Numerical modeling of flow and solute transport phenomena in subsurface and coupled surface-subsurface hydrology

Lo scopo di questa tesi e' fornire dei contributi all'idrologia e alla modellazione idrologica nell'ambito di un modello numerico specifico, il modello CATchment HYdrology Flow-Transport (CATHY_FT), utilizzato per simulare processi integrati di superficie e sotterranei e di flusso e trasporto. Questi contributi riguardano tre temi principali: il miglioramento del comportamento numerico di modelli idrologici che simulano fenomeni di flusso e trasporto, l'approfondimento di condizioni al contorno complesse con l'obbiettivo di ridurre gli errori relativi alla loro modellazione e il test e l'analisi comparativa di modelli a base fisica utilizzati per simulare processi di flusso e trasporto sotterranei. Il lavoro per raggiungere l'obbiettivo generale viene diviso in quattro step. Nel primo step l'algoritmo di Larson-Niklasson e' implementato in CATHY_FT per ricostruire velocita' conservatrici della massa a partire da una soluzione lineare (o P1) di Galerkin dell'equazione di Richards, in modo da permettere al modello di trasporto avvettivo (basato sui volumi finiti) di conservare la massa, cosa che dipende strettamente dall'accuratezza del campo di velocita' che questo utilizza. Confrontando i risultati ottenuti con le velocita' derivanti dalla soluzione P1 di Galerkin e quelle ricostruite, viene mostrato che un campo di velocita' localmente conservativo e' necessario per ottenere risultati accurati con il trasporto. Nella seconda fase viene effettuata un'analisi dettagliata del comportamento delle condizioni ai limiti nella zona del fronte di infiltrazione con il modello di flusso di CATHY_FT. Le simulazioni numeriche esaminano il comportamento del modello in condizioni complesse come quelle di eterogeneita' e di flusso di superficie e sotterraneo accoppiato. Viene dimostrato che la soluzione numerica puo' essere fortemente influenzata dal modo in cui la zona di infiltrazione viene trattata nei modelli idrologici e che considerazioni accurate sono sempre necessarie quando si usano approssimazioni, in presenza di versanti eterogenei e per le zone di infiltrazione che si formano nella superficie terrestre. Come terzo step, CATHY_FT viene testato al Landscape Evolution Observatory del Biosphere 2 in Arizona. Viene eseguita un'analisi dettagliata di dati sperimentati raccolti durante un esperimento di tracciante isotopico e da un versante artificiale intensivamente controllato. Le informazioni comprendono la qualita' e la quantita' della portata sotterranea e dati puntuali di flusso e trasporto. Questi dati di flusso e tracciante sono utilizati per esplorare fenomeni complessi e le ipotesi associate (e.g., eterogeneita', frazionamento e dispersione), procedendo dalla risposta di flusso a quella di trasporto e dalla risposta integrata a quella puntuale. Questo approccio incrementale evidenzia le sfide legate alla validazione della nuova generazione di modelli idrologici integrati quando si guarda a diversi tipi e livelli di dati osservati. Infine, viene eseguita un'analisi conclusiva che si lega a tutti e tre i temi della tesi, descrivendo alcune caratteristiche del modello CATHY_FT, discutendo problemi chiave legati al suo sviluppo futuro e testando il suo compertamento fisico e numerico sia per scenari sintetici che reali. Questo step finale della tesi affronta la miriade di sfide legate alla risoluzione accurata ed efficace del comportamento difficile dell'equazione di avezione-dispersione per processi di trasporto di soluto sotterraneo, alla risoluzione appropriata delle condizioni ai limiti complesse per rappresentare le interazioni di soluto attraverso la superficie terrestre e, in generale, alla rappresentazione delle interazioni tra i fenomeni di flusso e trasporto nell'ambiente superficiale e sotterraneo.