An Euler-Lagrangian concept for transport processes in coupled hydrosystems

Abstract

Das Verstehen und die Prognose von Wasserqualität bedingen eine gleichzeitige Kenntnis von Wasserherkunft und Fließwegen, da die Hydrology von Strömen und Einzugsgebieten eng miteinander verknüpft sind. Die Überbrückung verschiedenartiger Zeit- und Raumskalen ist eine der Hauptherausforderungen bei der numerischen Untersuchung des Wasserkreislaufes der Erde. Ein physikalisch basiertes numerisches Model zur Kopplung von Oberflächen- und Grundwasser einschließlich des Stoff- und Wärmetransportes wurde innerhalb des Programmpaketes OpenGeoSys entwickelt. Die hydrologischen Prozesse Oberflächen-, gesättigte und ungesättigte Strömung werden durch Diffusionsgleichungen beschrieben und mit Finite-Elemente und Finite-Volumen Verfahren gelöst. Neu ist die Anwendung von Lagrangeschen stochastischen Partikeln (random walk particle tracking) zur Simulation von advektiv-diffusivem/dispersivem Transport in gekoppelten Hydrosystemen. Alternativ können auch Eulersche Methoden verwendet werden. Das Kopplungskonzept ist ein Kompartiment-Ansatz. Typischerweise wird die Hydrosphäre in Oberflächen-, Boden- und Aquifer-Kompartimente aufgeteilt, welche über Austauschflüsse an gemeinsamen Schnittstellen interagieren. Jeder Prozess wird mit seiner eigenen räumlichen und zeitlichen Diskretisierung gelöst und eine weitere Kopplungsschleife wird ausgeführt (partitionierte Kopplung). Ein Schlüssel zur objektorientierten Implementierung des Kompartiment-Ansatzes ist eine Hierarchie von geometrischen, topologischen (Diskretisierungsnetzen) und Prozessbibliotheken, welche für Multiphysik-Probleme entworfen wurden. Die objektorientierte Umgebung von OpenGeoSys für Hochleistungsrechnen wurde bei der Entwicklung eines regionalen hydraulischen Bodenmodelles genutzt. Ein zentraler Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung des neuen Modelles mit einigen Anwendungsbeispielen, welche hydrologische und Transportprozesse von Labor- bis Einzugsgebietsskala umspannen: Zwei Benchmark-Tests zu Horton'schem und Dunn'schem Oberflächenabfluss, eine Modellierungsstudie zu Cryptosporidium parvum Oozysten und drei Fallstudien - am Flussbecken der Lahn in Deutschland, dem Untersuchungsgebiet Borden in Kanada und dem Beerze-Reusel Einzugsgebiet in den Niederlanden.

Understanding and predicting water quality require the concomitant knowledge of water origin and flow paths as stream and catchment hydrology are intimately linked. Bridging of various temporal and spatial scales is a key challenge in the numerical investigation of the terrestrial hydrologic cycle. A physically based numerical model for coupled surface and subsurface water flow with heat and mass transport has been developed in the software toolbox OpenGeoSys. The hydrological processes surface water flow, unsaturated, and saturated flow are described by diffusion type equations and solved with finite element and finite volume methods. New is the application of Lagrangian stochastic particles (random walk particle tracking) for the simulation of advective-diffusive/dispersive transport in coupled hydrosystems. Alternatively, Euler methods can be used. The coupling concept is a compartment approach. Typically, the hydrosphere is subdivided in surface, soil, and aquifer compartments, which interact via exchange fluxes at common interfaces. Each process is numerically solved with its own spatial and temporal discretization and an additional coupling loop is executed (partitioned coupling). A key to the object-oriented implementation of the compartment approach is a hierarchy of geometric, topologic (discretization meshes), and process libraries designed for multiphysics problems. The object-oriented environment of OpenGeoSys for high performance computing was used in the development of a regional hydraulic soil model. A central part of this work is the examination of the novel model with several application examples spanning hydrological and transport processes from laboratory to catchment scales: Two benchmark tests on Horton and Dunne overland flow, a modeling study on Cryptosporidium parvum oocysts, and three case studies - at the Lahn river basin in Germany, the Borden site in Canada, and the Beerze-Reusel drainage basin in the Netherlands.