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Integral modeling approach for flow and transport at surface water-groundwater interfaces

Sobhi Gollo, Vahid

Groundwater and surface waters are crucial parts of hydrological cycle which traditionally have been treated separately. Continuous interaction between these two water bodies have attracted requisite attention towards considering them as a single hydrogeochemical continuum in recent decades. Many studies have addressed these interactions on large scales such as catchments as well as local scale hyporheic zone interactions. Influenced by factors such as streambed morphology, ambient groundwater conditions, sediment heterogeneity and bioturbation, hyporheic zone is the hotspot of retention, transformation and attenuation of solutes as well as habitat of a variety of aquatic organisms. Through development of novel measurement methods and experimental techniques, investigating groundwater and surface water as a single hydrologic unit is now very well established in the scientific community. Nevertheless, numerical models as necessary tools to study wide range of scenarios and future event predictions are still based on concepts that consider groundwater and surface water separately. These so called “coupled models” result from successive execution of a surface water model and a groundwater model, oftentimes without any feedback effects. Continuous feedback across groundwater-surface water interface is a key component in successfully investigating small (local) scale intense exchange processes such as hyporheic flow and bioturbation. As opposed to coupled modeling approach, in the current study small-scale groundwater-surface water processes using a novel integral approach is discussed which allows the continuous feedback across groundwater-surface water interface. Due to high computational effort of this approach, only small-scale high-resolution scenarios in the close vicinity of the interface such as hyporheic flow through rippled streambed and bioturbation (pumping activity of tube-dwelling organisms) are investigated. In the first step, for a case of flow and exchange across a rippled streambed the integral approach is compared to the widely used one-way sequential coupling approach. For integral modeling, porousInter solver of OpenFOAM computational fluid dynamics model is applied solving Navier-Stokes equations which are extended by resistance terms including porosity and grain size diameter parameters to account for flow in porous medium. For coupling, next to the groundwater model “PCSiWaPro®”, OpenFOAM is used for surface water modeling. The necessity of using Navier-Stokes equations-based OpenFOAM for surface water modeling is discussed next to a simpler shallow water equations model called “hms”. Integral to coupled model comparison shows that under turbulent surface water flow in the vicinity of the ripples, continuous feedback of flow between surface water and hyporheic water is simulated with the integral model leading to reduced turbulence compared to the coupled model and flow and pressure fields near ripples are affected. Results of the two models are very similar far away from the interface in deeper sediment (> 40 cm), however, significantly differ above the interface in the surface water. In a further step the area of application of the integral approach is expanded towards another important small-scale groundwater-surface water exchange phenomenon. Here, using the integral approach, the pumping activity of tube-dwelling macroinvertebrates in a U-shaped burrow and its impact on hydrodynamic exchange processes between porewater and overlying (surface) water are modeled and compared to experiments and coupled model (Brand et al. 2013). It was realized that unlike coupled model, by using integral model continuous feedback between burrow water and surrounding porewater resulted in modification of pressure and velocity fields in the vicinity of the burrow. As experimental approaches are not capable of direct measurement of flow and exchange processes in the burrow and its surrounding porewater, the integral approach offers a novel possibility about quantifying continuous porewater-burrow. In the first two steps, integral approach was compared to widely used coupled models. Comparison results were plausible and showed that not only integral approach can model a variety of small-scale high-resolution groundwater-surface water interaction processes, but also by allowing continuous feedback between two water bodies, could offer valuable insight towards expanding the understanding of groundwater-surface water interactions. In the final step, the integral solver “porousInter”, which was formerly tested for transport through homogenous sediment, is further applied for tracer transport through heterogenous sediment. The solver is verified by comparing the modeled transport through heterogenous sediment to analytical solutions. It is then validated by simulating the flow and tracer transport across rippled heterogenous sediment experiments of Fox et al. (2016). Simulated tracer propagation agreed well with the experiments. The simultaneous effect of ambient groundwater conditions and sediment heterogeneity on hyporheic flow and residence times is discussed. The main outcomes of this thesis are validation of the integral approach, discussion of its advantages in comparison to other groundwater-surface water interface modeling approaches, extension of its area of applicability in modeling small-scale groundwater-surface water interaction induced by pumping activity of tube-dwelling macroinvertebrates in a U-shaped burrow and further application for modeling tracer transport through heterogenous sediment under ambient groundwater conditions. Integral approach can be used for investigations of engineered hyporheic zones and more general for river and lake sediment ecological questions as well as a component in integrated water resources management. This approach can further be applied to free surface and porous media flow interaction processes such as flow through porous breakwaters and the simultaneous overtopping of and seepage through dikes and dams.
Grundwasser und Oberflächenwasser sind wichtige Komponenten des hydrologischen Kreislaufs, die bisher getrennt voneinander behandelt worden sind. Die kontinuierliche Interaktion zwischen diesen beiden Wasserkörpern hat in den letzten Jahren die notwendige Aufmerksamkeit geweckt, um sie als ein einzelnes hydrogeochemisches Kontinuum zu betrachten. Viele Studien haben sich mit Wechselwirkungen auf großer Skala (z.B. Einzugsgebiete) sowie mit den Wechselwirkungen in der hyporheischen Zone auf lokaler Skala befasst. Beeinflusst von Faktoren wie der Morphologie des Flussbettes, den Bedingungen des umgebenden Grundwassers, der Heterogenität der Sedimente und der Bioturbation, ist die hyporheische Zone der Hotspot für die Retention, die Transformation und den Abbau von Stoffen sowie der Lebensraum für eine Vielzahl von Wasserorganismen. Durch die Entwicklung neuartiger Messmethoden und experimenteller Techniken ist die Untersuchung von Grund- und Oberflächenwasser als ein einziges hydrologisches Kontinuum in der wissenschaftlichen Gemeinschaft inzwischen sehr etabliert. Allerdings basieren die numerischen Modelle, die für die Untersuchung einer Vielzahl von Szenarien und die Vorhersage künftiger Ereignisse erforderlich sind, immer noch auf den Konzepten, die Grund- und Oberflächenwasser getrennt betrachten. Diese sogenannten "gekoppelten Modelle" ergeben sich aus der aufeinanderfolgenden Ausführung eines Oberflächenwassermodells und eines Grundwassermodells, oft ohne Rückkopplungseffekte. Eine kontinuierliche Rückkopplung an der Schnittstelle zwischen Grund- und Oberflächenwasser ist eine Schlüsselkomponente für die erfolgreiche Untersuchung intensiver Austauschprozesse auf kleiner (lokaler) Skala wie hyporheische Strömung und Bioturbation. Im Gegensatz zu gekoppelten Modellierungsansätzen werden in der vorliegenden Studie kleinskalige Grundwasser-Oberflächenwasser-Prozesse mit einem neuartigen integralen Ansatz betrachtet, der eine kontinuierliche Rückkopplung über die Grundwasser-Oberflächenwasser-Grenzfläche ermöglicht. Aufgrund des hohen Rechenaufwands dieses Ansatzes werden nur kleinskalige, hochaufgelöste Szenarien in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche untersucht, wie z.B. hyporheische Strömungen durch ein gerippeltes Flussbett und Bioturbation (Pumpaktivität von Wurmgang bewohnenden Organismen). In einem ersten Schritt wird für den Fall der Strömung und des Austauschs durch ein gerippeltes Flussbett der integrale Ansatz mit dem häufig verwendeten einseitigen sequenziellen Kopplungsansatz verglichen. Für die integrale Modellierung wird der porousInter-Löser des OpenFOAM-Modells verwendet, der die Navier-Stokes-Gleichungen löst, die um Widerstandsterme erweitert werden, die von der Porosität und dem Korngrößendurchmesser abhängen, um die Strömung in einem porösen Medium zu berücksichtigen. Zur Kopplung wird neben dem Grundwassermodell "PCSiWaPro®" auch OpenFOAM für die Modellierung von Oberflächenwasser verwendet. Die Notwendigkeit der Verwendung des auf den Navier-Stokes-Gleichungen basierenden OpenFOAM für die Oberflächenwassermodellierung wird neben einem einfacheren Flachwassergleichungsmodell "hms" diskutiert. Der Vergleich zwischen dem integralen und dem gekoppelten Modell zeigt, dass bei einer turbulenten Oberflächenwasserströmung in der Nähe der Rippel eine kontinuierliche Rückkopplung zwischen dem Oberflächenwasser und dem hyporheischen Wasser mit dem integralen Modell simuliert wird, was im Vergleich zum gekoppelten Modell zu einer geringeren Turbulenz führt und die Strömungs- und Druckfelder in der Nähe der Rippel beeinflusst. Die Ergebnisse der beiden Modelle ähneln sich weit entfernt von der Grenzfläche im tieferen Sediment (> 40 cm), unterscheiden sich aber deutlich oberhalb der Grenzfläche im Oberflächenwasser. In einem weiteren Schritt wird der Anwendungsbereich des integralen Ansatzes auf ein weiteres wichtiges kleinskaliges Grundwasser-Oberflächenwasser-Austauschphänomen erweitert. Hier wird mit Hilfe des integralen Ansatzes die Pumpaktivität von Wurmgang bewohnenden Makroinvertebraten in einem U-förmigen Wurmgang und deren Auswirkung auf hydrodynamische Austauschprozesse zwischen Porenwasser und dem darüber liegendem (Oberflächen-)Wasser modelliert und mit Experimenten und gekoppelten Modellen (Brand et al. 2013) verglichen. Es wurde festgestellt, dass im Gegensatz zum gekoppelten Modell bei der Verwendung des integralen Modells eine kontinuierliche Rückkopplung zwischen dem Grabenwasser und dem umgebenden Porenwasser zu einer Veränderung der Druck- und Geschwindigkeitsfelder in der Umgebung des Wurmgangs führt. Da experimentelle Ansätze nicht in der Lage sind, die Strömungs- und Austauschprozesse im Wurmgang und dem sie umgebenden Porenwasser direkt zu messen, bietet der integrale Ansatz eine neuartige Möglichkeit zur Quantifizierung des kontinuierlichen Porenwassers im Wurmgang. In den ersten beiden Schritten wurde der integrale Ansatz mit häufig verwendeten gekoppelten Modellen verglichen. Die Vergleichsergebnisse waren plausibel und zeigten, dass der integrale Ansatz nicht nur eine Vielzahl von kleinskaligen, hochaufgelösten Grundwasser-Oberflächenwasser-Wechselwirkungsprozessen modellieren kann, sondern auch durch die Ermöglichung einer kontinuierlichen Rückkopplung zwischen zwei Wasserkörpern wertvolle Erkenntnisse zur Erweiterung des Verständnisses von Grundwasser-Oberflächenwasser-Wechselwirkungen liefern kann. Imletzten Schritt wird der integrale Löser porousInter, der zuvor für den Tracer-Transport durch homogenes Sediment getestet wurde, auch für den Tracer-Transport durch heterogenes Sediment angewendet. Der Löser wird durch den Vergleich des modellierten Transports durch heterogenes Sediment mit analytischen Lösungen überprüft. Anschließend wird er durch die Simulation von Strömung und Tracer-Transports durch gerippeltes heterogenes Sediment und Vergleich mit den Experimenten von Fox et al. (2016) validiert. Die simulierte Tracer-Ausbreitung stimmte gut mit den Experimenten überein. Dabei wird das Zusammenwirkender Umgebungsbedingungen des Grundwassers und der Heterogenität des Sediments auf den hyporheischen Fluss und Aufenthaltszeiten diskutiert. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind die Validierung des integralen Ansatzes, die Diskussion seiner Vorteile im Vergleich zu anderen Ansätzen zur Modellierung der Grundwasser-Oberflächenwasser-Grenzfläche, die Erweiterung seines Anwendungsbereichs zur Modellierung kleinskaliger Grundwasser-Oberflächenwasser-Wechselwirkungen, die durch die Pumpaktivität von Wurmgang bewohnenden Makroinvertebraten in einem U-förmigen Wurmgang erzeugt werden, und die weitere Anwendung zur Modellierung des Tracer-Transports durch heterogenes Sediment im Grundwasser. Der integrale Ansatz kann für Untersuchungen von ingenieurtechnischgebauten hyporheischen Zonen und allgemeiner für ökologische Fragen im Zusammenhang mit Fluss- und Seesedimenten sowie als Komponente der integrierten Wasserbewirtschaftung verwendet werden. Dieser Ansatz kann auch für Interaktionsprozesse zwischen freien Oberflächenwasser und Wasser in porösen Medien angewandt werden, wie z.B. die Strömung durch poröse Wellenbrecher und das gleichzeitge Überlaufen und Durchsickern von Deichen und Dämmen.