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Main Title: High-resolution integral modelling approach for flow and transport in groundwater-surface water interaction space
Translated Title: Hochaufgelöster integraler Modellierungsansatz für Strömung und Transport im Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionsraum
Author(s): Broecker, Katrin Tabea Christina
Advisor(s): Hinkelmann, Reinhard
Referee(s): Hinkelmann, Reinhard
Nützmann, Gunnar
Helmig, Rainer
Saenger, Nicole
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12423
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11265
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: While former research studies mainly considered groundwater and surface water separately, the importance of their interactions is nowadays widely acknowledged. Especially the hyporheic zone, which is the zone where stream and shallow groundwater exchange, is addressed in many investigations. This zone is recognized for retention, transformation and attenuation of solutes and enables to improve water quality significantly, while it additionally serves as refuge and habitat for many aquatic organisms. But even though the importance of groundwater and surface water interactions is nowadays recognized to a large extent, in numerical models both resources are still investigated separately in most cases due to different temporal dimensions. For investigations at the hyporheic zone, flow and transport processes are commonly determined using coupled numerical models. A surface water model and a groundwater model are executed successively, often with no feedback from groundwater to surface water. In contrast to previous research with coupled models, in the prevailing work, processes at the groundwater-surface water interface are investigated with an integral numerical model. Since high computational effort is needed for the application of the integral solver, processes on a small-scale close to the interface of surface water and porous media are focused on. In a first step, the two-phase solver interFoam is extended for the investigation of tracer retention and free surface flow at rippled streambeds. The Navier-Stokes equations are solved in combination with an implemented advection-diffusion equation. The transport of tracer pulses from surface water to dead zones between ripples at the streambed with varying morphologies and different surface hydraulics are examined. Similar as for the coupled approaches, pressure gradients at the streambed are used to account for hyporheic exchange, assuming surface water moving from high to low pressure zones. It was found out that flow velocities, ripple sizes and spaces between the ripples show to significantly effect pressure gradients at the streambed. Parts of the injected tracer mass are temporarily retained between the ripples due to low velocities and recirculation. In a further step the sediment is included and the same ripple geometries and surface water velocities are assumed as in the previous step. The porousInter solver that extends the interFoam solver for the application in the subsurface is used to determine exchange processes of groundwater and surface water at a small-scale with high resolution. PorousInter solves an extended version of the Navier-Stokes equations and includes porosities as well as grain size diameters within an additional drag term. The validity for groundwater-surface water interactions is first demonstrated using analytical examples. In contrast to the one-way coupled models, the integral model shows the advantage to account for feedback from surface water to the sediment and vice versa and is also applicable in non-Darcy flow areas. In- and outflowing fluxes at the interface of groundwater and surface water are determined for various hydrological and morphological factors. For all investigated cases with sand, non-Darcy-flow occurred in the upper part of the ripple, while for the cases with gravel non-Darcy-flow is observed over several decimetres in depth. Also, a feedback from the sediment to surface water flow is recognized. Finally, the integral solver is further extended to determine transport processes at the interface. Observations of a conservative dye tracer that was injected into surface water and spread into rippled streambeds inside a flume are compared with modelling results gained with the integral solver. Neutral conditions as well as conditions with up- and downwelling groundwater flow are considered. The results gained with the integral solver show a good agreement with laboratory observations and provide additional information of prevailing flow processes at the interface. For downwelling groundwater flow the highest velocities within the sediment were found, which leads to shorter residence times compared to neutral conditions or upwelling groundwater, while under neutral conditions the hyporheic exchange was the largest. The main outcome of this thesis is the description, validation and extension of a new integral solver for flow and transport processes at the interface of groundwater and surface water. Simulation results at various rippled streambeds show effects of small-scale topologies, groundwater and surface water velocities and grain sizes on flow and transport processes at the interface. The integral solver can be used for water management practices, e.g. engineering hyporheic zones, but is also applicable for further surface water-porous media interactions as simultaneous flow over and through dikes or breakwaters.
Während in früheren Forschungsstudien Grundwasser und Oberflächenwasser überwiegend getrennt betrachtet wurden, wird die Bedeutung ihrer Wechselwirkungen heutzutage weitgehend anerkannt. Vor allem die hyporheische Zone, in welcher sich Fluss- und oberflächennahes Grundwasser austauschen, wird in vielen Untersuchungen thematisiert. Diese Zone ist für die Rückhaltung, Umwandlung und Verdünnung gelöster Stoffe bekannt und ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der Wasserqualität, während sie gleichzeitig vielen Wasserorganismen als Zufluchtsort und Lebensraum dient. Doch obwohl die Bedeutung des Austausches von Grundwasser und Oberflächenwasser heutzutage weitgehend bekannt ist, werden in der numerischen Modellierung beide Ressourcen aufgrund unterschiedlicher zeitlicher Dimensionen in den meisten Fällen separat untersucht. Für Untersuchungen in der hyporheischen Zone werden Strömungs- und Transportprozesse üblicherweise mit gekoppelten numerischen Modellen bestimmt. Dazu werden Oberflächen- und ein Grundwassermodelle häufig nacheinander und ohne Rückkopplung vom Grundwasser zum Oberflächenwasser ausgeführt. Im Gegensatz zu früheren Forschungen mit gekoppelten Modellen werden in der vorliegenden Arbeit Prozesse an der Grenzfläche von Grundwasser und Oberflächenwasser mit einem integralen numerischen Modell untersucht. Da bei der Anwendung des integralen Lösers ein hoher Rechenaufwand erforderlich ist, werden vor allem kleinskalige Prozesse nahe der Grenzfläche zwischen Oberflächenwasser und porösen Medien untersucht. In einem ersten Schritt wird der Zweiphasen-Löser interFoam erweitert, um den Rückhalt eines Tracers zusammen mit dem freien Oberflächenfluss an einem Flussbett mit Rippeln zu untersuchen. Zusätzlich zu den Navier-Stokes-Gleichungen wird eine Advektions-Diffusions-Gleichung gelöst. Untersucht wird der Transport von Tracer-Zugaben vom Oberflächenwasser zu Totzonen an der Flussbettoberfläche, wobei unterschiedliche Rippelgeometrien und unterschiedliche hydraulische Verhältnisse berücksichtigt werden. Ähnlich wie bei den gekoppelten Ansätzen werden Druckgradienten am Strömungsbett analysiert, um auf den hyporheischen Austausch zu schließen, wobei das Oberflächenwasser von Hoch- zu Niederdruckzonen fließt. Strömungsgeschwindigkeiten, Rippelgrößen und Abstände zwischen den Rippeln zeigen einen signifikanten Einfluss auf die Druckgradienten am Strömungsbett. Ein Teil des injizierten Tracers wird aufgrund niedriger Geschwindigkeiten und Rezirkulation zwischen den Rippeln vorübergehend zurückgehalten. In einem weiteren Schritt wird das Sediment hinzugefügt und die gleichen Rippelgeometrien und Oberflächenwassergeschwindigkeiten wie im ersten Schritt angenommen. Der porousInter-Löser, der den interFoam-Löser um die Anwendung im Untergrund erweitert, wird zur Bestimmung hochaufgelöster Austauschprozesse von Grundwasser und Oberflächenwasser auf kleinen Skalen verwendet. PorousInter löst eine erweiterte Version der Navier-Stokes-Gleichungen und berücksichtigt das Sediment durch Porositäten sowie Korngrößendurchmesser innerhalb eines zusätzlichen Widerstandsterms. Die Gültigkeit für den Austausch von Grundwasser und Oberflächenwasser wird zunächst anhand von analytischen Beispielen demonstriert. Im Gegensatz zu den Einweg-gekoppelten Modellen zeigt das integrale Modell den Vorteil, Rückkopplungen vom Oberflächenwasser zum Sediment und umgekehrt zu berücksichtigen und ist auch in Strömungsgebieten anwendbar, die außerhalb des Darcy-Bereichs liegen. Zu- und Abflüsse an der Grenzfläche von Grundwasser und Oberflächenwasser werden für verschiedene hydrologische und morphologische Faktoren bestimmt. In allen untersuchten Fällen mit Sand wurden an den oberen Zonen der Rippel Bereiche festgestellt, die außerhalb der Darcy-Gültigkeit liegen, während in den Fällen mit Kies diese Bereiche über mehrere Dezimeter in die Tiefe hinweg zu erkennen waren. Auch eine Rückkopplung vom Sediment- zum Oberflächenwasserfluss ist offensichtlich. Zuletzt wird der integrale Löser dahingehend erweitert, Transportprozesse an der Schnittstelle zu bestimmen. Die Beobachtungen eines konservativen Farb-Tracers, welcher im Oberflächenwasser injiziert wurde und sich in einer Sohle mit Rippeln in einem Gerinne ausgebreitet hat, werden mit den Ergebnissen des integralen Lösers verglichen. Es werden neutrale Bedingungen sowie Bedingungen mit ab- und zufließendem Grundwasserfluss berücksichtigt. Die mit dem integralen Löser erzielten Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Laborbeobachtungen und liefern zusätzliche Informationen zu den vorherrschenden Strömungsprozessen an der Schnittstelle. Für abfließende Grundwasserströmung wurden die höchsten Geschwindigkeiten innerhalb des Sediments festgestellt, was zu kürzeren Verweilzeiten im Vergleich zu neutralen Bedingungen oder zufließendem Grundwasser führt. Unter neutralen Bedingungen wurde das größte Ausmaß an hyporheischem Austausch festgestellt. Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit ist die Beschreibung, Validierung und Erweiterung eines neuen integralen Lösers für Strömungs- und Transportprozesse an der Schnittstelle von Grundwasser und Oberflächenwasser. Simulationsergebnisse an verschiedenen gerippelten Flussbetten zeigen Auswirkungen kleinerer Topologien, Grundwasser und Oberflächenwassergeschwindigkeiten und Korngrößen auf Strömungs- und Transportprozesse an der Grenzfläche. Der integrale Löser kann für praktische wasserbaulichen oder wasserwirtschaftlichen Fragestellungen verwendet werden, beispielsweise für speziell konstruierte hyporheische Zonen, aber auch für weitere Interaktionen von Oberflächenwasser und porösen Medien wie beispielsweise bei über- und durchströmten Deichen oder Wellenbrechern.
Subject(s): CFD
hyporheic zone
integral model
OpenFOAM
numerische Strömungsmechanik
hyporheische Zone
integrales Modell
Issue Date: 2021
Date Available: 14-Apr-2021
Exam Date: 8-Dec-2020
Has Part: 10.14279/depositonce-8911
10.14279/depositonce-11826
Is Supplemented By: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15260
Language Code: en
DDC Class: 518 Numerische Analysis
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Sponsor/Funder: DFG, 248198858, GRK 2032: Urban Water Interfaces (UWI)
TU Affiliation(s): Fak. 6 Planen Bauen Umwelt » Inst. Bauingenieurwesen » FG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung
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