Model coupling for environmental flows, with applications in hydrology and coastal hydrodynamics¹

Couplages de modèles pour les écoulements environnementaux, avec applications en hydrologie et en hydrodynamique côtière

^* Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Université de Toulouse / INPT-UPS & CNRS, IMFT, 1 Allée du Professeur Camille Soula, F-31400 Toulouse, France .
E-mail: ababou@imft.fr
² Currently at: CESBIO - Centre d’Etudes Spatiales de la BIOsphère, UMR 5126 (UPS-CNRS-CNES-IRD), 18 avenue Edouard Belin, BPI 2801, 31401 Toulouse Cedex 9, France.
³ Currently at: ChongQing Southwest Hydraulic Institute for Waterways, ChongQing Jiaotong University, 107 Dahuang Road, Daping, Yuzhongqu, 400016, ChongQing, China.

Abstract

The aim of this paper is to present an overview of "model coupling" methods and issues in the area of environmental hydrodynamics, particularly coastal hydrodynamics and surface/subsurface hydrology. To this end, we will examine specific coupled phenomena in order to illustrate coupling hypotheses and methods, and to gain new insights from analyses of modelling results in comparison with experiments. Although this is to some extent a review of recent works, nevertheless, some of the methods and results discussed here were not published before, and some of the analyses are new. Moreover, this study is part of a more general framework concerning various types of environmental interactions, such as: interactions between soil water flow (above the water table) and groundwater flow (below the water table); interactions between surface and subsurface waters in fluvial environments (streams, floodplains); interactions between coastal flow processes and porous structures (e.g. sea-driven oscillations and waves through sand beach or a porous dike); feedback effects of flow systems on the geo-environmental media. This paper starts with a general review of conceptual coupling approaches, after which we present specific modelling and coupling methods for dealing with hydrological flows with surface water / groundwater interactions, and with coastal flows involving the propagation of seawater oscillations through a porous beach (vertically and horizontally). The following topics are treated. (1) Coupled stream-aquifer plane flow in an alluvial river valley (quasi-steady seasonal flow regime), assuming aquifer/stream continuity, and using in situ piezometric measurements for comparisons. (2) Water table oscillations induced by sea waves, and propagating through the beach in the cross-shore direction: this phenomenon is studied numerically and experimentally using a wave canal with an inclined beach equipped with capacitive micro-piezometers. (3) Tidally driven vertical oscillations of water flow and capillary pressure in a partially saturated / unsaturated sand beach column, studied numerically and experimentally via a "tide machine" contraption (described in some detail): the goal is to apprehend the role of capillary effects, and forcing frequency, on the hydraulic response of a beach column forced by tides from below. At the time of this writing, some of the results from the tide machine are being reinterpreted (ongoing work). We also point out a recent study of vertical flow in the beach, which focuses on the effect of intermittent waves in the swash zone, rather than tidal oscillations.

Résumé

Le but de cet article est de présenter une revue synthétique des méthodes et problèmes de couplages dans le domaine de la dynamique des fluides environnementale, et en particulier, en hydrodynamique côtière et en hydrologie de surface / souterraine. Dans ce but, on examinera certains problèmes spécifiques, qui permettront d'illustrer les hypothèses de couplages, et d'approfondir la compréhension des phénomènes couplés à partir d'analyses des résultats de modélisation et en comparaison avec des résultats expérimentaux. Bien que cet article soit en partie une revue de travaux récents, certaines méthodes et analyses des résultats n'ont pas été publiées précédemment. De plus, ce travail s'inscrit plus généralement dans le cadre d'un programme d'étude sur différents types d'interactions environnementales, telles que : interactions entre les écoulements dans les sols (au-dessus de la nappe) et dans la zone saturée des aquifères (au-dessous de la nappe) ; interactions entre les eaux de surface et souterraines dans un environnement fluvial (fleuve et plaine d'inondation) ; interactions entre les écoulements côtiers de pleine eau (mer) et les structures poreuses (e.g., oscillations forcées pénétrant et se propageant à travers une page de sable, une digue portuaire, etc.) ; rétroactions entre écoulements et milieux. Cet article commence par une revue générale des concepts de couplages, après quoi nous présentons certaines méthodes plus spécifiques permettant de coupler (en les simplifiant) les écoulements hydrologiques comportant des interactions entre eaux de surface et eaux souterraines, et les écoulements côtiers impliquant la propagation d'oscillations de l'eau de mer à travers une plage de sable (horizontalement, et verticalement). Les sujets suivants sont traités... (1) Ecoulement plan couplé nappe-rivière dans une vallée alluviale (régime moyen saisonnier quasi-permanent), avec hypothèse de continuité de pression à l'interface nappe/rivière, et en utilisant des mesures piézométriques in situ pour les comparaisons. (2) Oscillations de la nappe de plage induites par les vagues, et se propageant à travers la plage de sable dans la direction perpendiculaire à la côte : ce phénomène est étudié numériquement et expérimentalement à l'aide d'un canal à houle contenant une plage inclinée équipée de micro-piézomètres capacitifs. (3) Oscillations tidales de l'écoulement vertical et des profils de pression capillaire dans une colonne de plage partiellement saturée / non saturée soumise à l'effet des marées par sa condition limite inférieure. Ce système est étudié numériquement et expérimentalement grâce à une " machine à marée " (qui est décrite ici en détail). Le but est d'appréhender le rôle des effets capillaires, et de la fréquence du forçage tidal, sur la réponse hydraulique de la colonne de plage partiellement saturée / non saturée. Au moment de la rédaction de cet article, certains des résultats obtenus par la machine à marée sont en cours de réinterprétation. Nous indiquons aussi l'existence d'une récente étude, en cours de développement, sur l'écoulement oscillatoire vertical dans une colonne de plage non pas sous l'effet des marées, mais sous l'effet des vagues intermittentes qui se produisent dans la zone de swash (jet de rive).