Evaluating electrical conductivity as a surrogate tracer to determine the factors controlling event and pre-event water flow partitioning at a tropical montane Andean ecosystem
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Date
2024-09-17
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidad de Cuenca
Abstract
The results of this thesis showed that electrical conductivity could be used as an alternative
to Oxygen-18 as a tracer for event and pre-event water flow partitioning analyses which
highly increases the temporal resolution of tracer concentrations while reducing the
uncertainty of the tracer-aided model. The results showed great similarity under a large
range of flow conditions, reassuring the consistency of the estimated fractions with 89% of
the monitored events showing differences lower than 20% in pre-event water fraction
regardless of the antecedent moisture and rainfall conditions. The use of electrical
conductivity was possible due to a quasi-conservative behavior related with the presence of
organic-rich riparian soils (peat-type) overlying compact bedrock across the catchment. This
highlights the potential of electrical conductivity to obtain high temporal frequency data while
lowering the costs needed to implement and keep tracer data collection up for long time
periods. In addition, results from the comparison of models with different complexities also
showed great similarity in their estimations of the event and pre-event water fractions as
long as appropriate concentrations of event (Ce) and pre-event (Cp) water for the simpler
model are set. In fact, Cp showed to be the most important factor for improving accuracy
while Ce had little influence on the results. Hence, the best way to determine Cp was the
concentration of a streamflow sample taken before the beginning of each event. These
findings will allow to reduce the logistical and economical resources needed to adequately
assess hydrograph separation and to carry out quasi-continuous assessments of flow
partitioning with high accuracy in high-Andean montane ecosystems.
The previous results led to the analysis of several spatial and temporal factors controlling
event and pre-event water fractions. This allowed us to obtain tracer and
hydrometeorological high-frequency data from a large number of rainfall-runoff events
(n=72). The correlations showed that the main temporal controlling factor was rainfall
amount with a strong (i.e., r>0.7) and significant (i.e., p<0.05) positive correlation with the
event water fraction, whereas, soil type, vegetation cover, and topography were highly
correlated when considering the spatial factors. These results suggested an enhanced
shallow subsurface hydrological connectivity between hillslopes and riparian wetlands
which follow in an increase of event water fraction for events that show higher peak flows
while a threshold is exceeded. Overall, our findings suggests that high temporal resolution
data is extremely necessary to adequately assess event and pre-event water fraction flow
partitioning as it helps to obtain a complete understanding of catchment hydrological
behavior at scale event. This improved understanding could aid in the implementation of
science-based water management strategies that includes many processes that are often
overlooked.
Resumen
Comprender los procesos hidrológicos es crucial para la correcta gestión de los recursos
hídricos, especialmente en los ecosistemas andinos, donde la mayoría de ellos permanecen
sin monitoreo y poco estudiados. Aunque varios intentos han aumentado nuestro
conocimiento sobre estos temas mediante el uso de trazadores, todavía existe la necesidad
de encontrar formas de evaluar procesos subhorarios, principalmente debido a limitaciones
en recursos logísticos y económicos. Estos procesos subhorarios son difíciles de estudiar
en cuencas con escorrentía de rápida respuesta, donde los caudales máximos se alcanzan
muy rápidamente, obviándolos la mayoría de las veces. Esto tiene un papel importante en
la gestión del agua, ya que brinda información sobre la dinámica de almacenamiento y
liberación dentro de la cuenca, pudiendo variar según sus características, el uso de la tierra
y el clima de la misma, de ahí la necesidad de determinar cuáles de ellos son los factores
que controlan dichos procesos. Para llenar este vacío de conocimiento, se debe realizar un
análisis exhaustivo de los procesos hidrológicos a escala de evento mediante la modelación
de separación de flujo de agua de evento y pre-evento. La separación de flujo asume que
el caudal de un evento de lluvia-escorrentía puede separarse en dos o más componentes
de flujo, siendo los dos componentes comúnmente usados el agua de evento —entra al
sistema hidrológico durante el evento de lluvia-escorrentía (e.g., precipitación) y el agua de
pre-evento—almacenada en el sistema antes de que inicie el evento de lluvia-escorrentía
(e.g., agua de suelos o subterránea). Esta tesis busca determinar los factores espaciales y
temporales que controlan la fracción de agua de evento mediante el uso de datos de alta
resolución. Para este fin, se siguieron tres objetivos específicos: (1) evaluar si el uso de
conductividad eléctrica e isótopos estables para eventos monitoreados bajo condiciones
hidrometeorológicas variables produce resultados de separación de flujo de evento y preevento similares, (2) examinar si modelos de diferente complejidad producen resultados de
separación de agua de evento y pre-evento similares cuando se usa conductividad eléctrica
y el oxígeno-18, y (3) determinar cuáles son los factores espaciales y temporales que
controlan la separación de flujo de evento y pre-evento en un ecosistema andino montano
tropical mediante el uso de datos de conductividad eléctrica de alta resolución.
Para esta tesis, se midió las concentraciones de oxígeno-18 y conductividad eléctrica en el
caudal y la precipitación en una cuenca andina de montaña tropical (3505 a 3900 m s.n.m.)
con alta resolución temporal (p. ej., 6 h, 4 h, 1 h, 5 min). Estos datos, junto con datos
hidrometeorológicos de alta frecuencia, se utilizaron en combinación con modelos asistidos
por trazadores para estimar las fracciones de agua del evento y pre-evento de varios
eventos de lluvia y escorrentía en condiciones de flujo variable. Además, los resultados del
modelo se correlacionaron con variables hidrometeorológicas y características del paisaje.
Los resultados de esta tesis mostraron que la conductividad eléctrica podría usarse como
una alternativa al oxígeno-18 como trazador para análisis de agua de evento y pre-evento,
lo que aumenta en gran medida la resolución temporal de las concentraciones del trazador
y al mismo tiempo reduce la incertidumbre del análisis de los modelos utilizados. Los
resultados mostraron una gran similitud en una amplia gama de condiciones de flujo, lo que
garantiza la coherencia de las fracciones estimadas: el 89 % de los eventos monitoreados
mostraron diferencias inferiores al 20 % en la fracción de agua de pre-evento,
independientemente de las condiciones antecedentes de humedad y lluvia. Esto fue posible
debido a un comportamiento cuasi-conservativo de la conductividad eléctrica relacionado
con la presencia de suelos riparios ricos en materia orgánica (tipo turba) superpuestos a un
lecho de roca compacto a lo largo de la cuenca. Esto resalta el potencial de la conductividad
eléctrica para obtener datos con alta frecuencia temporal y al mismo tiempo reducir los
costos necesarios para implementar y mantener la recopilación de datos de trazadores
durante largos períodos de tiempo. Además, los resultados de la comparación de modelos
con diferentes complejidades también mostraron una gran similitud en sus estimaciones de
las fracciones de agua de evento y pre-evento, siempre que se encuentren concentraciones
apropiadas de agua del evento (Ce) y pre-evento (Cp) para el modelo más simple. De
hecho, Cp demostró ser el factor más importante para que las estimaciones sean precisas,
mientras que Ce tiene poca influencia en los resultados. Por lo tanto, la mejor manera de
determinar Cp resultó ser asumiendo la concentración de una muestra de caudal tomada
antes del comienzo de cada evento. Estos hallazgos permitirán reducir los recursos
logísticos y económicos necesarios para evaluar adecuadamente la separación de flujo y
llevar a cabo evaluaciones casi continuas con alta precisión en ecosistemas montanos
altoandinos.
Los resultados anteriores permitieron el análisis de varios factores espaciales y temporales
que controlan las fracciones de agua de evento y pre-evento. Esto permitió obtener datos
hidrometeorológicos y de trazadores de alta frecuencia de un gran número de eventos de
lluvia y escorrentía (n=72). Las correlaciones mostraron que el principal factor temporal de
control fue la cantidad de lluvia con una correlación positiva fuerte (es decir, r>0,7) y
significativa (es decir, p<0,05) con la fracción de agua de evento, mientras que el tipo de
suelo, la cubertura vegetal y la topografía fueron altamente correlacionados al considerar
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Patricio Xavier Lazo Jara
los factores espaciales. Estos resultados sugieren una mayor conectividad hidrológica del
subsuelo poco profundo entre las laderas y los humedales de rivera, lo que conlleva un
aumento de la fracción de agua de los eventos que muestran flujos máximos más altos al
superar un umbral. En general, nuestros hallazgos sugieren que los datos de alta resolución
temporal son extremadamente necesario para evaluar adecuadamente la separación de
flujo de agua de evento y pre-evento, ya que ayuda a obtener una comprensión completa
del comportamiento hidrológico de la cuenca a escala de evento que puede ayudar en la
implementación de estudios con base científica y estrategias de gestión del agua que
incluyen muchos procesos que a menudo se pasan por alto.
Keywords
Ingeniería Civil, Humedales, Procesos hidrológicos, Páramos
Citation
Código de tesis
TPHD;26
Código de tesis
Grado Académico
Doctor (PhD) en Recursos Hídricos