Article Dans Une Revue Hydrological Processes Année : 2025

Sensitivity of Stable Isotope Dynamics to Parametric and Conceptual Choices in Critical Zone Hydrological Modelling—A Case Study in Tropical Africa

Résumé

Tracer‐enabled hydrological models are increasingly used to investigate water pathways by integrating hydrometric and stable isotope data. While quantifying the sensitivity of model outputs to global parameters is a common practice, structural sensitivity to empirical evaporative fractionation models is rarely explored, despite its critical influence on isotopic signatures, especially in evapotranspiration‐dominated basins. In this study, we build upon the process‐based distributed model EcH2O‐iso to quantify both types of isotopic sensitivities—conceptual, from changing the Craig and Gordon formulation used to quantify soil evaporative fractionation, widely applied in tracer‐enabled hydrology, and parametric, from varying classical non‐isotopic hydrodynamics parameters—in a tropical savanna basin in northern Benin with mixed land cover (fallow and forest). Looking at five locations and hydrological compartments, covering both local and basin scales, our results show that both types of sensitivities are of similar magnitude and significance, leading to changes in δ18O outputs by several per mil. We further show that the choice of conceptual fractionation framework influences parametric sensitivities, especially locally, while at basin scales, sensitivities decrease as mixing may dominate over fractionation processes. Additionally, we highlight how vegetation‐dependent root uptake further modulates the impact of modelling choices on tracer sensitivity. The differentiated relationships between inputs (parametric and conceptual) and outputs (isotopic time series) not only demonstrate the leverage of isotopic information to identify model configurations but also benchmark how evaporation fractionation formulations may alter the propagation of this information for estimating parameters controlling water storage and fluxes.

Les modèles hydrologiques intégrant des traceurs sont de plus en plus utilisés pour analyser les chemins de l’eau en combinant données hydrométriques et isotopes stables. Si la quantification de la sensibilité des sorties du modèle aux paramètres globaux est courante, la sensibilité structurelle liée aux modèles empiriques de fractionnement évaporatif est rarement étudiée alors qu’elle influence fortement les signatures isotopiques, en particulier dans les bassins dominés par l’évapotranspiration. Cette étude s’appuie sur le modèle distribué fondé sur les processus EcH2O-iso afin de quantifier deux types de sensibilités isotopiques: la sensibilité conceptuelle issue de la modification de la formulation de Craig et Gordon utilisée pour estimer le fractionnement évaporatif du sol, largement mobilisée en hydrologie isotopique, et la sensibilité paramétrique associée à la variation de paramètres hydrodynamiques classiques non isotopiques. Dans un bassin de savane tropicale au nord du Bénin, caractérisé par une mosaïque de jachères et forêts, l’analyse de cinq sites et compartiments hydrologiques couvrant des échelles locales et du bassin montre que les deux types de sensibilités présentent des amplitudes comparables et entraînent des variations de δ18O de plusieurs pour mille. Les résultats montrent également que le choix du cadre conceptuel de fractionnement influence les sensibilités paramétriques, en particulier à l’échelle locale, alors qu’à l’échelle du bassin les sensibilités diminuent en raison du rôle dominant du mélange par rapport aux processus de fractionnement. De plus, l’étude met en évidence la manière dont l’absorption racinaire dépendante de la végétation module l’impact des choix de modélisation sur la sensibilité isotopique. Les relations différenciées entre les entrées, paramétriques et conceptuelles, et les sorties, séries temporelles isotopiques, montrent non seulement l’intérêt de l’information isotopique pour identifier des configurations de modèles mais aussi la manière dont les formulations du fractionnement évaporatif influencent la propagation de cette information pour estimer les paramètres contrôlant le stockage et les flux d’eau.

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hal-05380253 , version 1 (24-11-2025)

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Diego Chávez‐espinoza, Sylvain Kuppel, Christophe Peugeot, Kei Yoshimura, Christine Vallet-Coulomb. Sensitivity of Stable Isotope Dynamics to Parametric and Conceptual Choices in Critical Zone Hydrological Modelling—A Case Study in Tropical Africa. Hydrological Processes, 2025, 39 (11), pp.e70337. ⟨10.1002/hyp.70337⟩. ⟨hal-05380253⟩
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