Sampling frequency trade-offs in the assessment of mean transit times of tropical montane catchment waters under semi-steady-state conditions
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Date
2015
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Abstract
Precipitation event samples and weekly based water samples from streams and soils were collected in a tropical montane cloud forest catchment for 2 years and analyzed for stable water isotopes in order to understand the effect of sampling frequency in the performance of three lumped-parameter distribution functions (exponential-piston flow, linear-piston flow and gamma) which were used to estimate mean transit times of waters. Precipitation data, used as input function for the models, were aggregated to daily, weekly, bi-weekly, monthly and bi-monthly sampling resolutions, while analyzed frequencies for outflows went from weekly to bi-monthly. By using different scenarios involving diverse sampling frequencies, this study reveals that the effect of lowering the sampling frequency depends on the water type. For soil waters, with transit times on the order of few weeks, there was a clear trend of over predictions. In contrast, the trend for stream waters, which have a more damped isotopic signal and mean transit times on the order of 2 to 4 years, was less clear and showed a dependence on the type of model used. The trade-off to coarse data resolutions could potentially lead to misleading conclusions on how water actually moves through the catchment, notwithstanding that these predictions could reach better fitting efficiencies, fewer uncertainties, errors and biases. For both water types an optimal sampling frequency seems to be 1 or at most 2 weeks. The results of our analyses provide information for the planning of future fieldwork in similar Andean or other catchments.
Resumen
Se recolectaron muestras de eventos de precipitación y muestras semanales de agua de arroyos y suelos en una cuenca de captación de bosque nuboso tropical montano durante 2 años y se analizaron en busca de isótopos de agua estables para comprender el efecto de la frecuencia de muestreo en el desempeño de tres funciones de distribución de parámetros agrupados ( flujo de pistón exponencial, flujo de pistón lineal y gamma) que se utilizaron para estimar los tiempos medios de tránsito de las aguas. Los datos de precipitación, utilizados como función de entrada para los modelos, se agregaron a resoluciones de muestreo diarias, semanales, quincenales, mensuales y bimensuales, mientras que las frecuencias analizadas para los flujos de salida pasaron de semanales a bimensuales. Al utilizar diferentes escenarios que involucran diversas frecuencias de muestreo, este estudio revela que el efecto de reducir la frecuencia de muestreo depende del tipo de agua. Para las aguas del suelo, con tiempos de tránsito del orden de unas pocas semanas, hubo una clara tendencia a las predicciones excesivas. Por el contrario, la tendencia de las aguas de los arroyos, que tienen una señal isotópica más amortiguada y tiempos de tránsito medios del orden de 2 a 4 años, fue menos clara y mostró una dependencia del tipo de modelo utilizado. La compensación de las resoluciones de datos toscos podría conducir a conclusiones engañosas sobre cómo el agua realmente se mueve a través de la cuenca, a pesar de que estas predicciones podrían alcanzar mejores eficiencias de ajuste, menos incertidumbres, errores y sesgos. Para ambos tipos de agua, una frecuencia de muestreo óptima parece ser de 1 o como máximo 2 semanas. Los resultados de nuestros análisis brindan información para la planificación de futuros trabajos de campo en cuencas similares andinas u otras.
Keywords
Stable water isotopes, Sampling frequency, Model sensitivity, Lumped model