Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Land and Water Resources Engineering.
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Land and Water Resources Engineering.
2006 (English)In: Geophysical Research Letters, ISSN 0094-8276, Vol. 33, no L07402Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

It has been long known that land surface topography governs both groundwater flow patterns at the regional-to-continental scale and on smaller scales such as in the hyporheic zone of streams. Here we show that the surface topography can be separated in a Fourier-series spectrum that provides an exact solution of the underlying three-dimensional groundwater flows. The new spectral solution offers a practical tool for fast calculation of subsurface flows in different hydrological applications and provides a theoretical platform for advancing conceptual understanding of the effect of landscape topography on subsurface flows. We also show how the spectrum of surface topography influences the residence time distribution for subsurface flows. The study indicates that the subsurface head variation decays exponentially with depth faster than it would with equivalent two-dimensional features, resulting in a shallower flow interaction.

Place, publisher, year, edition, pages
2006. Vol. 33, no L07402
Keyword [en]
transport; catchments; stream; flow; exchange; systems; storage; zones
National Category
Geophysics Water Engineering
URN: urn:nbn:se:kth:diva-11169DOI: 10.1029/2006GL025747ISI: 000236878800008OAI: diva2:236804
QC 20100802Available from: 2009-09-25 Created: 2009-09-25 Last updated: 2010-12-07Bibliographically approved
In thesis
1. Topographic Control of Groundwater Flow
Open this publication in new window or tab >>Topographic Control of Groundwater Flow
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Gravity is the main driving force for groundwater flow, and both landscape topography and geology distribute the effects of gravity on groundwater flow.  The groundwater table defines the distribution of the potential energy of the water. In humid regions where the bedrock permeability is relatively low and the soil depth is sufficiently shallow, the groundwater table closely follows the landscape topography and, thus, the topography controls the groundwater circulation in these regions. In this thesis, I investigate multi-scale topography-controlled groundwater flow, with the goal of systematizing the spatial distribution of groundwater flow and assessing geological parameters of importance for groundwater circulation.  Both exact solutions and numerical models are utilized for analyzing topography-controlled groundwater flow. The more complex numerical models are used to explore the importance of various simplifications of the exact solutions. The exact solutions are based on spectral representation of the topography and superpositioning of unit solutions to the groundwater flow field. This approach is an efficient way to analyze multi-scaled topography-controlled groundwater flow because the impact of individual topographic scales on the groundwater flow can be analyzed separately.  The results presented here indicate that topography is fractal and affects groundwater flow cells at wide range of spatial scales. We show that the fractal nature of the land surface produces fractal distributions of the subsurface flow patterns. This underlying similarity in hydrological processes also yields a single scale-independent distribution of subsurface water residence times which have been found in distributions of solute efflux from watersheds. Geological trends modify the topographic control of the groundwater circulation pattern and this thesis presents exact solutions explaining the impact of geological layering, depth-decaying and anisotropic hydraulic conductivity on the groundwater flow field. For instance, layers of Quaternary deposits and decaying permeability with depth both increase the importance of smaller topographic scales and creates groundwater flow fields where a larger portion of the water occupies smaller and shallower circulation cells, in comparison to homogeneous systems.

Abstract [sv]

Gravitationen är den mest betydelsefulla drivkraften för grundvattenströmning. Topografin och geologin fördelar vattnets potentiella energi i landskapet. Grundvattenytans läge definierar vattnets potentiella energi, vilket är ett randvillkor för grundvattnets strömningsfält. I humida områden med en relativt tät berggrund och tillräckligt tunna jordlager, följer grundvattenytan landskapets topografi. Därav följer att grundvattenströmningen är styrd av topografin i dessa områden. I denna avhandling belyser jag den flerskaliga topografistyrda grundvattenströmningen. Min målsättning har varit att kvantitativt bestämma grundvattenströmningens rumsliga fördelning samt att undersöka hur olika geologiska parametrar påverkar grundvattencirkulationen. Jag har använt såväl numeriska modeller som analytiska lösningar, för att undersöka hur topografin styr grundvattenströmningen. De numeriska modellerna är mer komplexa än de analytiska lösningarna och kan därför användas för att undersöka betydelserna av olika förenklingar som finns i de analytiska lösningarna. De analytiska lösningarna är baserade på spektralanalys av topografin, samt superponering av enhetslösningar, där varje enhetslösning beskriver hur en specifik topografisk skala påverkar grundvattnets strömningsfält. Detta är ett effektivt tillvägagångssätt för att undersöka flerskaliga effekter av topografin, eftersom påverkan av varje enskild topografisk skala kan studeras separat. Resultaten som presenteras indikerar att topografin är fraktal och att den ger upphov till cirkulationsceller av varierande storlek som även dessa är av en fraktal natur. Denna grundläggande fördelning i grundvattnets strömningsfält ger upphov till att grundvattnets uppehållstid i marken följer ett självlikformigt mönster och kan förklara uppmätta tidsvariationer av lösta ämnens koncentrationer i vattendrag efter regn. Geologiska trender påverkar hur grundvattenströmningen styrs av topografin. De exakta lösningar som presenteras här, beskriver hur geologiska lager samt djupavtagande och anisotropisk hydraulisk konduktivitet påvekar grundvattnets strömning. Exempelvis är betydelsen av mindre topografiska skalor viktigare i områden med kvartära avlagringar och en berggrund med djupavtagande konduktivitet, än i områden med homogen bergrund utan kvartära avlagringar. Dessutom är en större andel strömmande vatten belägen närmare markytan i de förstnämnda områdena.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH, 2009. xiv, 44 p.
Trita-LWR. PHD, ISSN 1650-8602 ; 1052
Groundwater, Modeling, Topography, Spectral analysis, Fourier series, Exact solu-tions, Multi-scale, Grundvatten, Modellering, Topografi, Spektralanalys, Fourier serier, Analytisk lösning, Flerskalig
National Category
Oceanography, Hydrology, Water Resources Other Environmental Engineering
urn:nbn:se:kth:diva-11153 (URN)978-91-7415-377-4 (ISBN)
Public defence
2009-10-14, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH, Stockholm, 10:00 (English)
QC 20100802Available from: 2009-09-25 Created: 2009-09-23 Last updated: 2010-08-02Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Wörman, AndersMarklund, L.ars
By organisation
Land and Water Resources Engineering
In the same journal
Geophysical Research Letters
GeophysicsWater Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 341 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link