Accurate models to reliably predict sediment and chemical transport in watershed water systems enhance the ability of environmental scientists, engineers and decision makers to analyze the impact of contamination problems and to evaluate the efficacy of alternative remediation techniques and management strategies prior to incurring expense in the field. This dissertation presents the conceptual and mathematical development of a general numerical model simulating (1) sediment and reactive chemical transport in river/stream networks of watershed systems; (2) sediment and reactive chemical transport in overland shallow water of watershed systems; and (3) reactive chemical transport in three-dimensional subsurface systems. Through the decomposition of the system of species transport equations via Gauss-Jordan column reduction of the reaction network, fast reactions and slow reactions are decoupled, which enables robust numerical integrations. Species reactive transport equations are transformed into two sets: nonlinear algebraic equations representing equilibrium reactions and transport equations of kinetic-variables in terms of kinetically controlled reaction rates. As a result, the model uses kinetic-variables instead of biogeochemical species as primary dependent variables, which reduces the number of transport equations and simplifies reaction terms in these equations. For each time step, we first solve the advective-dispersive transport of kinetic-variables. We then solve the reactive chemical system node by node to yield concentrations of all species. In order to obtain accurate, efficient and robust computations, five numerical options are provided to solve the advective-dispersive transport equations; and three coupling strategies are given to deal with the reactive chemistry. Verification examples are compared with analytical solutions to demonstrate the numerical accuracy of the code and to emphasize the need of implementing various numerical options and coupling strategies to deal with different types of problems for different application circumstances. Validation examples are presented to evaluate the ability of the model to replicate behavior observed in real systems. Hypothetical examples with complex reaction networks are employed to demonstrate the design capability of the model to handle field-scale problems involving both kinetic and equilibrium reactions. The deficiency of current practices in the water quality modeling is discussed and potential improvements over current practices using this model are addressed.

Διερευνώνται επιμέρους θέματα διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων που αφορούν στην διασφάλιση της αειφορίας των υπόγειων αποθεμάτων μέσω (α) της προστασία τους έναντι στην υποβάθμιση της ποιότητάς τους που μπορεί να προέλθει από τη διείσδυση του θαλασσινού νερού και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες και (β) της διασφάλισης της κάλυψης των αναγκών σε υπόγειο νερό κατά τις περιόδους αυξημένης ζήτησης. Η διερεύνηση βασίζεται στη χρήση δύο αριθμητικών μοντέλων υπόγειας ροής που λαμβάνουν υπόψη τις διαφορές πυκνότητας μεταξύ γλυκού και αλμυρού νερού και περιλαμβάνει τα ακόλουθα: Παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο διατυπώνονται και επιλύονται οι εξισώσεις που περιγράφουν την υπόγεια ροή υπό την επιρροή διαφορών πυκνότητας σε δύο ευρέως χρησιμοποιούμενα αριθμητικά μοντέλα, που είναι το μοντέλο SEAWAT-2000 (Langevin et al., 2003) και το μοντέλο SUTRA v2.2 (Voss & Provost, 2010). Βάσει των ανωτέρω και της εμπειρίας που αποκτήθηκε από την παράλληλη εφαρμογή τους, οι δύο κώδικες αξιολογούνται συγκριτικά και διατυπώνονται κριτήρια, στα οποία μπορεί να βασιστεί η επιλογή του κατά περίπτωση προσφορότερου κώδικα. Γίνεται η ρύθμιση αριθμητικού μοντέλου, το οποίο είναι βασισμένο στον κώδικα SEAWAT-2000, για τον παράκτιο υδροφορέα του Γλαύκου π., ο οποίος βρίσκεται στα νότια της πόλης των Πατρών και αποτελεί σημαντικό υδατικό πόρο για την περιοχή. Η ρύθμιση του μοντέλου βασίζεται σε μετρήσεις της υπόγειας στάθμης που προέρχονται από ένα σχετικά πυκνό δίκτυο γεωτρήσεων παρατήρησης το οποίο όμως έχει χρονικά περιορισμένη διάρκεια λειτουργίας. Το δίκτυο κατασκευάστηκε στα πλαίσια του προγράμματος INTERREG Ελλάδα – Ιταλία, 2000 – 2006, σε συνεργασία του Εργαστηρίου Υδραυλικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Πατρών και της Δημοτικής Επιχείρησης Ύδρευσης και Αποχέτευσης της Πάτρας (Δ.Ε.Υ.Α.Π.) και ολοκληρώθηκε στα μέσα του 2008. Η διαδικασία ρύθμισης του μοντέλου περιλαμβάνει τα εξής: (α) Τη συστηματική οργάνωση, συνδυασμό και αξιολόγηση των διαθέσιμων πληροφοριών σε λογισμικό συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών. (β) Την εφαρμογή υδραυλικών και στατιστικών μεθόδων σε συνδυασμό με την τροποποίηση και εφαρμογή μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης αντλητικών δοκιμών για τον προσδιορισμό των υδραυλικών χαρακτηριστικών του υδροφορέα. (γ) Τη συνδυαστική ανάλυση υδρολογικών δεδομένων και χρονοσειρών της υπόγειας στάθμης για την εκτίμηση των συνιστωσών του υδρολογικού ισοζυγίου. (δ) Τον καθορισμό κατάλληλων κριτηρίων αξιολόγησης των προσομοιώσεων. (ε) Την εμπειρική ρύθμιση των παραμέτρων του μοντέλου, η οποία επειδή έγινε παράλληλα με την συλλογή των μετρήσεων της υπόγειας στάθμης πραγματοποιήθηκε για δύο περιόδους, κατ’ αρχήν για την περίοδο 2008-2010 και εν συνεχεία για την περίοδο 2010-2012 και (στ) την εκτέλεση προσομοιώσεων Monte Carlo για την πραγματοποίηση καθολικής ανάλυσης ευαισθησίας (global sensitivity analysis, βλ. Saltelli et al., 2004) και τη διερεύνηση ύπαρξης περισσοτέρων συνδυασμών των τιμών των παραμέτρων του μοντέλου που οδηγούν σε παρόμοια αποτελέσματα (equifinality thesis, Beven, 2006). Από τη ρύθμιση του μοντέλου με τη βοήθεια των μετρήσεων της υπόγειας στάθμης που συλλέχτηκαν με το δίκτυο παρατήρησης προέκυψαν πληροφορίες για τους μηχανισμούς εμπλουτισμού του υδροφορέα στις διάφορες περιοχές, κάτι που είναι σημαντικό για τη διαχείρισή του. Το ρυθμισμένο μοντέλο του παράκτιου υδροφορέα του Γλαύκου χρησιμοποιήθηκε για την εξέταση θεμάτων διαχείρισης του υδροφορέα: (α) Προσδιορίστηκαν οι ζώνες τροφοδοσίας των γεωτρήσεων της ΔΕΥΑΠ με χρήση του κώδικα MODPATH v3 (Pollock, 1994) και εκτιμήθηκε η τρωτότητα αυτών των γεωτρήσεων. Διαπιστώθηκε ότι οι γεωτρήσεις που βρίσκονται κοντά στην κοίτη του Γλαύκου, όπως συμβαίνει με πολλές από τις γεωτρήσεις της ΔΕΥΑΠ, αντλούν σχεδόν αποκλειστικά νερό που προέρχεται από τον ποταμό. Έτσι είναι δυνατόν να προσβληθούν από ρυπάνσεις του νερού του ποταμού καθώς επίσης και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες στις παρόχθιες ζώνες. (β) Εκτιμήθηκε ο κίνδυνος διείσδυσης θαλασσινού νερού σε περίπτωση εμφάνισης περιόδων ξηρασίας, για δύο διαφορετικά σενάρια αντλήσεων: ένα σύμφωνα με το σημερινό καθεστώς χρήσης του υπόγειου νερού και ένα για την αύξηση των αντλήσεων κατά 50%. Διαπιστώθηκε ότι για ξηρασία διάρκειας τεσσάρων ετών και αύξηση των αντλούμενων ποσοτήτων τα φαινόμενα υφαλμύρισης θα είναι έντονα. Με την επάνοδο όμως των μέσων υδρολογικών συνθηκών ο υδροφορέας ανακάμπτει. (γ) Για συνθήκες ξηρασίας εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα του τεχνητού εμπλουτισμού για τον περιορισμό της διείσδυσης του θαλασσινού νερού. Ως μέθοδος εμπλουτισμού εξετάστηκε η εποχιακή αύξηση της στάθμης του νερού στον ποταμό με τη βοήθεια φουσκωτών φραγμάτων (βλ. Κωτσοβίνος, 1999). Διαπιστώθηκε ότι με τη μέθοδο αυτή μπορεί να επιτευχθεί σημαντική αύξηση των υπόγειων αποθεμάτων. Τέλος, εξετάζεται ως μέτρο προστασίας έναντι της διείσδυσης του θαλασσινού νερού η τεχνική των υπόγειων φραγμών. Επειδή στις μελέτες της τεχνικής αυτής που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία (π.χ. Luyun et al., 2011) έμφαση δίνεται μόνο στην επιρροή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των φραγμών (απόσταση από την ακτή, βάθος φραγμού), έγινε στην παρούσα εργασία συστηματική διερεύνηση της συναρτησιακής σχέσης ανάμεσα στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου και τα χαρακτηριστικά τόσο των φραγμών όσο και του υδροφορέα (υδραυλική αγωγιμότητα, ανισοτροπία, υδρομηχανική διασπορά, παροχή γλυκού νερού προς τη θάλασσα, αντλήσεις στην παράκτια ζώνη, υλικό κατασκευής του φραγμού). Η διερεύνηση έγινε με τη βοήθεια του αριθμητικού μοντέλου SUTRA 2.2 (Voss and Provost, 2010), για δύο τύπους υπόγειων φραγμών: τους διαφραγματικούς τοίχους και τα υπόγεια φράγματα. Δίδονται διαγράμματα και αναλυτικές σχέσεις με χρήση αδιάστατων μεταβλητών και για εύρος τιμών των μεταβλητών αυτών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαστασιολόγηση φραγμών σε εφαρμογές πεδίου. Βάσει των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τη διερεύνηση της προαναφερθείσας συναρτησιακής σχέσης και χρησιμοποιώντας και το μοντέλο του Γλαύκου, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα της κατασκευής ενός φραγμού περιορισμένου μήκους στον υδροφορέα. Διαπιστώθηκε ότι πέραν του περιορισμού της διείσδυσης αλμυρού νερού σε περιόδους ξηρασίας που επιτυγχάνεται, ο φραγμός επιταχύνει την υποχώρηση της αλμυρής σφήνας όταν επανέλθουν οι συνήθεις υδρολογικές συνθήκες. / In the present study coastal aquifer management issues are investigated. These issues concern measures which ensure the sustainability of the coastal groundwater and particularly: (a) protective measures against the degradation of groundwater caused by saltwater intrusion and human activities and (b) measures allowing the availability of sufficient volumes of fresh groundwater during periods of high demand. The investigation is based on the application of two numerical codes, which are suitable for simulating the groundwater flow under the influence of density differences. The investigation procedure is as follows. The application of the equations of groundwater flow with density differences and transport, the limitations and the advantages are presented for two widely used numerical models, the SEAWAT-2000 code (Langevin et al., 2003) and the SUTRA v.2.2 code (Voss & Provost, 2010). Based on the analysis above and on the experience acquired through the parallel use of the two codes, basic criteria are derived that allow for the selection of the code that best suits the needs of a certain problem. The investigation focuses on the Glafkos coastal aquifer, which is located at north Peloponnese (Greece), south of the city of Patras and is an important source of freshwater for the region. For this aquifer the SEAWAT-2000 code is implemented and calibrated. The model calibration is based on groundwater level time series that were registered by a relatively dense monitoring network, whose operation time, however, is limited. The network of the monitoring wells was constructed during 2007-2008 in cooperation of the Hydraulic Engineering Laboratory (Department of Civil Engineering, University of Patras) and the Municipal Enterprise of Water Supply and Sewage of Patras (DEYAP), in the frame of the project INTERREG IIIA GREECE-ITALY. The calibration procedure is based on: (a) The application of a G.I.S. system to organize, combine, analyse and evaluate the available information. (b) The application of hydraulic and statistical methods combined with the modification and application of pumping tests simulation methods, for the estimation of the hydraulic parameters of the coastal aquifer. (c) The combined analysis of hydrological data and groundwater level time series for the estimation of the aquifers water budget components. (d) The establishment of appropriate criteria for the evaluation of simulation results. (e) The empirical calibration of the model is performed for two periods, i.e. the period 2008-2010 and the period 2010-2012. This procedure is due to the availability of the groundwater level time series which were registered parallel to the model calibration. (f) The application of the Monte-Carlo method in order to investigate the probability that different combinations of model parameters give similar or better simulation results. The model calibration led to a better understanding of the aquifers recharge mechanisms which is crucial for the development of a groundwater management policy and the implementation of a management plan. The calibrated groundwater model of the Glafkos coastal aquifer is used for the investigation and evaluation of coastal aquifer management applications: (a) The capture zones of the municipal production wells are delineated by applying the MODPATH v3 code (Pollock, 1994). It is found out that the production wells that are located close to the Glafkos River, as it is the fact for the majority of the municipal production wells, pump water that originates almost exclusively from the river. Consequently, polluted water from the river or polluting human activities close to the riverbank can affect the quality of the pumped water. (b) The saltwater intrusion risk is estimated, in case of a prolonged drought period. Two cases are investigated; the first considers the current pumping rates of groundwater while the second considers a 50% increased pumping. It is found out that a four-year drought period combined with an increase of the groundwater exploitation will lead to significant saltwater intrusion problems. (c) The applicability and effectiveness of in-channel artificial recharge with the use of rubber dams, as a countermeasure against the saltwater intrusion, which may be induced by a four-year drought period, is investigated. It is found that the method is applicable and effectively reduces the intrusion of saltwater. Further it increases the groundwater storage in the aquifer. Finally, the construction of a cutoff wall which covers only a small part of the aquifers width, is evaluated as a countermeasure to saltwater intrusion problems which may arise in Glafkos coastal aquifer. Due to the fact that existing studies on the technique of the subsurface barriers focus only on the influence of the geometrical characteristics of barriers covering the whole width of the aquifer, a systematic investigation is curried out on the functional relationship between the effectiveness of the barriers and all the parameters influencing it, i.e. the geometrical characteristics of the barriers, the aquifer parameters (the hydraulic conductivity, anisotropy, hydromechanical dispersion, groundwater flow towards the sea) and the pumping rate. The investigation is curried out by the use of the finite element code SUTRA v.2.2 and concerns two types of barriers; the subsurface dams and the cutoff walls. The results include graphs and functional relationships for the assessment of the effect of subsurface dams and cutoff walls and the design of such structures. The results are presented in terms of dimensionless variables, with ranges suitable for field applications. Based on these results, a cutoff wall of small width is designed for the Glafkos coastal aquifer. Its effectiveness is evaluated by applying the calibrated SEAWAT-model of the coastal aquifer. It is shown that the cutoff wall not only reduces the saltwater intrusion during drought periods, but also it reduces the retreat time of the saltwater front under normal hydrological conditions.

Ces travaux de recherche proposent une approche expérimentale pour étudier les capacités de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection des zones humides dans le sous-sol des régions arides terrestres et martiennes et la cartographie géologique de leur proche subsurface. En particulier, l'analyse phasimétrique d'images SAR (bande L) de la Dune du Pyla nous a permis de mettre en évidence un comportement particulier de la différence de phase copolaire, lié à la présence d'une zone humide dans la subsurface. Afin d'interpréter et de modéliser ce phénomène, nous avons développé un modèle analytique de diffusion simple, de type IEM, complété par une expression analytique du terme de diffusion par réflexion multiple. Simulant avec succès le phénomène observé, notre modèle confirme que le signal de phase est généré par le profil d'humidité des structures enfouies occasionnant une composante de diffusion par réflexion multiple. Il a également été montré que ce signal de phase copolaire permet la détection d'interfaces humides à des profondeurs plus importantes que celles autorisées par l'analyse des indicateurs radiométriques classiques. Participant au programme Terrestrial Analog to Mars de la NASA, nous avons également travaillé à la définition des performances d'un système SAR orbital en bande P pour la détection d'humidité dans la proche subsurface de la planète Mars, au moyen de la phase radar. Incluant un terme de diffusion de volume, notre précédent modèle IEM montre que la présence d'hétérogénéités dans les premiers mètres de la croûte martienne pourrait altérer les performances de la différence de phase copolaire pour la détection d'humidité en terme de profondeur d'investigation. Néanmoins, nos résultats de simulations indiquent qu'un tel système SAR, exploitant la phase copolaire, autoriserait la détection de l'humidité et son suivi à l'échelle saisonnière jusqu'à des profondeurs de 3 mètres dans les régions présentant un contexte géologique favorable i.e. une faible concentration de diffuseurs de surface et de proche subsurface. Au-delà de la détection d'humidité des sols, nous avons également cherché à mettre en évidence l'apport de l'imagerie radar pour les applications de cartographie d'interfaces géologiques à grande échelle au moyen de systèmes radar orbitaux. L'analyse polarimétrique de données SIR-C/XSAR pour la Mauritanie a permis de montrer le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection de structures géologiques de surface ainsi que pour la cartographie de la paléo-hydrologie de la proche subsurface en contexte aride. En particulier, nos résultats ont montré que les données polarimétriques fournissent non seulement des éléments d'information sur les mécanismes de diffusion mis en jeu, mais permettent également de différencier les structures de surface par la rugosité qu'elles occasionnent, des structures de subsurface par la diffusion de volume qu'elles génèrent.

Here I study the “plasma interactions with icy bodies in the solar system”, that is, my quest to understand the fundamental processes that govern such interactions. By using numerical modelling combined with in situ observations, one can infer the internal structure of icy bodies and their plasma environments. After a broad overview of the laws governing space plasmas a more detailed part follows. This contains the method on how to model the interaction between space plasmas and icy bodies. Numerical modelling of space plasmas is applied to the icy bodies Callisto (a satellite of Jupiter), the dwarf planet Ceres (located in the asteroid main belt) and the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The time-varying magnetic field of Jupiter induces currents inside the electrically conducting moon Callisto. These create magnetic field perturbations thought to be related to conducting subsurface oceans. The flow of plasma in the vicinity of Callisto is greatly affected by these magnetic field perturbations. By using a hybrid plasma solver, the interaction has been modelled when including magnetic induction and agrees well with magnetometer data from flybys (C3 and C9) made by the Galileo spacecraft. The magnetic field configuration allows an inflow of ions onto Callisto’s surface in the central wake. Plasma that hits the surface knocks away matter (sputtering) and creates Callisto’s tenuous atmosphere. A long term study of solar wind protons as seen by the Rosetta spacecraft was conducted as the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko approached the Sun. Here, extreme ultraviolet radiation from the Sun ionizes the neutral water of the comet’s coma. Newly produced water ions get picked up by the solar wind flow, and forces the solar wind protons to deflect due to conservation of momentum. This effect of mass-loading increases steadily as the comet draws closer to the Sun. The solar wind is deflected, but does not lose much energy. Hybrid modelling of the solar wind interaction with the coma agrees with the observations; the force acting to deflect the bulk of the solar wind plasma is greater than the force acting to slow it down. Ceres can have high outgassing of water vapour, according to observations by the Herschel Space Observatory in 2012 and 2013. There, two regions were identified as sources of water vapour. As Ceres rotates, so will the source regions. The plasma interaction close to Ceres depends greatly on the source location of water vapour, whereas far from Ceres it does not. On a global scale, Ceres has a comet-like interaction with the solar wind, where the solar wind is perturbed far downstream of Ceres. / Här studerar jag “plasmaväxelverkan med isiga kroppar i solsystemet”, det vill säga, min strävan är att förstå de grundläggande processerna som styr sådana interaktioner. Genom att använda numerisk modellering i kombination med observationer på plats vid himlakropparna kan man förstå sig på deras interna strukturer och rymdmiljöer. Efter en bred översikt över de fysiska lagar som styr ett rymdplasma följer en mer detaljerad del. Denna innehåller metoder för hur man kan modellera växelverkan mellan rymdplasma och isiga kroppar. Numerisk modellering av rymdplasma appliceras på de isiga himlakropparna Callisto (en måne kring Jupiter), dvärgplaneten Ceres (lokaliserad i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter) och kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Det tidsvarierande magnetiska fältet kring Jupiter inducerar strömmar inuti den elektriskt ledande månen Callisto. Dessa strömmar skapar magnetfältsstörningar som tros vara relaterade till ett elektriskt ledande hav under Callistos yta. Plasmaflödet i närheten av Callisto påverkas i hög grad av dessa magnetfältsstörningar. Genom att använda en hybrid-plasma-lösare har växelverkan modellerats, där effekten av magnetisk induktion har inkluderats. Resultaten stämmer väl överens med magnetfältsdata från förbiflygningarna av Callisto (C3 och C9) som gjordes av den obemannade rymdfarkosten Galileo i dess bana kring Jupiter. Den magnetiska konfigurationen som uppstår möjliggör ett inflöde av laddade joner på Callistos baksida. Plasma som träffar ytan slår bort materia och skapar Callistos tunna atmosfär. En långtidsstudie av solvindsprotoner sett från rymdfarkosten Rosetta utfördes då kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko närmade sig solen. Ultraviolett strålning från solen joniserar det neutrala vattnet i kometens koma (kometens atmosfär). Nyligt joniserade vattenmolekyler plockas upp av solvindsflödet och tvingar solvindsprotonernas banor att böjas av, så att rörelsemängden bevaras. Denna effekt ökar stadigt då kometen närmar sig solen. Solvinden böjs av kraftigt, men förlorar inte mycket energi. Hybridmodellering av solvindens växelverkan bekräftar att kraften som verkar på solvinden till störst del får den att böjas av, medan kraften som verkar till att sänka dess fart är mycket lägre. Ceres har enligt observationer av rymdteleskopet Herschel under 2012 och 2013 haft högt utflöde av vattenånga från dess yta. Där har två regioner identifierats som källor för vattenångan. Eftersom Ceres roterar kommer källornas regioner göra det också. Plasmaväxelverkan i närheten av Ceres beror i hög grad på vattenångskällans placeringen, medan det inte gör det långt ifrån Ceres. På global nivå har Ceres en kometliknande växelverkan med solvinden, där störningar i solvinden propagerar långt nedströms från Ceres.

<div>With increasing focus on large scale planning and allocation of resources for protection against future flood risk, it is necessary to analyze and improve the deficiencies in the conventional flood modeling approach through a better understanding of the interactions between river hydrodynamics and subsurface processes. Recent studies have shown that it is possible to improve the flood inundation modeling and mapping using physically-based integrated models that incorporate observable data through assimilation and simulate hydrologic fluxes using the fundamental laws of conservation of mass at multiple spatiotemporal scales. However, despite the significance of integrated modeling in hydrology, it has received relatively less attention within the context of flood hazard. The overall aim of this dissertation is to study the heterogeneity in complex physical processes that govern the watershed response during flooding and incorporate these effects in integrated models across large scales for improved flood risk estimation. Specifically, this dissertation addresses the following questions: (1) Can physical process incorporation using integrated models improve the characterization of antecedent conditions and increase the accuracy of the watershed response to flood events? (2) What factors need to be considered for characterizing scale-dependent physical processes in integrated models across large watersheds? (3) How can the computational efficiency and process representation be improved for modeling flood events at large scales? (4) Can the applicability of integrated models be improved for capturing the hydrodynamics of unprecedented flood events in complex urban systems?</div><div><br></div><div>To understand the combined effect of surface-subsurface hydrology and hydrodynamics on streamflow generation and subsequent inundation during floods, the first objective incorporates an integrated surface water-groundwater (SW-GW) modeling approach for simulating flood conditions. The results suggest that an integrated model provides a more realistic simulation of flood hydrodynamics for different antecedent soil conditions. Overall, the findings suggest that the current practice of simulating floods which assumes an impervious surface may not be providing realistic estimates of flood inundation, and that an integrated approach incorporating all the hydrologic and hydraulic processes in the river system must be adopted.</div><div><br></div><div>The second objective focuses on providing solutions to better characterize scale-dependent processes in integrated models by comparing two model structures across two spatial scales and analyzing the changes in flood responses. The results indicate that since the characteristic length scales of GW processes are larger than SW processes, the intrinsic scale (or resolution) of GW in integrated models should be coarser when compared to SW. The results also highlight the degradation of streamflow prediction using a single channel roughness when the stream length scales are increased. A distributed channel roughness variable along the stream length improves the modeled basin response. Further, the results highlight the ability of a dimensionless parameter 𝜂1, representing the ratio of the reach length in the study region to maximum length of the single stream draining at that point, for identifying which streams may require a distributed channel roughness.</div><div><br></div><div>The third objective presents a hybrid flood modeling approach that incorporates the advantages of both loosely-coupled (‘downward’) and integrated (‘upward’) modeling approaches by coupling empirically-based and physically-based approaches within a watershed. The computational efficiency and accuracy of the proposed hybrid modeling approach is tested across three watersheds in Indiana using multiple flood events and comparing the results with fully- integrated models. Overall, the hybrid modeling approach results in a performance comparable to a fully-integrated approach but at a much higher computational efficiency, while at the same time, providing objective-oriented flexibility to the modeler.</div><div><br></div><div>The fourth objective presents a physically-based but computationally-efficient approach for modeling unprecedented flood events at large scales in complex urban systems. The application of the proposed approach results in accurate simulation of large scale flood hydrodynamics which is shown using Hurricane Harvey as the test case. The results also suggest that the ability to control the mesh development using the proposed flexible model structure for incorporating important physical and hydraulic features is as important as integration of distributed hydrology and hydrodynamics.</div>

Compte tenu de l’évolution démographique et climatique planétaire, la gestion de la ressource en eau constitue un défi majeur auquel la communauté internationale devra faire face au cours du XXIème siècle. A cet effet, l'identification de la continuité hydrique entre les eaux de surface et les eaux souterraines permet l'introduction de la notion de gestion intégrée de la ressource. L'application de ce principe de gestion au bassin de la Seine, à travers l'estimation des échanges nappe-rivière, est rendue possible par la mise en pratique du concept d'interface nappe-rivière emboitées au sein de travaux de modélisation. Pour cela une procédure de modélisation multi-échelles peut être mise en place. Elle vise à intégrer des informations locales au sein de modélisation à une échelle supérieure. Dans ce mémoire, une procédure de modélisation multi-échelles est mise en œuvre. Ce protocole de modélisation est initié par une estimation des flux d'eau régionaux au sein de l'hydrosystème Seine. La cohérence globale de ces flux est garantie par le développement d'une méthodologie de calibration de modèles couplés en deux étapes. Ensuite les informations locales, que sont les hétérogénéités de la plaine alluviale de la Bassée et de la représentation des interfaces nappe-rivière du réseau secondaire, sont intégrées au modèle régional par une procédure de modélisation emboitée et de changement d'échelle des paramètres hydrauliques. La mise en place de cette procédure a finalement permis l'estimation fine des échanges nappe-rivière sur la quasi-totalité (83%) du réseau hydrographique naturel du bassin de la Seine et ainsi de répondre aux recommandations de gestion intégrée de la ressource faites par la directive cadre sur l'eau. / Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, by identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water, the concept of integrated water management can be introduced. In this work this management concept is applied on the Seine basin by quantizing hydrological processes occuring at the nested stream-aquifer interface. The implementatin of the nested interface concept can bedone through multi-scale modeling. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. A multi-scale modelling procedures is applied to the regional Seine basin model (70000 km²) in order, to study the hydrodynamic behaviour of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol is initiated with regionals fluxes estimation over Seine hydrosystem. Regional fluxes consistency are assured by a two-step calibration procedure of fully coupled models. Then, the local characteristics of the Bassée alluvial plain, are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulics properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to quantify distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83% of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommandations of the water framework directive.

Ces travaux de recherche proposent une approche expérimentale pour étudier les capacités de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection des zones humides dans le sous-sol des régions arides terrestres et martiennes et la cartographie géologique de leur proche subsurface. En particulier, l'analyse phasimétrique d'images SAR (bande L) de la Dune du Pyla nous a permis de mettre en évidence un comportement particulier de la différence de phase copolaire, lié à la présence d'une zone humide dans la subsurface. Afin d'interpréter et de modéliser ce phénomène, nous avons développé un modèle analytique de diffusion simple, de type IEM, complété par une expression analytique du terme de diffusion par réflexion multiple. Simulant avec succès le phénomène observé, notre modèle confirme que le signal de phase est généré par le profil d'humidité des structures enfouies occasionnant une composante de diffusion par réflexion multiple. Il a également été montré que ce signal de phase copolaire permet la détection d'interfaces humides à des profondeurs plus importantes que celles autorisées par l'analyse des indicateurs radiométriques classiques. Participant au programme Terrestrial Analog to Mars de la NASA, nous avons également travaillé à la définition des performances d'un système SAR orbital en bande P pour la détection d'humidité dans la proche subsurface de la planète Mars, au moyen de la phase radar. Incluant un terme de diffusion de volume, notre précédent modèle IEM montre que la présence d'hétérogénéités dans les premiers mètres de la croûte martienne pourrait altérer les performances de la différence de phase copolaire pour la détection d'humidité en terme de profondeur d'investigation. Néanmoins, nos résultats de simulations indiquent qu'un tel système SAR, exploitant la phase copolaire, autoriserait la détection de l'humidité et son suivi à l'échelle saisonnière jusqu'à des profondeurs de 3 mètres dans les régions présentant un contexte géologique favorable i.e. une faible concentration de diffuseurs de surface et de proche subsurface. Au-delà de la détection d'humidité des sols, nous avons également cherché à mettre en évidence l'apport de l'imagerie radar pour les applications de cartographie d'interfaces géologiques à grande échelle au moyen de systèmes radar orbitaux. L'analyse polarimétrique de données SIR-C/XSAR pour la Mauritanie a permis de montrer le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection de structures géologiques de surface ainsi que pour la cartographie de la paléo-hydrologie de la proche subsurface en contexte aride. En particulier, nos résultats ont montré que les données polarimétriques fournissent non seulement des éléments d'information sur les mécanismes de diffusion mis en jeu, mais permettent également de différencier les structures de surface par la rugosité qu'elles occasionnent, des structures de subsurface par la diffusion de volume qu'elles génèrent.

Ces travaux de recherche proposent une approche expérimentale pour étudier les capacités de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection des zones humides dans le sous-sol des régions arides terrestres et martiennes et la cartographie géologique de leur proche subsurface. En particulier, l'analyse phasimétrique d'images SAR (bande L) de la Dune du Pyla nous a permis de mettre en évidence un comportement particulier de la différence de phase copolaire, lié à la présence d'une zone humide dans la subsurface. Afin d'interpréter et de modéliser ce phénomène, nous avons développé un modèle analytique de diffusion simple, de type IEM, complété par une expression analytique du terme de diffusion par réflexion multiple. Simulant avec succès le phénomène observé, notre modèle confirme que le signal de phase est généré par le profil d'humidité des structures enfouies occasionnant une composante de diffusion par réflexion multiple. Il a également été montré que ce signal de phase copolaire permet la détection d'interfaces humides à des profondeurs plus importantes que celles autorisées par l'analyse des indicateurs radiométriques classiques. Participant au programme Terrestrial Analog to Mars de la NASA, nous avons également travaillé à la définition des performances d'un système SAR orbital en bande P pour la détection d'humidité dans la proche subsurface de la planète Mars, au moyen de la phase radar. Incluant un terme de diffusion de volume, notre précédent modèle IEM montre que la présence d'hétérogénéités dans les premiers mètres de la croûte martienne pourrait altérer les performances de la différence de phase copolaire pour la détection d'humidité en terme de profondeur d'investigation. Néanmoins, nos résultats de simulations indiquent qu'un tel système SAR, exploitant la phase copolaire, autoriserait la détection de l'humidité et son suivi à l'échelle saisonnière jusqu'à des profondeurs de 3 mètres dans les régions présentant un contexte géologique favorable i.e. une faible concentration de diffuseurs de surface et de proche subsurface. Au-delà de la détection d'humidité des sols, nous avons également cherché à mettre en évidence l'apport de l'imagerie radar pour les applications de cartographie d'interfaces géologiques à grande échelle au moyen de systèmes radar orbitaux. L'analyse polarimétrique de données SIR-C/XSAR pour la Mauritanie a permis de montrer le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection de structures géologiques de surface ainsi que pour la cartographie de la paléo-hydrologie de la proche subsurface en contexte aride. En particulier, nos résultats ont montré que les données polarimétriques fournissent non seulement des éléments d'information sur les mécanismes de diffusion mis en jeu, mais permettent également de différencier les structures de surface par la rugosité qu'elles occasionnent, des structures de subsurface par la diffusion de volume qu'elles génèrent.

From the Proceedings of the 1971 Meetings of the Arizona Section - American Water Resources Assn. and the Hydrology Section - Arizona Academy of Science - April 22-23, 1971, Tempe, Arizona / The nitrogen balance of a watershed near the city of New Prague, Minnesota was evaluated as part of an overall study on lake and stream eutrophication. Although the n-balance of a humid Midwest watershed cannot be expected to be identical to that of an arid watershed, the processes are the same and differences should be mainly quantitive. Sources of input and causes of depletion are reviewed for 4 points in the nitrogen cycle: the atmospheric zone, the soil-atmosphere interface, the plant-root and soil-water zone and the surface water zone. In the New Prague watershed, commercial fertilizer and bulk precipitation were the major sources of input, contributing, respectively, 53% and 34.4% of the total input of 2.34 million lb/yr. Crop yield and soil or groundwater storage contributed 52.1% and 20.4% of non-enrichment depletions. The closeness of the values of crop yield and commercial fertilizer application was an unfortunate coincidence and is certainly not an indication that the entire fertilizer supply was taken up cry crops. In an arid environment, free from fertilized agriculture, bulk precipitation probably provides the major source of nitrogen compounds.

This diploma thesis follows my bachelor thesis. The main purpose of the bachelor thesis was to clarify fundamental terms and to explain the sorting of particular parts of a direct flow that involves both the surface saturated flow and the hypodermic flow. This diploma thesis is focusing on the origin of direct flow in a river basin. Specifically, it deals with river sub-basin P6, P52, and P53, which are located in Kopaninský potok river basin. Furthermore, it deals with Jenín I. and II. river basins and the last analysed is Ostřice river basin (SO2). Factors influencing direct flow are researched on all river basins. It is impossible to say that the origin of direct flow is caused solely by a single factor; it is always the result of multiple factors. Among these factors belongs the atmospheric precipitation, type of soil, vegetation, climatic and anthrophogenic conditions, land use, and inclination of the area. The bachelor thesis explains the issues of multiple methods of flow separation, but this diploma thesis is primarily focused on two methods for calculation of ratio between the direct and the total flow. 1) Empirical method GROUND, which is used to separate hydrographs of medium daily river basin flow. 2) Method of digital filter by Lyne Hollick separate fast and slowcomponents from the overall concentrated flow and are based on the theory od signal analysis. Afterwards, the results of flow separation were compared to the factors influencing the origin of the direct flow. The daily total flow rates for every analysed river basin were used as the input data for calculating the flow separation.