Dynamics of continental water storage in regions of hydrogeological interest in Colombia with implications for water security

Abstract

RESUMEN: La dinámica del almacenamiento de agua terrestre es determinante para muchos fenómenos naturales y sociales, con implicaciones para la seguridad hídrica y la sostenibilidad ambiental. Aquí usamos datos de 2002–2017 del Experimento de Clima y Recuperación de Gravedad (GRACE por su sigla en inglés) para estudiar estas dinámicas en la cuenca del río Magdalena-Cauca en el noroeste de América del Sur. Mediante la comparación con estimaciones basadas en el balance hídrico, evaluamos el desempeño de múltiples productos GRACE en la representación de la dinámica del almacenamiento de agua en la cuenca, identificando el producto Mascon del Laboratorio de Propulsión Jet como el más adecuado para análisis posteriores. Luego, investigamos la existencia de tendencias a largo plazo y mostramos que el almacenamiento de agua terrestre en general y el almacenamiento de agua subterránea en particular se han ido agotando gradualmente en la cuenca desde finales de 2010. Los datos de GRACE revelan que esta tendencia no es uniforme en toda la cuenca. pero presenta un patrón bien definido en el que la tasa de agotamiento del agua es más pronunciada en las partes inferiores de la cuenca que en la superior. Exploramos los mecanismos detrás de las tendencias temporales y los patrones espaciales identificados y mostramos que el agotamiento del almacenamiento de agua coincide en gran medida con un período entre las fases extremas de La Niña y El Niño de ENOS (El Niño-Oscilación del Sur). Asimismo, el marcado contraste entre las tasas de agotamiento en las partes bajas y altas de la cuenca coincide en gran medida con marcadas diferencias biofísicas entre estas regiones, incluida la presencia de importantes sistemas de humedales en las tierras bajas y las tierras altas de las montañas andinas.

ABSTRACT: Dynamics of terrestrial water storage are determinant for many natural and social phenomena, with implications for water security and environmental sustainability. Here we use 2002–2017 data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) to study these dynamics in the Magdalena-Cauca river basin in northwestern South America. Through comparison with water balance-based estimates, we assess the performance of multiple GRACE products in representing water storage dynamics in the basin, identifying the Mascon product from the Jet Propulsion Laboratory as the best suited for further analysis. We then investigate the existence of long term trends and show that terrestrial water storage in general and groundwater storage, in particular, have been gradually depleting in the basin since around the end of 2010. GRACE data reveal that this trend is not uniform across the basin but exhibits a clear-cut pattern in which the water depletion rate is more pronounced in the lower parts of the basin than it is in the upper basin. We explore the mechanisms behind the identified temporal trends and spatial patterns and show that water storage depletion largely coincides with a period between the La Niña and El Niño extreme phases of ENSO. Likewise, the pronounced contrast between depletion rates in the lower and higher parts of the basin largely coincides with marked biophysical differences between these regions, including the presence of major wetland systems in the lowlands, and the highlands of the Andean mountains.