Multi-Scale Surface Water-Groundwater Interaction : Implications for GroundwaterDischarge Patterns

Rivers and aquifers are continuously exchanging water, driven by processes that occur on various temporal and spatial scales, ranging from small streambed features to large geological structures. The interaction between these two components occurs in permeable sediments below the stream channel, called the hyporheic zone. This zone is an important ecotone in which water, energy, and solutes originating from groundwater and stream water mix. The exchange fluxes through the hyporheic zone are controlled by a distribution of hierarchically nested flow cells of different sizes that are generated by a spectrum of spatial scales of the hydraulic head condition. Thus, a multiscale mathematical approach is required to reach a comprehensive understanding of the hyporheic exchange processes. Therefore, this thesis investigates the roles of regional groundwater flow and hyporheic fluxes in a nested flow system within the streambed sediment. Next, the study assesses the importance of regional and local parameters in generalizing the surface water and groundwater interaction. This division of the top-boundary condition in two scale-intervals of the sub-surface flow is arbitrary but facilitates the analytical procedure. The regional groundwater flow field is evaluated using numerical modeling, accounting for the site-specific landscape morphology and geological heterogeneity of a Swedish boreal catchment. An exact spectral solution is applied to the hyporheic flow with account taken to local streambed topography fluctuation. Combinatorial sampling of the modeled flow data and a Monte Carlo simulation are used in a sensitivity analysis to address the uncertainty in hydrostatic and dynamic head contributions to the hyporheic flow field. Then, the impact of the regional groundwater and the hyporheic flows on the nested flow system in aquatic sediment are studied through superpositioning of the flow fields. This is an efficient approach to analyze the nested flow system because the impact on individual scale intervals can be evaluated separately. Additionally, the impacts of streamflow discharge intensity on hyporheic exchange flow fields are investigated through field investigation. In this study, the hyporheic fluxes velocity at the streambed interface were generally at least one order of magnitude higher than groundwater flow velocity. This reflects the domination of hyporheic fluxes at the streambed interface, leading to significant impacts on the discharge of deeper groundwater through the hyporheic zone. Significant effects were found in flow travel time, direction and discharge areas at the streambed sediment. Thus, the upward groundwater flow contracted near the streambed surface and discharged in a fragmented pinhole pattern at the sediment–water interface. The results also indicated that the magnitude of groundwater flow and the heterogeneity of the subsurface sediment (i.e., the depth decaying hydraulic conductivity of streambed sediment) controlled the depth of hyporheic exchange flow in aquatic sediment. Furthermore, the increased stream flow intensity led to a wide range of hyporheic flow residence times in which temperature was used to evaluate stream segments with gaining and losing conditions.Vattendrag och akviferer utbyter vatten på olika tids- och längdskalor på grund av bottenformationer och det omgivande landskapets topografi. Samspelet av flöden på olika skalor sker i de permeabla sedimenten under det strömmande ytvatten, i den så kallade hyporheiska zonen. Den hyporheiska zonen är en viktig ekoton där vatten, energi och lösta ämnen som kommer från grundvatten och strömmande ytvatten blandas. Flödet i den hyporheiska zonen är uppdelat på flödesceller i ett hierkiskt storlekssystem (spektrum) av olika storlekar som omfattar från flodbäddens formationer till det regionala landskapets topografi. Det innebär att vattendragets hyporeiska zon påverkar det storskaliga grundvattnets utströmning och tvärtom att grundvattnets utströmning påverkar den hyporeiska zonen. Således måste matematiska analyser av vattenströmningen täcka hela det breda intervallet av skalor för att uppnå en tillräcklig förståelse av det hyporheiska utbytesprocesser. I denna avhandling gjorde jag en uppdelning av det regionala grundvattenflödet och det hyporheiskt flödet och undersökte deras respektive roller för strömningsinteraktionen i vattendragens sediment, samt bedömde vikten av regionala och lokala parametrar för att generalisera ytvatten- och grundvatteninteraktionen. En särskilt viktig fråga var att dela upp randvillkoret för grundvattenytan på de två skalintervallen och samtidigt ta hänsyn till infiltrationens begränsning för grundvattenytan. Det regionala grundvattenflödet utvärderades med hjälp av numerisk modellering med hänsyn till platsspecifik landskapsmorfologi, geologisk heterogenitet i ett svenskt borealt avrinningsområde och hydrologisk information, som infiltration och vattendrasnätverket. En exakt spektral lösning applicerades på det hyporeiska flödet med hänsyn till vattendragets lokala topografi på skalor som inte förekom i den regionala grundvattenanalysen. Graden av osäkerhet i det hydrostatiska och dynamiska bidragen till det hyporheiska flödet undersöktes genom en kombinatorisk indata av bottentopografi och den s.k. ”damping factor” som beskriver ytans form i förhållande till bottens form (Monte Carlo-simulering). Effekterna av det regionala grundvattenflödet på det hierkiska flödessystemet i den hyporeiska zonen studerades genom att superponera flödesfälten. Superponeringen blir ett effektivt tillvägagångssätt för att analysera flödessystemens interaktion eftersom de två skalintervallen kan utvärderas separat. Den hyporheiska flödeshastigheten befanns i normalfallet vara minst en storleksordning högre än grundvattenflödeshastigheten. Detta återspeglar att det hyporheiska flödet dominerar över grundvattenutströmning i bottensedimenten och ger en betydande inverkan på grundvattenflödets residenstid genom den hyporeiska zonen, riktning och det djupa grundvattnets utströmning genom bottensedimentet. Det utströmmande grundvattnet uppvisade en markant “kontraktion” eller ”konvergens” på grund av det hyporeiska flödet och utströmningsområdena begränsades till fragmenterade, små områden som är fördelade längs botten. Resultaten indikerade att både intensiteten på grundvattenflödet i förhållande till grundvattenutströmningen och heterogeniteten hos sedimentet kontrollerade hur djupt det hyporheiska flödet nådde. Dessutom ledde den ökade flödesintensiteten till ett bredare spektrum av hyporeiska flödestransporttider. I ett fältförsök användes temperaturmätningar för att utvärdera utbredningen av utströmningsområden. Vidare så undersöktes effekterna av en plötslig vattenståndsökning på det hyporheiska flödet med hjälp av en fältstudie där en dammlucka öppnades plötsligt och skapade en flodvåg.QC 20211104