A Custom OpenFOAM Solver for Fully-Coupled Surface and Subsurface Hydrological Modelling

Les modèles numériques jouent un rôle essentiel dans l’étude des interactions entre les eaux de surface (SW) et les eaux souterraines (GW). Ils permettent de résoudre les hydrodynamiques complexes et les processus associés, comme le transport de solutés et le transfert de chaleur, qui se produisent à l’interface sédiment-eau sous diversesconditions de forçage. Alors que les approches traditionnelles traitaient séparément les écoulements de surface et souterrains, ou ne considéraient que des rétroactions unidirectionnelles, les avancées en sciences hydrologiques et en puissance de calcul ont conduit au développement de techniques plus sophistiquées, capables de mieux représenter la nature bidirectionnelle des échanges SW-GW. Ces techniques incluent
les modèles entièrement couplés (FCMs) et les modèles entièrement intégrés (FIMs).
Les FIMs résolvent les processus de surface et de subsurface dans un même cadre de calcul via un ensemble unifié d’équations, tandis que les FCMs utilisent des équations spécifiques à chaque domaine et simulent leur interaction par échange itératif de conditions aux limites. Pour simuler l’écoulement de surface, les FCMs recourent souvent aux équations de Navier-Stokes, qui permettent de représenter les dynamiques turbulentes tridimensionnelles (3D) complexes et, ainsi, de tenir compte de leur impact sur les échanges SW-GW. Ces équations sont résolues à l’aide de logiciels de dynamique des fluides numérique, tels qu’OpenFOAM. Grâce à sa structure modulaire et extensible, cette puissante boîte à outils C++ open-source constitue un cadre idéal
pour développer des FCMs personnalisés. En exploitant cette flexibilité, cette thèse développe darcyInterTransportFoam, un nouveau modèle SW-GW 3D entièrement couplé. Il repose sur hyporheicScalarInterFoam, en corrigeant plusieurs limitations liées à l’hétérogénéité des paramètres, aux conditions aux limites et aux processus de transport, qui limitaient son application à des contextes réels. Ces améliorations sont rendues possibles par de nouvelles fonctionnalités, incluant des mises à jour internes et des modules externes, qui élargissent les capacités du modèle. Une description complète des nouveautés, ainsi qu’une évaluation de leurs performances, est présentée. Cette évaluation se fait en deux étapes : (1) la simulation des processus d’écoulement,
de transport de solutés et de transfert de chaleur à l’échelle d’un tronçon de rivière dans deux segments différents d’un système alluvial réel; et (2) la comparaison des performances numériques et de la précision de darcyInterTransportFoam avec celles d’interFoam (FIM standard d’OpenFOAM), via la simulation des rétroactions écoulement–soluté sur un lit de rivière ondulé, synthétique et 3D. En améliorant la représentation des interactions SW-GW, ce travail contribue à l’avancement de la modélisation numérique pour la recherche hydrologique et environnementale.

ABSTRACT
Numerical models play a crucial role in studying surface water-groundwater (SW-GW) interactions. They enable the resolution of complex hydrodynamics and associated processes, such as solute transport and heat transfer, that occur across the sedimentwater interface under varying forcing conditions. While traditional modelling approachestreated SW and GW flows separately or accounted for the interfacial feedback in a unidirectional manner, advances in hydrological science and computational power have enabled the development of more sophisticated techniques that better represent the bidirectional nature of SW-GW exchanges. These include fully-coupled models (FCMs) and fully-integrated models (FIMs). FIMs solve both surface and subsurface processes within a single computational framework using a unified suite of equations, whereas CMs use distinct, domain-specific equations and simulate their interaction through the iterative exchange of boundary conditions across their interface. Among the equations commonly used by FCMs to simulate surface flow, the Navier-Stokes equations enable the resolution of the complex three-dimensional (3D) turbulent dynamics and, therefore, allow the impact of turbulence on the SW–GW exchange to be accounted for. These equations are solved by Computational Fluid Dynamics (CFD) software, such as OpenFOAM. Beyond its standard CFD applications, the modular and extensible structure of this powerful, open-source C++ toolbox makes OpenFOAM an ideal framework for implementing user-defined FCMs. Leveraging this flexibility, the present PhD thesis develops darcyInterTransportFoam, a novel, fully-coupled 3D SW-GW model. The
new solver builds upon hyporheicScalarInterFoam, addressing key modelling limitations in parameter heterogeneity, boundary conditions and transport processes, among others, that previously constrained its applicability to real-world hydrogeological settings. These improvements are achieved through newly implemented simulation features, including internal solver updates and external add-ons, which expand the model’s capabilities for improved SW-GW exchange simulations. A complete description of the modelling novelties, along with an evaluation of their performance, is provided in this thesis. The latter is conducted in two steps: (1) simulating the reach-scale flow, solute transport and heat transfer processes at two different river segments of an actual alluvial system; and (2) comparing the computational demands, efficiency and simulation performance of darcyInterTransportFoam with those of interFoam (standard OpenFOAM FIM) by simulating the flow and solute feedback across a 3D, synthetic rippled streambed. By improving the representation of SW-GW interactions, this work contributes to advancing numerical modelling techniques and their application to hydrological and environmental research.

Accepted on the recommendation of:
Prof. Dr. Philip Brunner, University of Neuchâtel, Switzerland (Thesis Director)
Prof. Dr. Jan H. Fleckenstein, UFZ, Germany (Thesis Co-Director, Rapporteur)
Prof. Dr. Daniel Hunkeler, University of Neuchâtel, Switzerland (Rapporteur)
Prof. Dr. René Therrien, Laval University, Canada (Rapporteur)

Defended: 26th May 2025

No de thèse : 3190