limited availability of tracers, such as stable water isotopes (SWI) in precipitation, has restricted the application in poorly monitored catchments. In recent years, the isotope-enabled Global Spectral Model (IsoGSM) has emerged as a valuable alternative, providing global high temporal resolution simulations of precipitation SWI. Nevertheless, IsoGSM outputs have shown biases compared to observations and still require in situ data for adequate correction. In this study, we propose using streamflow SWI observations to correct IsoGSM precipitation outputs (IsoGSM-Discharge). We used IsoGSM-Discharge to drive a spatially distributed tracer-aided hydrological model (STARR) in a tropical mountainous inter-Andean catchment to assess hydrological processes. Two additional inputs served as benchmarks: (1) IsoGSM corrected with precipitation deuterium observations (IsoGSM-Rain), and (2) an interpolated product based on long-term (2014 - 2023) weekly precipitation SWI. Our results show that IsoGSM-Discharge performs well in simulating both streamflow (KGE: 0.40 - 0.6) and deuterium in streamflow (KGE: 0.28 - 0.73), achieving efficiencies similar to the other two products (streamflow KGE: 0.38-0.61; deuterium KGE: 0.27-0.75). During calibration, the IsoGSM-Discharge approach required additional computational effort to analyze parameter sensitivity, necessitating 33% more Monte Carlo simulations than for the observed and IsoGSM-Rain products. These findings suggest that correcting IsoGSM with streamflow isotope data represents a viable and efficient strategy for tracer-aided modeling, improving estimates of soil water movement and groundwater storage variability.
Resumen
La modelación hidrológica asistida por trazadores (TAM) mejora la caracterización y entendimiento de los procesos hidrológicos de una cuenca. Sin embargo, su aplicación ha sido limitada debido a la falta de trazadores medidos, como los isótopos estables del agua (IEA). En los últimos años, el modelo global IsoGSM ha surgido como una alternativa, ya que provee simulaciones globales de alta resolución temporal de los IEA. Al igual que otros modelos globales, IsoGSM requiere datos observados para corregir su sesgo. En este estudio, proponemos utilizar los IEA del caudal para corregir los datos de los IEA del modelo IsoGSM (IsoGSM-Discharge). Posteriormente, utilizamos IsoGSM-Discharge como datos de entrada del modelo hidrológico STARR en una cuenca tropical interandina con el fin de evaluar sus procesos hidrológicos. Con el fin de validar los resultados de IsoGSM-Discharge, utilizamos dos entradas adicionales: (1) IsoGSM corregido con deuterio de la precipitación observada (IsoGSM-Rain) y (2) una interpolación basada en el deuterio de la precipitación medida semanalmente desde 2014 hasta 2023. Nuestros resultados muestran que IsoGSM- Discharge simula adecuadamente el caudal (KGE: 0.40-0.6) y el deuterio en el caudal (KGE: 0.28-0.73), alcanzando eficiencias similares a las de los otros dos productos (caudal KGE: 0.38-0.61; deuterio KGE: 0.27-0.75). Durante la calibración, IsoGSM-Discharge requirió un 33 % más de simulaciones Monte Carlo que los otros dos productos para analizar la sensibilidad de los parámetros. Estos hallazgos sugieren que corregir el modelo IsoGSM con datos isotópicos del caudal representa una estrategia viable y eficaz para el modelado asistido por trazadores.
Keywords
Ingeniería, Corrección del sesgo, Trópicos
Citation
Código de tesis
TM4; 2741
Código de tesis
Grado Académico
Magíster en Hidrología mención en Ecohidrología