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Numerical modeling of flow and solute transport phenomena in subsurface and coupled surface-subsurface hydrology.

Scudeler, Carlotta (2016). Numerical modeling of flow and solute transport phenomena in subsurface and coupled surface-subsurface hydrology. Thèse. Québec - Italie, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique - Università degli Studi di Padova, Doctorat en sciences de l'eau, 195 p.

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Résumé

Le but principal du travail décrit dans cette thèse est d’aporter plusieurs contributions à la modélisation hydrologique dans le cadre spécifique d'un modèle numérique à base physique pour des processus de surface-subsurface et flux-transport intégrés, le modèle CATchment-HYdrology Flow-transport (CATHY FT). Ces contributions tournent autour des trois thèmes principaux: l'amélioration de la performance numérique des modèles hydrologiques pour les phénomènes de flux et de transport, l'amélioration de notre compréhension des conditions aux limites complexes dans le but de réduire les erreurs associées à la modélisation ainsi que le test et l'analyse comparative des modèles distribués à base physique pour les processus de transport et flux d'eaux souterraines. Pour atteindre ces objectifs, les travaux sont divisés en quatre étapes. La première est l'implémentation dans CATHY FT de l'algorithme de Larson-Niklasson pour la reconstruction des vitesses conservatrices de la masse à partir d'une solution linéaire (ou P₁) de Galerkin de l'équation de Richard. Le but est d'améliorer la précision et les propriétés de bilan de masse du modèle de transport advectif (à base de volumes finis), qui dépend des champs de vitesse utilisés comme input. Une comparaison entre les résultats obtenus avec les vitesses reconstituées et les vitesses de Galerkin P₁ montre la nécessité d'un champ de vitesse conservateur de la masse pour l'obtention des résultats des transports précis. La deuxième est une analyse nouvelle et détaillée du comportement des conditions aux limites dans la zone de suintement réalisée à l'aide du modèle d'écoulement de CATHY FT. Les simulations numériques examinent la performance du modèle sous des conditions complexes, telles que en présence d'hétérogénéité et d'écoulement de couplage surface/subsurface. Il est montré que la solution numérique générique peut être largement affectée par la façon dont les conditions aux limites dans la zone de suintement sont utilisées dans les modèles hydrologiques et que des considérations soigneuses sont requises dans l'utilisation des approximations simples, dans la présence de pentes hétérogènes ainsi que dans les zones de suintement qui se forment au niveau de la surface de terre. Dans la troisième étape, CATHY FT est implémenté et exécuté à partir de données issues du Landscape Evolution Observatory de l'installation Biosphère 2, en Arizona. Une analyse de modélisation détaillée des données expérimentales collectées pendant une expérience de traçage isotopique sur un versant mesuré et surveillé intensivement est réalisée. Ces donnés comprennent la quantité et qualité d'eaux souterraines déchargées et des mesures distribuées d'écoulement et de transport. Les données sont utilisées pour examiner incrémentalement des phénomènes complexes et les hypothèses associées (e.g., hétérogénéité, fractionnement et dispersion), en analysant les réponses du flux au transport et les mesures intégrées ou distribuées. Cette approche incrémentale souligne les défis associés aux tests et validations des modèles hydrologiques de nouvelle génération lorsque plusieurs types et niveaux de données d'observation sont considérés. Finalement, une dernière analyse qui fait un lien avec tous les trois thèmes de la thèse est effectuée. Dans cette analyse quelques particularités du modèle CATHY FT sont d’écrites, des questions clés liées à son futur développement sont abordées et son comportement physique et numérique est testé pour des scénarios réels et synthétiques. Cette étape finale de la thèse aborde la myriade des défis rencontrés pour résoudre efficacement et avec précision le comportement complexe de l'équation d'avection-dispersion utilisée pour décrire le transport des solutés de subsurface, pour le traitement de conditions aux limites complexes utilisées pour l'interaction de solutés entre la surface et la subsurface et, en général, pour capturer les interactions de processus entre les phénomènes de flux et transport dans les environnement de surface et subsurface.

Abstract

The overall aim of the work described in this thesis is to bring a number of contributions to hydrology and hydrological modeling in the framework of a specific physically-based numerical model for integrated surface-subsurface and flow{transport processes, the CATchment-HYdrology Flow-Transport (CATHY FT) model. These contributions revolve around three main themes: the enhancement of the numerical performance of hydrological models for flow and transport phenomena, the improvement of our current understanding of complex boundary conditions in order to reduce the errors associated with their modeling, and the testing and benchmarking of distributed physically-based models for groundwater ow and transport processes. The work to achieve the general objective is elaborated into four stages. First, the Larson-Niklasson post-processing algorithm is implemented in CATHY FT to reconstruct mass-conservative velocities from a linear, or P₁, Galerkin solution of Richards' equation. This is done to improve the accuracy and mass balance properties of the companion advective transport model (finite volume-based), which rely on accurate velocity fields as input. Through a comparison between the results from the reconstructed velocities and the P₁ Galerkin velocities, it is shown that a locally mass-conservative velocity field is necessary to obtain accurate transport results. Second, a detailed and novel analysis of the behavior of seepage face boundaries is performed with the flow model of CATHY FT. The numerical simulations examine the model's performance under complex conditions such as heterogeneity and coupled surface/subsurface flow. It is shown that the overall numerical solution can be greatly affected by the way seepage face boundaries are handled in hydrological models and that careful considerations are required when using simple approximations, in the presence of heterogeneous slopes, and for seepage faces forming on a portion of the land surface. Third, CATHY FT is implemented and run at the Landscape Evolution Observatory of the Biosphere 2 facility, Arizona. A detailed modeling analysis is performed of the experimental data collected during an isotope tracer experiment and from an intensivelymeasured hillslope, including quantity and quality of groundwater discharge and point-scale flow and transport data. This flow and tracer data is used to incrementally explore complex phenomena and associated hypotheses (e.g., heterogeneity, fractionation, and dispersion), progressing from flow to transport and from integrated to point-scale response analysis. This incremental approach highlights the challenges in testing and validating the new generation of integrated hydrological models when considering many types and levels of observation data. Finally, a concluding analysis is performed that relates to all three themes of the thesis, describing some of the features of the CATHY FT model, discussing key issues associated to its further development, and testing its physical and numerical behavior for both real and synthetic scenarios. This final stage of the thesis addresses the myriad challenges faced in accurately and efficiently resolving the difficult behavior of the advection{dispersion equation for subsurface solute transport, in properly handling the complex boundary conditions for solute interactions across the land surface, and generally in capturing process interactions and feedbacks between flow and transport phenomena in surface and subsurface environments.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Paniconi, Claludio; Putti, Mario
Mots-clés libres: modélisation hydrologique; eaux souterraines; flux; transport; surface; subsurface; CATchment-HYdrology Flow-transport; CATHY FT
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 22 mars 2017 20:56
Dernière modification: 22 mars 2017 20:56
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4898

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