A modeling framework for hyporheic flow within hydrodynamics scale

Abstract

In tropical countries, like Colombia and in other parts of the world, free surface streams play a key role either as freshwater supply for human settlements, or as wastewater receivers from households and industrial compounds. Population growth, internal migration of people towards cities and the effects of climate change make that pressure on aquatic ecosystems become a topic of interest for science and public administration. Therefore, understanding different water bodies, their interaction and their integral modelling process are a research topic of great interest in earth sciences and engineering. In fact, in the last 30 years, academia has studied the interaction between free surface streams and aquifers beneath them, focusing on the effects of these type of flows. This milestone marked the beginning of the studies of Hyporheic Flow (HF) and Hyporheic Zone (HZ).

Hyporheic Zone (HZ) is defined as "a subsurface flowpath along which water 'recently' from the stream will mix with subsurface water to 'soon' return to the stream''. This place has a great relevance in ecologic, biologic and chemical processes such as contaminant attenuation, nutrient, sediment and heat transport for biota growth, nitrification processes in water bodies and river restoration. These phenomena are closely related with chemical water quality and are modeled usually with conservative and reactive transport equations. Nevertheless, species transport in HZ depends on water flow and the patterns it follows.

The flow within the HZ is known as Hyporheic Flow (HF) and its main feature is the wide range of scales in which it acts. Hence, within HZ there is flow from the pore scale and it is controlled by pressure gradients, to the scale of flows controlled by the stream morphology. This wide variety of scales, along with media heterogeneity make the study of processes within the HZ a challenge for the scientific community. Moreover, in countries like Colombia, streams play a key role in society since they are the main freshwater supply and also receive the water disposal.

The main goal of this research project is to formulate a methodological frame for HZ modelling from the continuous media perspective. To that end, this work presents the study of HF, starting from different numerical models, proposing simplifications that can portray HF. In the same way, the use of numerical models allows the decomposition of the physical phenomena to characterize their individual contribution to the HF. The models' results are compared with experimental results to validate their practical usefulness and propose their use in different case studies related with biological, chemical and ecological processes.

To accomplish the main goal, this document presents three different approaches to HF driven by hydrodynamics, using different numerical tools. These approaches are based in continuum media mechanics, despite using different numerical schemes; each one of the presents pros and cons, but above all, each one of them gives key information about Hyporheic Flow that, in the near future, can be upscaled and used for decision making regarding hydraulic resources.

The first numerical model proposed uses Burgers' Equation (BE) to represent HF in a bed with cubical packed spheres. The main goal is to study turbulent velocity decay within uniform media to characterize HF through a simple expression as the BE taking into account the interaction between non linear effects and energy dissipation, characteristic within multiscale flows. For the computational model a Spectral Multidomain Penalty method (SMPM) to avoid numerical errors associated with traditional numerical schemes as finite differences, elements or volumes. The BE model is presented as a first approach of HF in a lab scale.

In second place, the use of the Navier-Stokes Equations (NSE) to represent the combination of free surface flow and a sand bed. Again, the main goal is to determine a mean velocity profile representing the transition between free surface flow in a flume and a regular bed. To achieve this goal the Finite Volume Method was used along with an open source code that was modified to include different viscosity values and source/sink terms that are able to capture the velocity decay. The results of flow are compared with different numerical and experimental models. This analysis includes also a conservative transport model that was also compared with experimental results.

For the final approach, a numerical particle-tracking model is proposed to assess their influence of HF in fine sediment deposition in river beds. The main goal of this part is to evaluate the process of deposition taking into account different flow scenarios within the HZ. Besides flow in porous media, this model includes particle filtration within the bed to retain particles and show places where deposition is more prone to occur. The results, once again, are compared with flume experiments of kaolinite deposition in a recirculating flume.

To wrap up, the three models presented in this work offer a novel vision on Hyporheic Flow within scales driven by hydrodynamical effects. Mainly, the free flow conditions driving flow in porous media and high Reynolds number flows presence within porous media determine hydrodynamics and processes associated with it, such as fine sediment deposition.

En paises tropicales como Colombia y en gran parte del mundo, las corrientes superficiales juegan un rol importante como fuente de agua potable para grandes asentamientos humanos, a la vez que receptores de vertimientos domésticos e industriales. El crecimiento de la población, la migración interna a las ciudades y los efectos del cambio climático, hacen que la presión sobre los ecosistemas acuáticos se vuelva un tema de interés para la ciencia y la administración pública. En consecuencia, el entendimiento de los diferentes cuerpos de agua, las relaciones entre ellos y su modelación integral son un tema de investigación con gran acogida en las geociencias y la ingeniería. De hecho, desde hace cerca de 30 añnos, la academia se ha fijado en las realciones entre las corrientes de agua y los acuíferos debajo de las mismas para estudiar diferentes fenómenos ocasionados por este tipo de flujos. De esta forma nace el estudio del Flujo Hiporreico (HF) y la Zona Hiporreica (HZ). La Zona Hiporreica (HZ) se define como "la trayectoria de flujo de agua que ha abandonado un cuerpo de agua superficial hace "poco'' tiempo, para mezclarse con agua subterránea y "pronto'' volver al mismo cuerpo de agua''. Este lugar tiene gran importancia en procesos ecológicos, biológicos y químicos como la atenuación de contaminantes, el transporte de nutrientes, sedimentos y calor para el crecimiento de biota, los procesos de nitrificación de los cuerpos de agua y la restauración de cuerpos de agua. Estos fenómenos están ligados estrechamente con el concepto de calidad y química del agua, y son modelados con ecuaciones de transporte conservativo o reactivo. No obstante, el transporte de sustancias en este medio depende del flujo de agua y los patrones que este sigue. Al flujo de agua en la HZ se le denomina Flujo Hiporreico (HF), y su principal característica es el amplio rango de escalas en el que está presente. De esta forma, dentro de la HZ se pueden observar flujo desde la escala de poros, controlado por gradientes de presión, hasta la escala de flujos controlados por la morfología de las corrientes de agua. Esta amplia variedad de escalas, sumada a la heterogeneidad de los medios naturales, hacen que el estudio de procesos en la HZ se transforme en un reto para la comunidad científica. El objetivo del presente trabajo de investigación es el de formular un marco metodológico para la modelación de la HZ desde la perspectiva de la mecánica del medio continuo. Para tal fin, este trabajo presenta un estudio del HF, a partir de diferentes modelos numéricos, proponiendo simplificaciones que puedan representar el HF. Asimismo, el uso de modelos numéricos permite descomponer los fenómenos físicos para caracterizar la contribución de cada uno al HF. Los resultados de los modelos son comparados con resultados experimentales para verificar su utilidad práctica y proponer su uso en diferentes casos de estudio relacionados con procesos biológicos, químicos y ecológicos. Para el cumplimiento del objetivo general se presentan tres aproximaciones de modelación de Flujo Hiporreico dominado por factores hidrodinámicos, por medio de diferentes herramientas numéricas. Estas aproximaciones se basan en la mecánica del medio continuo, a pesar de utilizar diferentes esquemas numéricos; presentan diferentes fortalezas y debilidades y, sobre todo, brindan información sobre el Flujo Hiporreico que, en un futuro, puede ser escalada para contribuir con la toma de decisiones en lo referente al recurso hídrico. El primer modelo numérico propuesto utiliza la ecuación de Burgers (BE) para representar el HF en un lecho de esferas dispuestas en forma cúbica. El objetivo principal es estudiar el decaimiento de las velocidades turbulentas dentro de un medio uniforme para caracterizar el HF mediante una expresión simple como la BE teniendo en cuenta la interacción de efectos no lineales y disipación de energía, propios de los flujos multiescala. Para el modelo computacional se utilizó un método de multidominio espectral (SMPM) para evitar errores numéricos asociados a los métodos tradicionales como las diferencias, elementos o volúmenes finitos. Este modelo se presenta como una primera aproximación hacia el HF a escala de laboratorio. En segundo lugar, se propone un modelo basado en las ecuaciones de Navier-Stokes (NSE) modificada para representar la combinación de un flujo libre y el lecho de un canal. De nuevo, el objetivo es determinar un perfil de velocidades promedio que represente la transición entre el flujo de un canal y un lecho de forma regular. Para este fin se utilizó el método de los volúmenes finitos y un paquete de software de código abierto que fue modificado para incluir viscosidades diferentes y términos de fuente/sumidero que representen el decaimiento de velocidades. Los resultados de flujo son comparados con diferentes modelos numéricos y experimentales. De igual manera, este análisis incluye además una implementación de transporte conservativo de especies que fue también comparado con resultados experimentales. Como última aproximación, se propone un modelo de rastreo numérico de partículas para evaluar la influencia del HF en la depositación de sedimentos finos en lechos de ríos. El objetivo principal de este aparte es analizar el proceso de depositación de sedimentos, teniendo en cuenta diferentes escenarios de flujo en la HZ. Además del flujo en el medio poroso, el modelo implementado utiliza la filtración de materiales dentro del lecho para retener partículas finas y mostrar los lugares donde se espera que haya mayor depositación de estas. Los resultados, una vez más, son validados de forma cualitativa con experimentos de laboratorio realizados con kaolinita en canales recirculantes experimentales. En síntesis, los tres modelos presentados en este trabajo ofrecen una visión novedosa sobre el Flujo Hiporreico en escalas dominadas por efectos hidrodinámicos. Principalmente, el dominio de las condiciones de flujo libre presentes sobre el flujo en el medio poroso y la presencia de flujos con altos números de Reynolds dentro del medio poroso dominan la hidrodinámica y los procesos asociados a la misma, como la despositación de sedimentos finos.