15
Workshop on coupled hydrological modeling – Padova – September 2015 A dimensionallyreduced model for coupled river subsurface flow modeling Yi Pan, Sylvain Weill , Philippe Ackerer, Frederick Delay Laboratory of Hydrology and Geochemistry of Strasbourg (LHyGeS)

Sylvain Weill

Embed Size (px)

Citation preview

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

A  dimensionally-­‐reduced  model  for  coupled  river-­‐subsurface  flow  modeling  

Yi  Pan,  Sylvain  Weill,  Philippe  Ackerer,  Frederick  Delay    

Laboratory  of  Hydrology  and  Geochemistry  of  Strasbourg  (LHyGeS)  

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Outlines  

•  Context  /  MoIvaIon  

•  Models:  –  The  dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  –  The  coupled  model  

•  Dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  “validaIon”  

•  Inter-­‐comparison  with  CATHY  (Fully  dimensioned  Model)  

•  First  tests  on  the  Strengbach  catchment    

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Context  /  MoIvaIon  

•  The  Strengbach  catchment  :  –  Instrumented  and  surveyed  for  more  than  25  years  by  the  LHyGeS’  staff  –  Mountainous  catchment  –  steep  slopes  (  30°)  –  Assumed  deep  bedrock  (>  

150  m  depth  at  the  ridge)  –  Needs  for  integrated  simulaIon  to  be\er  characterize  flow  pathways  and  

residence  Imes    

•  Not  easy  to  simulate  this  catchment  with  integrated  tools  based  on  the  3D  Richards  equaIon  for  subsurface  flow  

è  Development  of  a  simpler  approach  which  remains  physically-­‐based,  distributed  and  integrated    

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

The  dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  

•  Basic  idea  :  to  develop  a  dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  accounIng  for  both  saturated  and  unsaturated  flow  processes  

•  IntegraIon  of  the  3D  Richards  equaIon  in  a  direcIon  perpendicular  to  the  bedrock  from  bedrock  zb    to  land  surface  zs  elevaIons  

   •  Splibng  the  integral  by  introducing  the  water  table  elevaIon  zw  results  in  

( ) ( )( )( ). .s s s

b b b

z z z

w wz z z

ShS S dz h q dz

t tdz∂θ ∂⎛ ⎞+ θ ∇ − θ ∇

∂⎝=⎟∂

+⎜⎠∫ ∫ ∫K

( ) ( ) ( )( )( )

( )( )( )

. .

. .

w s w

b w b

s s

w b

z z z

S w S w

w

z z z

z z

z z

h hS S dz S S dz ht t t t

h q dz

dz

dz

∂θ ∂ ∂θ ∂⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ θ + θ ∇ − θ ∇⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠

∇ ∇

+ +

θ

+

=−

∫ ∫ ∫

∫ ∫

K

K

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

The  dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  

•  SimplificaIons  :  –  In  the  saturated  zone  :    

–  In  the  vadose  zone  :    

•  Further  assumpIons  :  –  Flow  is  mainly  parallel  to  the  bedrock  –  Pressure  profile  in  the  vadose  zone  is  hydrostaIc  

( )( )( )

, ,

( )

( , )

( )( ) . .

s

w

s

w

x y x y w

z

z

z

zS h Ssat hhS h h Q with

t h dz

C h dz

h θ

⎧ = +∂ ⎪

+∇ − θ ∇ = ⎨∂ ⎪ + θ

⎩= ∫

∫T

Ksat KT

( )S wS St∂θ

>> θ∂

( )0 1wand St∂θ

= θ =∂

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

The  coupled  model  

•  Subsurface  equaIon  :  

•  Surface  equaIon  for  1D  river  flow  :  diffusive  wave    

•  Coupling  :  first  order  law  

•  ResoluIon  :  –  Fully  implicit  –  Mixed  Hybrid  Finite  Elements  (Subsurface)  –  Finite  element  (Surface)  –  Picard  algorithm  +  mass  lumping  +  adapIve  Ime  step  

 

( )( ), ,( ) . .x y x y whS h h Qt∂

+∇ − θ ∇ =∂

T

( )( )

2 3

1 2. 'hx x r

Man x r

A RA h z l qt N h z

⎛ ⎞∂ ⎜ ⎟−∇ ∇ + =⎜ ⎟∂ ∇ +⎝ ⎠

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  “validaIon”  

•  Inter-­‐comparison  between  the  dimensionally-­‐reduced  model  and  a  classical  Richards  based  model  on  a  2D  verIcal  cross  secIon  (Weill  et  al,  Hydrological  Processes,  submiAed)  

•  Geometry  inheriIng  of  the  Strengbach  catchment  

è  176  000  elements  for  Richards  /  12  000  elements  for  the  dimensionally-­‐reduced  model    

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  “validaIon”  

•  4  subsurface  configuraIons  :    –  Homogeneous    –  3  layers    –  30  layers  /  constant  VG  

parameters  –  Random  field  of  saturated  

hydraulic  conducIvity/  constant  VG  parameters  

•  IniIal    and  boundary  condiIons  :  –  Water  table  located  3  m  

below  land  surface  iniIally  –  Dirichlet  BC  downstream  –  Rainfall  rate  of  100  mm/day  

during  5  days,  over  a  line  between  x  =  0  and  50  m  (upstream)  aker  11  days  of  simulaIon  

Ksat  (m/

day)

ω  (-­‐)  θr  (-­‐)  α  (m-­‐1)  n  (-­‐)  

 

Depth    

(m)

10 0.1 0.0106 2 2 0  –  3

1 0.1 0.0106 1.5 1.8 3  –  4

0.1 0.1 0.0106 1.05 1.4 4  –  5  

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Results  –  homogeneous  configuraIons  

Section 1 – x = 150 m Section 1 – x = 150 m

Section 2 – x = 300 m Section 3 – x = 425 m

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Results  –  Random  saturated  conducIvity  

Section 1 – x = 150 m

Section 2 – x = 300 m Section 3 – x = 425 m

Section 1 – x = 150 m

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Inter-­‐comparison  with  CATHY  

•  Pan  et  al,  Journal  of  Hydrology,  accepted  •  IniIal  /  Boundary  condiIons  :    

–  IniIal  water  table  1m  below  land  surface  –  Imposed  discharge  upstream  /  No-­‐flow  for  the  subsurface  

1D  link  cons+tuing  the  river

   

   

CATHY  model

VIC  model

10  m  deep  aquifer

Sx  =  0.05

   

   

2D  meshes  cons+tuing  the  river

   

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Inter-­‐comparison  with  CATHY  

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

TentaIve  applicaIon  –  Strengbach  catchment  

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Conclusions  

•  Reminder  –  Dimensionally-­‐reduced  subsurface  model  seems  a  relevant  approach  –  First  tests  and  applicaIons  of  the  coupled  model  are  not  flawed  

•  LimitaIons  –  HydrostaIc  pressure  profile  –  No  2D  overland  flow    –  Impossible  to  describe  Horton’s  runoff  

•  PerspecIves  –  Add  2D  overland  flow  –  Work  on  transport  processes  –  Coupling  with  vegetaIon/atmosphere  models  for  be\er  spaIally  and  Imely  

distributed  source  terms  

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling  –  Padova  –  September  2015  

Proposal  for  the  next  workshop  (2017?)  !  To  be  held  in  Strasbourg?