coupled surface-subsurface flow modeling in gera software ...€¦ · Автоматическая...

54
K. Novikov, INM RAS, Moscow, Russia Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software package

Upload: others

Post on 19-Jul-2020

9 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

K. Novikov, INM RAS, Moscow, Russia

Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software

package

Page 2: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

GeRa code

GeRa (Geomigration of Radionuclides) – software package designed for 3D hydrogeologic modeling to assess radioactive waste disposal safety

Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow

Marchuk Institute of Numerical Mathematics of the Russian Academy of Sciences, Moscow

Page 3: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Without surface runoff

Page 4: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Without surface runoff

Page 5: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Without surface runoff

Page 6: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

With surface runoff

Page 7: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

With surface runoff

Page 8: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Without surface runoff

Page 9: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

With surface runoff

Page 10: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupled model mesh

Page 11: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupled model mesh

Surface runoff

Page 12: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupled model mesh

Groundwater flow

Page 13: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Surface runoff model

Diffusive wave approximation of shallow water equations:

5/3 5/3

| | | |s s s s s

sss s

h h H h H q qt x x y yH Hν ν

∂ ∂ ∂∂ ∂− − = − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∇ ∇

• hs – water depth • Hs = hs + z – water

elevation • q – sources/sinks

• qss – surface-subsurface flux

• v – Manning’s roughness coefficient

Page 14: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Groundwater flow model

Modified Richards equation:

( )( )( ) 0g g

stor g g

h hSs K h z

t tθ∂ ∂

+ −∇⋅ ∇ + =∂ ∂

• θ – water content • hg – pressure head • S = S(hg) – saturation

• sstor – specific storage • Kg = K(hg) – hydraulic

conductivity

Page 15: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Groundwater flow model Van Genuchten model:

• θ – water content • θr ,θs – residual and

maximum water content • α, n – medium parameters

• Ks – saturated conductivity • S – saturation • Se – effective saturation

for 0[1 | | ]( )

f 0 or

rr gn m

s

s

gg

g

hhh

h

θ θθαθθ

− + < += ≥

Mualem’s model:

10.5 2( ) · [1 (1 ) ] ,mm

es eK h K S S= − −

11mn

= −

re

s r

S θ θθ θ−

=−

s

S θθ

=

Page 16: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

if 0 otherwise

( )ssg g

q surfx aceK h

∈− ∇ =

5/3 5/3

| | | |s s s s s

sss s

h h H h H q qt x x y yH Hν ν

∂ ∂ ∂∂ ∂− − = − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∇ ∇

Page 17: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

( )ssss s g

Kq hd

h−=

• qss – surface-subsurface flux

• Kss – near-bottom sediment conductivity

• d – near-bottom sediment layer width

• hg – groundwater pressure head

• hs – surface water depth

Page 18: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

Page 19: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

Page 20: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

( )ssss s g

Kq hd

h−=

Page 21: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

Page 22: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

( )ssss s g

Kq hd

h−=

Page 23: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

( ) 0ssss s g

Kq h hd

−= >

Page 24: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

0ssq =

Page 25: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

( ) 0ssss s g

Kq h hd

−= <

Page 26: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

0 in A

( ) in

B,C,D

ssss s ghKq h

d

−=

Page 27: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Surface runoff model discretization

5/3 5/3

| | | |s s s s s

sss s

h h H h H q qt x x y yH Hν ν

∂ ∂ ∂∂ ∂− − = − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∇ ∇

• hs – water depth • Hs = hs + z – water

elevation • q – sources/sinks

• qss – surface-subsurface flux

• v – Manning’s roughness coefficient

Page 28: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Surface runoff model discretization

( ) ( )s ss s ss s s ss

h HK H q q K H q qt t

⇔∂ ∂

−∇ ∇ = − −∇ ∇ = −∂ ∂

• hs – water depth • Hs = hs + z – water

elevation • q – sources/sinks

• qss – surface-subsurface flux

• v – Manning’s roughness coefficient

5/3

| |s

ssH

K hν ∇

=

Page 29: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Discretization of diffusion coefficient of surface runoff model (numerator)

5/3

| |s

ssH

K hν ∇

=

( )5/3

, ,5/3 5/3, 5/3

, ,

,

,

( ) , ,( )

( ) , .s i s i

s s ijs j

s j

ijs i

js

h H Hh

h Hh

H

≥= =

<

Page 30: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Discretization of diffusion coefficient of surface runoff model (denomenator)

5/3

| |s

ssH

K hν ∇

=

, ,, , ( ( )) s j s j

s s j j jH HH H

yx

xy

x yα α α

∂ ∂+= + −

∂ ∂−

Page 31: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Coupling of the models

0 in A

( ) in

B,C,D

ssss s ghKq h

d

−=

Page 32: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Smoothing surface-subsurface flux

3 22

1(

0, (

) , (

,

, )2

( ), )

)

( ,

s

ss ss ssg s g

ss

s

s g

sss g s

s

g

hcosK K Kh h h h h Ad d

q BK h h h

d

dh C

h h

πεε

ε ε

−− ∈

= ∈

Page 33: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Numerical experiments

Page 34: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface

[S. Kollet et al. The integrated hydrologic model intercomparison project, ih-mip2: A second set of benchmark results to diagnose integrated hydrology and feedbacks // Water Resources Research 53 (1) (2017) 867-890]

Page 35: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface Parameter Value

Manning’s roughness channel, (h/m1/3) 1.74×10-3

Manning’s roughness banks, (h/m1/3) 1.74×10-4

Saturated hydraulic conductivity, (m/h) 10 Residual volumetric water content, (-) 0.08 Saturated volumetric water content, (-) 0.4

Precipitation rate, (m/h) Scenario I: 0;

Scenario II: 0.1 for 20 h, 0 afterwards

Van Genuchten parameter n, (-) 2 Van Genuchten parameter α, (m) 6 Experiment duration, (h) 120 Bottom sediment width, (m) 0.2 Bottom sediment conductivity, (m/day) 20

Initial conditions Water 2m below surface

Page 36: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface first scenario

Page 37: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface first scenario

Page 38: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface first scenario

Page 39: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface first scenario

Page 40: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface second scenario

Page 41: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface second scenario

Page 42: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface second scenario

Page 43: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Tilted v-catchment with subsurface second scenario

Page 44: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment

[S. Kollet et al. The integrated hydrologic model intercomparison project, ih-mip2: A second set of benchmark results to diagnose integrated hydrology and feedbacks // Water Resources Research 53 (1) (2017) 867-890]

Page 45: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment Parameter Value

Manning’s roughness channel, (s/m1/3) 0.03

Manning’s roughness banks, (s/m1/3) 0.3

Saturated hydraulic conductivity, (m/h) 0.036 Residual volumetric water content, (-) 0.067 Saturated volumetric water content, (-) 0.37

Precipitation rate, (m/h) 0.02 first 50 minutes, 0 next 50 minutes

Van Genuchten parameter n, (-) 6 Van Genuchten parameter α, (m) 1.9 Experiment duration, (min) 100 Bottom sediment width, (m) 0.2 Bottom sediment conductivity, (m/day) 0.47 Initial conditions Water level 2.78m

Page 46: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment

[S. Kollet et al. The integrated hydrologic model intercomparison project, ih-mip2: A second set of benchmark results to diagnose integrated hydrology and feedbacks // Water Resources Research 53 (1) (2017) 867-890]

[Aquanty inc., HGS user manual. – Waterloo. – 2015.] [VanderKwaak J., Numerical simulation o flow and chemical transport in integrated surface-subsurface hydrologic systems, Ph.D. thesis, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada (1999)]

Manning’s roughness channel, (s/m1/3) 0.03

Manning’s roughness banks, (s/m1/3) 0.3

Manning’s roughness banks, (s/m1/3) 0.3

Page 47: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment

Page 48: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment

Page 49: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment

Page 50: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Borden experiment

Page 51: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Smith and Woolhiser

[R. Smith, D. Woolhiser, Overland Flow on an inltrating surface // Water Resources Research, 7 (4), (1971), 899-913.]

Page 52: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Smith and Woolhiser Parameter Value

Manning’s roughness, (min/cm1/3) 0.000122

Saturated hydraulic conductivity, (cm/min) Layer 1: 0.184 Layer 2: 0.1452 Layer 3: 0.1296

Residual volumetric water content, (-) Layer 1: 0.05068 Layer 2: 0.05699 Layer 3: 0.05248

Saturated volumetric water content, (-) Layer 1: 0.3946 Layer 2: 0.4387 Layer 3: 0.4764

Precipitation rate, (m/h) 0.416667 first 15 min, 0 next 5 min

Van Genuchten parameter n, (-) Layer 1: 3.4265 Layer 2: 4.1371 Layer 3: 4.3565

Van Genuchten parameter α, (m) Layer 1: 0.07

Layer 2: 0.056 Layer 3: 0.0443

Experiment duration, (min) 20

Bottom sediment width, (m) 0.01

Bottom sediment conductivity, (m/day) 100

Initial conditions Saturation 0.2

Page 53: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Smith and Woolhiser

Page 54: Coupled surface-subsurface flow modeling in GeRa software ...€¦ · Автоматическая сегментация церебральных артерий с использованием

Summary • Surface runoff modelling allows more precise description

of precipitation • Diffusive wave approximation of shallow water equations

is used in GeRa package as a surface runoff model • Numerical experiments demonstrate good agreement of

GeRa with other packages