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Using complementarity framework to couple subsurface flow and seepage processes: a physically based basis to integrate hotspots reactivity at the hillslope scale

Authors :
Dreuzy, Jean-Raynald De
Marçais, Jean
Erhel, Jocelyne
Géosciences Rennes (GR)
Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Fluid Flow Analysis, Description and Control from Image Sequences (FLUMINANCE)
Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-AGROCAMPUS OUEST-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
American Geophysical Union
Université de Rennes (UR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)
Université de Rennes (UR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Université de Rennes 2 (UR2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-INSTITUT AGRO Agrocampus Ouest
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique
ANR-11-LABX-0020,LEBESGUE,Centre de Mathématiques Henri Lebesgue : fondements, interactions, applications et Formation(2011)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes (OSUR)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)
Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Institut de Recherche Mathématique de Rennes (IRMAR)
AGROCAMPUS OUEST
Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes 2 (UR2)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-AGROCAMPUS OUEST
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Géosciences Rennes ( GR )
Université de Rennes 1 ( UR1 )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Institut national des sciences de l'Univers ( INSU - CNRS ) -Observatoire des Sciences de l'Univers de Rennes ( OSUR ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Fluid Flow Analysis, Description and Control from Image Sequences ( FLUMINANCE )
Institut de Recherche Mathématique de Rennes ( IRMAR )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -AGROCAMPUS OUEST-École normale supérieure - Rennes ( ENS Rennes ) -Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université de Rennes 2 ( UR2 )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Rennes 1 ( UR1 )
Université de Rennes ( UNIV-RENNES ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture ( IRSTEA ) -Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria )
Dubigeon, Isabelle
Source :
American Geophysical Union Fall Meeting 2016, American Geophysical Union Fall Meeting 2016, American Geophysical Union, Dec 2016, San Francisco, United States. pp.H41H-03, American Geophysical Union Fall Meeting 2016, Dec 2016, San Francisco, United States. pp.H41H-03, 2016
Publication Year :
2016
Publisher :
HAL CCSD, 2016.

Abstract

International audience; Landscape structure and geological heterogeneities are major controls on subsurface flow dynamic. Particularly it has strong impact on saturated areas (potential hotspots) emergence, promoting seepage production. This control leads to highly non linear flow response where, for each hillslope location, two possible states can be distinguished: with or without seepage. Different algorithmic solutions have been proposed to model this process. A solution is to solve subsurface flow for an assumed water table position and then iterate on the water table position until convergence is met. Seepage areas and seepage values are then deduced from the locations where water table intersects surface. A second way to proceed is to explicitly couple groundwater equations and surface water equations with an exchange flux.Here we developed a novel approach using the complementarity framework to reconcile in a single system the two states potentially encountered (with or without seepage). The complementarity framework manages the current state and the possible transition between states thanks to a specifically devoted equation. This framework is applied to the 1D hillslope storage Boussinesq equations (Troch et al. 2003). Reformulating this complementarity system differently enables to partition effectively the local flux balance between storage variation and seepage. This differential algebraic equations (DAEs) system has the major benefit to be directly solvable with built-in ode libraries. Finally the system is regularized to enhance fast and efficient solving. This model is stable with fast spatial convergence. It respects the mass balance locally beyond the tolerance limits and shows limited sensitivity to the value of the regularization parameter. The model appears to be robust, able to solve complex realistic case with presence of landscape heterogeneity and real hydrologic forcing. This model will then be used as a physical basis to implement biogeochemistry reactivity.

Details

Language :
English
Database :
OpenAIRE
Journal :
American Geophysical Union Fall Meeting 2016, American Geophysical Union Fall Meeting 2016, American Geophysical Union, Dec 2016, San Francisco, United States. pp.H41H-03, American Geophysical Union Fall Meeting 2016, Dec 2016, San Francisco, United States. pp.H41H-03, 2016
Accession number :
edsair.dedup.wf.001..999121d3682b15a53fac5336874ad90b