Download - Coupled Surface and Saturated/Unsaturated Ground Water ......Coupled Surface and Saturated/Unsaturated Ground Water Flow in Heterogeneous Media Heiko Berninger∗, Ralf Kornhuber,

Transcript
  • Coupled Surface and Saturated/Unsaturated

    Ground Water Flow in Heterogeneous Media

    Heiko Berninger∗, Ralf Kornhuber, and Oliver Sander

    Université de Genève∗, Freie Universität Berlin and Matheon

    Multiscale Simulation & Analysis in Energy and the Environment,

    Radon Special Semester 2011

  • Outline

    Richards equation with homogeneous equations of state: Berninger, Kh. & Sander 10

    • solver friendly finite element discretization: linear efficiency and robustness

    Heterogeneous equations of state: Thesis of Berninger 07, Berninger, Kh. & Sander 07,09,...

    • nonlinear domain decomposition: linear efficiency and robustness

    Coupled Richards and shallow water equations: Ern et al. 06, Sochala et al. 09, Dawson 08, Berninger et al. 11

    • continuous of mass flow and discontinuous pressure (clogging)

    • mass conserving discretization (discontinuous Galerkin, ...) Dedner et al. 09, ...

    • Steklov–Poincaré formulation and substructuring

    • numerical experiments

    All computations made with Dune Bastian, Gräser, Sander, ...

  • Outline

    Richards equation with homogeneous equations of state: Berninger, Kh. & Sander 10

    • solver friendly finite element discretization: linear efficiency and robustness

    Heterogeneous equations of state: Thesis of Berninger 07, Berninger, Kh. & Sander 07,09,...

    • nonlinear domain decomposition: linear efficiency and robustness

    Coupled Richards and shallow water equations: Ern et al. 06, Sochala et al. 09, Dawson 08, Berninger et al. 11

    • continuous of mass flow and discontinuous pressure (clogging)

    • mass conserving discretization (discontinuous Galerkin, ...) Dedner et al. 09

    • Steklov–Poincaré formulation and substructuring

    • numerical experiments

    All computations made with Dune Bastian, Gräser, Sander, ...

  • Runoff Generation for Lowland Areas

    γE

    γSP

    saturated

    γD

    h

    γSP

    γE

    vadose

    mathematical challenges:

    • saturated/unsaturated ground water flow: non-smooth degenerate pdesl Signorini-type bc (seepage face)

    • coupling subsurface and surface water: heterogeneous domain decomposition

    • uncertain parameters (permeability, ...): stochastic pdes Forster & Kh. 10, Forster 11

  • Saturated/Unsaturated Groundwater Flow: Richards Equation

    ∂tθ(p) + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz)

    equations of state: (Brooks & Corey, Burdine)

    θ(p) =

    {

    θm + (θM − θm)(

    ppb

    )−ε

    (p ≤ pb)

    θM (p ≥ pb)kr(θ) =

    (

    θ − θmθM − θm

    )3+2ε

    −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 50

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    0.9

    1

    saturation vs. pressure: p 7→ θ(p)

    0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    0.9

    1

    relative permeability vs. saturation: θ 7→ kr(θ)

  • Saturated/Unsaturated Groundwater Flow: Richards Equation

    ∂tθ(p) + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz)

    equations of state: (Brooks & Corey, Burdine)

    θ(p) =

    {

    θm + (θM − θm)(

    ppb

    )−ε

    (p ≤ pb)

    θM (p ≥ pb)kr(θ) =

    (

    θ − θmθM − θm

    )3+2ε

    −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 50

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    0.9

    1

    saturation vs. pressure: p 7→ θ(p)

    pb, ε → 0

    0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    0.9

    1

    relative permeability vs. saturation: θ 7→ kr(θ)

  • Homogeneous Equations of State Alt & Luckhaus 83, Otto 97

    Kirchhoff Transformation: κ(p) :=

    ∫ p

    0

    kr(θ(q)) dq =⇒ ∇κ(p) = kr(θ(p))∇p

    −3 −1 0 3−4/3

    −1

    0

    3

    generalized pressure: u := κ(p)

    −2 −4/3 −1 0 20

    0.21

    0.95

    1

    M(u) := θ(κ−1(u))

    separation of ill–conditioning and numerical solution: semilinear variational equation

    u(t) ∈ H10(Ω) :

    M(u)t v dx+

    (

    K∇u−kr(M(u))̺gez)

    ∇v dx = 0 ∀v ∈ H10(Ω)

  • Solver-Friendly Discretization

    lumped implicit/explicit-upwind discretization in time, finite elements Sj ⊂ H10(Ω):

    un+1j ∈ Sj :

    ISj(M(un+1j ) v) dx+

    τK∇un+1j ∇v dx = ℓunj (v) ∀v ∈ Sj

    equivalent convex minimization problem

    uj ∈ Sj : J (uj) + φj(uj) ≤ J (v) + φj(v) ∀v ∈ Sj

    quadratic energy J (v) = 12 (τK∇v,∇v) − ℓunj (v)

    convex, l.s.c., proper functional φj(v) =∑

    Φ(v(p)) hp =∫

    ΩISj(Φ(v)) dx

    nonlinear convex function Φ : R → R ∪ {+∞} with ∂Φ = M

  • Algebraic Solution: Monotone Multigrid Kh. 99, 02, Gräser & Kh. 07

    • given iterate uνj

    • fine grid smoothing:− successive 1D minimization of J + φj in direction of nodal basis functions of Sj:

    1 step of nonlinear Gauss–Seidel iteration → smoothed iterate ūνj

    • coarse grid correction:

    − Newton linearization of M(u) at ūνj− constrain corrections to smooth regime of M

    1 step of damped MMG → new iterate uν+1j

    =⇒ (J + φj)(uν+1j ) ≤ (J + φj)(u

    νj )

    0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.140

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    1.6

    1.8

    ���

    ���

    ūνj (p) u

    M(u)

    Theorem: (for V –cycle)Global convergence and asymptotic multigrid convergence ∀ −pb, ε ≥ 0 (robustness).

  • Algebraic Solution: Monotone Multigrid Kh. 99, 02, Gräser & Kh. 07

    • given iterate uνj

    • fine grid smoothing:− successive 1D minimization of J + φj in direction of nodal basis functions of Sj:

    1 step of nonlinear Gauss–Seidel iteration → smoothed iterate ūνj

    • coarse grid correction:

    − Newton linearization of M(u) at ūνj− constrain corrections to smooth regime of M

    1 step of damped MMG → new iterate uν+1j

    =⇒ (J + φj)(uν+1j ) ≤ (J + φj)(u

    νj )

    0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.140

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    1.6

    1.8

    ���

    ���

    ūνj (p) u

    M(u)

    Signorini condition

    0

    Theorem: (for V –cycle)Global convergence and asymptotic multigrid convergence ∀ −pb, ε ≥ 0 (robustness).

  • Solver–Friendly Discretization

    • Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete minimization problem for uj

    • algebraic solution by monotone multigrid (descent method!)

    • inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly Discretization

    • Kirchhoff transformation: u = κ(p)

    • discretization: discrete minimization problem for uj

    • algebraic solution by monotone multigrid (descent method!)

    • inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly Discretization

    • Kirchhoff transformation: u = κ(p)

    • discretization: discrete minimization problem for uj

    • algebraic solution by monotone multigrid (descent method!)

    • inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly Discretization

    • Kirchhoff transformation: u = κ(p)

    • discretization: discrete minimization problem for uj

    • algebraic solution by monotone multigrid

    • inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly Discretization

    • Kirchhoff transformation: u = κ(p)

    • discretization: discrete minimization problem for uj

    • algebraic solution by monotone multigrid

    • discrete inverse Kirchhoff transformation: pj = Ij(κ−1(uj))

  • Reinterpretation and Convergence Analysis Berninger, Kh. & Sander 10

    reinterpretation in terms of physical variables:

    inexact finite element discretization with special quadrature points

    convergence properties:

    generalized variables: uj → u and M(uj) → M(u) in H1(Ω)

    physical variables pj → p and θj(pj) = Ij (M(uj)) → θ(p) in L2(Ω)

  • Reinterpretation and Convergence Analysis Berninger, Kh. & Sander 10

    reinterpretation in terms of physical variables:

    inexact finite element discretization with special quadrature points

    convergence properties:

    generalized variables: uj → u and M(uj) → M(u) in H1(Ω)

    physical variables pj → p and θj(pj) = Ij (M(uj)) → θ(p) in L2(Ω)

  • Experimental Order of L2-Convergence

    model problem: time discretized Richards equation without gravity

    physical parameters: Ω = (0, 2)× (0, 1), sandy soil → ε, θm, θM , pb, n

    triangulation; uniformly refined triangulation T11 (8 394 753 nodes)

    1e-07

    1e-06

    1e-05

    0.0001

    0.001

    0.01

    0.1

    1

    0.0001 0.001 0.01 0.1 1

    L2-e

    rror

    mesh size h

    1e-07

    1e-06

    1e-05

    0.0001

    0.001

    0.01

    0.1

    1

    10

    0.0001 0.001 0.01 0.1 1

    L2-e

    rror

    mesh size h

    generalized pressure u physical pressure p

  • Experimental Order of H1-Convergence

    model problem: time discretized Richards equation without gravity

    physical parameters: Ω = (0, 2)× (0, 1), sandy soil → ε, θm, θM , pb, n

    triangulation; uniformly refined triangulation T11 (8 394 753 nodes)

    0.001

    0.01

    0.1

    1

    10

    0.0001 0.001 0.01 0.1 1

    H1-e

    rror

    mesh size h

    0.001

    0.01

    0.1

    1

    10

    0.0001 0.001 0.01 0.1 1

    H1-e

    rror

    mesh size h

    generalized pressure u physical pressure p

  • Evolution of a Wetting Front in a Porous Dam

    physical parameters: Ω = (0, 2)× (0, 1), sand → ε, θm, θM , pb, n

    triangulation; uniformly refined triangulation T4 (216 849 nodes)

    initial wetting front wetting front for t = 100s pressure pj

  • Efficiency and Robustness of Monotone Multigrid (MMG)

    pre- and postsmoothing steps: V(3,3) cycle

    0 20 40 60 80 1000

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    from unsaturated... ...to saturated soil

    t = 0 convergence rates ρ over time t t = 250s

  • Robustness with respect to Soil Parameters

    10−2

    10−1

    100

    1010

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    10−2

    10−1

    100

    1010

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    variation of ε: variation of −pb:

    ρave over ε ρave over −pb

  • Part II: Heterogeneous Equations of State

    Spatially varying equations of state: no global Kirchhoff transformation!

    Ω =⋃N

    i=1Ωi

    θ = θ(x, p) = θi(p) ∀x ∈ Ωi

    kr = kr(x, θ) = kri(θ) ∀x ∈ Ωi

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    Jumping soil parameters ε, pbnonlinear domain decomposition: Berninger & Kh. 07, Berninger 07, ...

    physical transmission conditions: continuity of p and normal flux v · n

    generalized transmission conditions: κ−1i (ui) = κ−1j (uj) and ∇ui = ∇uj

    nonlinear Dirichlet-Neumann and Robin methods

    efficient and robust subdomain solvers: monotone multigrid

  • Part II: Heterogeneous Equations of State

    Spatially varying equations of state: no global Kirchhoff transformation!

    Ω =⋃N

    i=1Ωi

    θ = θ(x, p) = θi(p) ∀x ∈ Ωi

    kr = kr(x, θ) = kri(θ) ∀x ∈ Ωi

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    Jumping soil parameters ε, pbnonlinear domain decomposition: Berninger & Kh. 07, Berninger 07, ...

    physical transmission conditions: continuity of p and normal flux v · n

    generalized transmission conditions: κ−1i (ui) = κ−1j (uj) and ∇ui = ∇uj

    nonlinear Dirichlet-Neumann and Robin methods

    efficient and robust subdomain solvers: monotone multigrid

  • Solver–Friendly (?) Discretization

    • transmission problem

    • local Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete nonlinear transmission problem

    • algebraic solution by domain decomposition (fast local solvers!)

    • local inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly (?) Discretization

    • transmission problem

    • local Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete nonlinear transmission problem

    • algebraic solution by domain decomposition (fast local solvers!)

    • local inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly (?) Discretization

    • transmission problem

    • local Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete nonlinear transmission problem

    • algebraic solution by domain decomposition (fast local solvers!)

    • local inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly (?) Discretization

    • transmission problem

    • local Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete nonlinear transmission problem

    • algebraic solution by domain decomposition (fast local solvers!)

    • local inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly (?) Discretization

    • transmission problem

    • local Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete nonlinear transmission problem

    • algebraic solution by domain decomposition (fast local solvers!)

    • local inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Solver–Friendly (?) Discretization

    • transmission problem

    • local Kirchhoff transformation

    • discretization: discrete nonlinear transmission problem

    • algebraic solution by domain decomposition (fast local solvers!)

    • local inverse discrete Kirchhoff transformation

  • Nonoverlapping Domain Decomposition Problem

    Richards equation (time-discretized) in two different soils:

    θ(x, p) = θi(p), k(x, p) = ki(p) ∀x ∈ Ωi, i = 1, 2,

    θi monotonically increasing and Lipschitz, ki ∈ L∞(R), ki ≥ c > 0.

    Find p on Ω, p|Ωi = pi ∈ H1(Ωi), i = 1, 2, p|∂Ω = 0, such that

    θi(pi)− div(ki(pi)∇pi) = f on Ωi

    p1 = p2 on Γ

    k1(p1)∇p1 · n = k2(p2)∇p2 · n on Γ

    Ω1Ω2

    Γ

    n

  • Nonoverlapping Domain Decomposition Problem

    Richards equation (time-discretized) in two different soils:

    θ(x, p) = θi(p), k(x, p) = ki(p) ∀x ∈ Ωi, i = 1, 2,

    θi monotonically increasing and Lipschitz, ki ∈ L∞(R), ki ≥ c > 0.

    Find p on Ω, p|Ωi = pi ∈ H1(Ωi), i = 1, 2, p|∂Ω = 0, such that

    θi(pi)− div(ki(pi)∇pi) = f on Ωi

    p1 = p2 on Γ

    k1(p1)∇p1 · n = k2(p2)∇p2 · n on Γ

    Ω1Ω2

    Γ

    n

    Kirchhoff transformation (different superposition operators on subdomains):

    κi(pi) =

    ∫ pi

    0

    ki(q) dq = ui

  • Transformations in each Subdomain

    Properties:

    − κ′i = ki a.e. =⇒ κi strictly increasing, Lipschitz and inverse Lipschitz

    − c2∫

    Ωi|∇pi|

    2 ≤∫

    Ωi|∇ui|

    2 ≤ ‖ki‖2∞

    Ωi|∇pi|

    2 ⇒ ‖ui|Γ‖H1/200 (Γ)∼ ‖pi|Γ‖H1/200 (Γ)

    Transformed problem:

    Find u on Ω, u|Ωi = ui ∈ H1(Ωi), i = 1, 2, u|∂Ω = 0, such that

    Mi(ui)−∆ui = f on Ωi

    κ−11 (u1) = κ−12 (u2) on Γ

    ∂u1∂n

    =∂u2∂n

    on Γ

  • Analysis by Steklov–Poincaré Operators

    • For given Dirichlet-value η ∈ Λ = H1/200 (Γ) find wi ∈ H

    1(Ωi), wi|∂Ω = 0, with

    Mi(wi)−∆wi = f in Ωi,

    wi = κi(η) on Γ

    and set Siη =∂wi∂ni

    ∈ Λ′, the Neumann-value.

  • Analysis by Steklov–Poincaré Operators

    • For given Dirichlet-value η ∈ Λ = H1/200 (Γ) find wi ∈ H

    1(Ωi), wi|∂Ω = 0, with

    Mi(wi)−∆wi = f in Ωi,

    wi = κi(η) on Γ

    and set Siη =∂wi∂ni

    ∈ Λ′, the Neumann-value.

    • With the Dirichlet-to-Neumann-maps or Steklov–Poincaré operators S1, S2:

    Find λ ∈ Λ such that

    Sλ = S1λ+ S2λ =∂u1∂n1

    +∂u2∂n2

    = 0 in Λ′

    is equivalent to the substructuring problem.

  • Nonlinear Dirichlet–Neumann Method

    With damping parameter ϑ ∈ (0, 1) and given iterate λ0 on Γ :

    M1(uk+11 )−∆u

    k+11 = f on Ω1

    uk+11 = 0 on ∂Ω1 ∩ ∂Ω

    uk+11 = κ1(λk) on Γ

    M2(uk+12 )−∆u

    k+12 = f on Ω2

    uk+12 = 0 on ∂Ω2 ∩ ∂Ω

    ∂uk+12∂n =

    ∂uk+11∂n on Γ

    λk+1 := κ−12 (ϑuk+12 |Γ + (1− ϑ)κ2(λ

    k))

  • Nonlinear Dirichlet–Neumann Method

    With damping parameter ϑ ∈ (0, 1) and given iterate λ0 on Γ :

    M1(uk+11 )−∆u

    k+11 = f on Ω1

    uk+11 = 0 on ∂Ω1 ∩ ∂Ω

    uk+11 = κ1(λk) on Γ

    M2(uk+12 )−∆u

    k+12 = f on Ω2

    uk+12 = 0 on ∂Ω2 ∩ ∂Ω

    ∂uk+12∂n =

    ∂uk+11∂n on Γ

    λk+1 := κ−12 (ϑuk+12 |Γ + (1− ϑ)κ2(λ

    k))

    For Mi = 0 (stationary case): Convergence in 1D for small ϑ if 0 < c ≤ κ′i(·) ≤ C.

  • Stationary Richards Equation: Strongly Heterogeneous Case

    − domain: unit Yin Yang Ω = Ω1 ∪ Ω2

    − hydrological data: USDA soil texture triangle (Maidment)

    Ω1 (grey clay): ε2 = 0.165, pb,2 = −0.373 [m],

    K1 = 1.67 · 10−7 [m/s]

    Ω2 (white sand): ε1 = 0.694, pb,1 = −0.073 [m],

    K2 = 6.54 · 10−5 [m/s]

    − Right hand side:

    source (f1 = 5 · 10−5) in grey circle

    sink (f2 = −2.5 · 10−3) in white circle

    − no gravity term

    Ω1

    Ω2

    − discretization: uniformly refined triangulations T0 – T7 (938 000 nodes)

  • Solution

    Physical pressure p:

    Ranges: p1 ∈ [−56.1, 0.0] (clay)

    p2 ∈ [−36.2, 3.0] (sand)pi smooth across pi = pb,i

    p nonsmooth across Γ

  • Comparison of Nonlinear and Linear Dirichlet–Neumann Method

    • linear case: mesh-independence for sufficiently small damping parameter (proof)

    • nonlinear case:

    (i) mesh-independence for sufficiently small damping parameter (proof in 1D)

    (ii) numerical mesh-independence (observed in 2D)

    (iii) mildly heterogeneous data:much damping (ϑopt ≈ 0.17) needed for acceptable optimal rates ρopt ≈ 0.77

    (iv) strongly heterogeneous data:little damping (ϑopt ≈ 0.85) needed for good optimal rates ρopt ≈ 0.15

    • general observation:jumping diffusion coefficients K1/K2 ≫ 1 seem to improve convergence

  • Nonlinear Robin Method Gustave Robin (1855–1897)

    With acceleration parameters γ1, γ2 > 0 and given u02 :

    M1(uk+11 )−∆u

    k+11 = f on Ω1

    uk+11 = 0 on ∂Ω1 ∩ ∂Ω

    ∂uk+11∂n + γ1κ

    −11 (u

    k+11 ) =

    ∂uk2∂n + γ1κ

    −12 (u

    k2) on Γ

    M2(uk+12 )−∆u

    k+12 = f on Ω2

    uk+12 = 0 on ∂Ω2 ∩ ∂Ω

    ∂uk+12∂n − γ2κ

    −12 (u

    k+12 ) =

    ∂uk+11∂n − γ2κ

    −11 (u

    k+11 ) on Γ

  • Nonlinear Robin Method Gustave Robin (1855–1897)

    With acceleration parameters γ1, γ2 > 0 and given u02 :

    M1(uk+11 )−∆u

    k+11 = f on Ω1

    uk+11 = 0 on ∂Ω1 ∩ ∂Ω

    ∂uk+11∂n + γ1κ

    −11 (u

    k+11 ) =

    ∂uk2∂n + γ1κ

    −12 (u

    k2) on Γ

    M2(uk+12 )−∆u

    k+12 = f on Ω2

    uk+12 = 0 on ∂Ω2 ∩ ∂Ω

    ∂uk+12∂n − γ2κ

    −12 (u

    k+12 ) =

    ∂uk+11∂n − γ2κ

    −11 (u

    k+11 ) on Γ

    convergence in 1D if 0 < c ≤ κ′i(·) ≤ C andMi : R → R Lipschitz continuous and monotonically increasing, i = 1, 2.

  • Properties of the Linear Robin Method Lions 90, Gander 04, Liu 06, Dubois 07

    • no mesh-independence in general. O.K.

    • convergence speed can be increased by a good choice of Robin parameters. O.K.

    • for γ1 = γ2 = γ one has the asymptotic behaviour

    γopt = O(h−1/2) and ρopt = 1−O(h

    1/2). O.K.

    • for possibly different γ1 and γ2 one has the improved asymptotic behaviour

    γopt = O(h−1/4) and ρopt = 1−O(h

    1/4). quite O.K.

    • for possibly different γ1 and γ2 and jumping diffusion coefficients K1/K2 > 1

    one can even obtain ρopt = 1/µ−O(h1/4/µ), i.e. mesh-independence. O.K.

    • optimal Robin tends to undamped Dirichlet-Neumann for K1/K2 → ∞ O.K.

  • Comparison of Nonlinear and Linear Robin Method

    • no mesh-independence in general. O.K.

    • convergence speed can be increased by a good choice of Robin parameters. O.K.

    • for γ1 = γ2 = γ one has the asymptotic behaviour

    γopt = O(h−1/2) and ρopt = 1−O(h

    1/2). O.K.

    • for possibly different γ1 and γ2 one has the improved asymptotic behaviour

    γopt = O(h−1/4) and ρopt = 1−O(h

    1/4). quite O.K.

    • for possibly different γ1 and γ2 and jumping diffusion coefficients K1/K2 > 1

    one can even obtain ρopt = 1/µ−O(h1/4/µ), i.e. mesh-independence. O.K.

    • optimal Robin tends to undamped Dirichlet-Neumann for K1/K2 → ∞ O.K.

  • Robustness: Dirichlet–Neumann Berninger, Kh. & Sander 11

    problem: unit Yin Yang problem with homogeneous soil (sand / sand)

    10−2

    10−1

    100

    1010

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    −101

    −100

    −10−1

    −10−20

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    variation of ε: variation of pb:

    ρave over ε ρave over pb

  • Conclusion of Numerical Experiments Berninger, Kh. & Sander 09

    Nonlinear Dirichlet-Neumann and Robin methods

    behave surprisingly similar as in the linear case.

  • Part III: Coupling of Ground and Surface Water

    non-moving surface water: compartment model

    mass conservation: m′(t) =∫

    γD∪γSPv(x, p) · n dσ

    hydrostatic pressure: p = h(m)ρg on γD, Signorini b.c. on γSP ∪ γE

    γE

    γSP

    saturated

    γD

    h

    γSP

    γE

    vadose

    discretization: explicit Euler method

  • Compartment Model with Heterogeneous Dam Berninger 07

    flow of water through into a 2D-domain

    with 4 different soils and surface water:

    − soil types (from top to bottom):

    sand, loamy sand, sandy loam, loam

    soil parameters: εi ∈ [0.252, 0.694],

    Ki ∈ [3.67 · 10−6, 6.54 · 10−5],

    pb,i ∈ [−0.147,−0.073], i = 1, 2, 3, 4

    − initial condition: p0 = −10 (dry soil) and surface water

    − boundary conditions: dynamic Dirichlet/Signorini and surface water on the top

    −v · n = 3 · 10−4 [m/s] on the left and v · n = 0 elsewhere

    − discretization: implicit/explicit Euler (time step size 10 [s]), FE (h = 1/24)

    − domain decomposition: nonlinear Robin method (γ = 10−4)

    − local solver: monotone multigrid (3 levels, accuracy 10−12 in H1-norm w.r.t. u)

  • Coupling of Richards Equation with the Shallow Water Equations

    (R) θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω ⊂ Rd

    (S1) mass conservation: ht + div q = gS on Γ

    (S2) momentum conservation: qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ

    coupling: mass flux gS = v · n hydrostatic pressure: p = ̺gh on Γ

    Γ

  • Coupling of Richards Equation with the Shallow Water Equations

    (R) θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω ⊂ Rd

    (S1) mass conservation: ht + div q = gS on Γ

    (S2) momentum conservation: qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ

    coupling: mass flux: gS = v · n hydrostatic pressure: p = ̺gh on Γ

    Γ

  • Coupling of Richards Equation with the Shallow Water Equations

    (R) θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω ⊂ Rd

    (S1) mass conservation: ht + div q = gS on Γ

    (S2) momentum conservation: qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ

    coupling: mass flux: gS = v · n hydrostatic pressure: p = ̺gh on Γ

    Γ

  • Coupling of Richards Equation with the Shallow Water Equations

    (R) θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω ⊂ Rd

    (S1) mass conservation: ht + div q = gS on Γ

    (S2) momentum conservation: qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ

    coupling: mass flux: gS = v ·n discont. pressure: p = ̺gh+α div(q/h) on Γ

    Jäger–Mikelić condition (Navier–Stokes/Darcy):

    pD = pN − αn ·∂uN∂n on Γ and n ·

    ∂uN∂n = O(ε), ε = char. pore size.

    shallow water equations on Γ: n · ∂uN∂n ≈∂∂zuz = −

    ∂∂xux −

    ∂∂yuy = −div(q/h).

  • Coupling of Richards Equation with the Shallow Water Equations

    (R) θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω ⊂ Rd

    (S1) mass conservation: ht + div q = gS on Γ

    (S2) momentum conservation: qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ

    coupling: mass flux: gS = v · n discont. pressure: p = ̺gh+ αv · n on Γ

    clogging:

    pressure discontinuity due to a thin and nearly impermeable river bed

    with thickness ε and conductivity Kε. Darcy’s law provides:

    v = −Kε∇peff := −Kε̺gh− p

    εn , α =

    ε

    Kε(leakage coefficient)

  • Formal Steklov–Poincaré Formulation Quarteroni & Valli 99, Deparis et al. 05, ...

    coupled problem: Sochala et al. 09, Dawson 08, ...

    n θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω× [0, T ]

    ht + div q = gS, qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ× [0, T ]

    gS = v · n, p = ̺gh on Γ× [0, T ]

    Dirichlet to Neumann maps:

    subsurface: h 7→ SΩ(h) = v · n

    surface: h 7→ SΓ(h) = − div q(h)

    Steklov–Poincaré formulation: ht = SΩ(h) + SΓ(h) on Γ× [0, T ]

  • Formal Steklov–Poincaré Formulation Quarteroni & Valli 99, Deparis et al. 05, ...

    coupled problem: Sochala et al. 09, Dawson 08, ...

    n θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω× [0, T ]

    ht + div q = gS, qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ× [0, T ]

    gS = v · n, p = ̺gh on Γ× [0, T ]

    Dirichlet to Neumann maps:

    subsurface: h 7→ SΩ(h) = v · n

    surface: h 7→ SΓ(h) = − div q(h)

    Steklov–Poincaré formulation: ht = SΩ(h) + SΓ(h) on Γ× [0, T ]

  • Formal Steklov–Poincaré Formulation Quarteroni & Valli 99, Deparis et al. 05, ...

    coupled problem: Sochala et al. 09, Dawson 08, ...

    n θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω× [0, T ]

    ht + div q = gS, qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ× [0, T ]

    gS = v · n, p = ̺gh on Γ× [0, T ]

    Dirichlet to Neumann maps:

    subsurface: h 7→ SΩ(h) = v · n

    surface: h 7→ SΓ(h) = − div q(h)

    Steklov–Poincaré formulation: ht = SΩ(h) + SΓ(h) on Γ× [0, T ]

  • Formal Steklov–Poincaré Formulation Quarteroni & Valli 99, Deparis et al. 05, ...

    coupled problem: Sochala et al. 09, Dawson 08, ...

    n θ(p)t + div v(x, p) = 0 , v(x, p) = −K(x) kr(θ(p))∇(p− ̺gz) on Ω× [0, T ]

    ht + div q = gS, qt + div (q2/h+ gh2/2) = 0 on Γ× [0, T ]

    gS = v · n, p = ̺gh on Γ× [0, T ]

    Dirichlet to Neumann maps:

    subsurface: h 7→ SΩ(h) = v · n

    surface: h 7→ SΓ(h) = − div q(h)

    Steklov–Poincaré formulation: ht = SΩ(h) + SΓ(h) on Γ× [0, T ]

  • Iterative SubstructuringDirichlet–Neumann iteration:

    hν+1t − SΓ(hν+1) = SΩ(h

    ν), on Γ× [0, T ], k = 1, . . . , N

    local Dirichlet–Neumann iteration:

    hν+1k,t − SΓ(hν+1k ) = SΩ(h

    νk), h

    0k = h

    ν∗

    k−1 on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    Dirichlet–Neumann time stepping:

    hk,t + SΓ(hk) = SΩ(hk−1), on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    other substructuring methods: Neumann–Dirichlet, Neumann–Neumann, ...

    Neumann–Dirichlet: hν+1t − SΩ(hν+1) = SΓ(h

    ν), Neumann–Neumann, ...

    discretization: different schemes, time steps, grids, ...

  • Iterative SubstructuringDirichlet–Neumann iteration:

    hν+1t − SΓ(hν+1) = SΩ(h

    ν), on Γ× [0, T ], k = 1, . . . , N

    local Dirichlet–Neumann iteration:

    hν+1k,t − SΓ(hν+1k ) = SΩ(h

    νk), h

    0k = h

    ν∗

    k−1 on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    Dirichlet–Neumann time stepping:

    hk,t + SΓ(hk) = SΩ(hk−1), on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    other substructuring methods: Neumann–Dirichlet, Neumann–Neumann, ...

    Neumann–Dirichlet: hν+1t − SΩ(hν+1) = SΓ(h

    ν), Neumann–Neumann, ...

    discretization: different schemes, time steps, grids, ...

  • Iterative SubstructuringDirichlet–Neumann iteration:

    hν+1t − SΓ(hν+1) = SΩ(h

    ν), on Γ× [0, T ], k = 1, . . . , N

    local Dirichlet–Neumann iteration:

    hν+1k,t − SΓ(hν+1k ) = SΩ(h

    νk), h

    0k = h

    ν∗

    k−1 on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    Dirichlet–Neumann time stepping:

    hk,t − SΓ(hk) = SΩ(hk−1), on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    other substructuring methods: Neumann–Dirichlet, Neumann–Neumann, ...

    Neumann–Dirichlet: hν+1t − SΩ(hν+1) = SΓ(h

    ν), Neumann–Neumann, ...

    discretization: different schemes, time steps, grids, ...

  • Iterative SubstructuringDirichlet–Neumann iteration:

    hν+1t − SΓ(hν+1) = SΩ(h

    ν), on Γ× [0, T ], k = 1, . . . , N

    local Dirichlet–Neumann iteration:

    hν+1k,t − SΓ(hν+1k ) = SΩ(h

    νk), h

    0k = h

    ν∗

    k−1 on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    Dirichlet–Neumann time stepping:

    hk,t − SΓ(hk) = SΩ(hk−1), on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    other substructuring methods:

    Neumann–Dirichlet: hν+1 = S−1Ω (hνt − SΓ(h

    ν)), Neumann–Neumann, ...

    discretization: different schemes, time steps, grids, ...

  • Iterative SubstructuringDirichlet–Neumann iteration:

    hν+1t − SΓ(hν+1) = SΩ(h

    ν), on Γ× [0, T ], k = 1, . . . , N

    local Dirichlet–Neumann iteration:

    hν+1k,t − SΓ(hν+1k ) = SΩ(h

    νk), h

    0k = h

    ν∗

    k−1 on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    Dirichlet–Neumann time stepping:

    hk,t − SΓ(hk) = SΩ(hk−1), on Γ× [tk−1, tk], k = 1, . . . , N

    other substructuring methods:

    Neumann–Dirichlet: hν+1 = S−1Ω (hνt − SΓ(h

    ν)), Neumann–Neumann, ...

    discretization: different schemes, time steps, grids, ...

  • Coupling Conditions Revisited

    continuous pressure:

    Dirichlet conditions: pν+1Γ (t) = ρghν(t)

    regularity gap: hν(t) ∈ L∞(Γ) 6⊂ H1/2(Γ)

    clogging: p = ρgh+ αv · n

    Robin condition in weak form:

    Γ

    (pν+1 − ρghν)v dσ

    well-defined: hν(t) ∈ L1(Γ) ∩ L∞(Γ) ⊂ H1/2(Γ)′

    =⇒ Robin-Neumann iteration

  • Coupling Conditions Revisited

    continuous pressure:

    Dirichlet conditions: pν+1Γ (t) = ρghν(t)

    regularity gap: hν(t) ∈ L∞(Γ) 6⊂ H1/2(Γ) =⇒ pν+1(t) 6∈ H1(Ω)

    clogging: p = ρgh+ αv · n

    Robin condition in weak form:

    Γ

    (pν+1 − ρghν)v dσ

    well-defined: hν(t) ∈ L1(Γ) ∩ L∞(Γ) ⊂ H1/2(Γ)′

    =⇒ Robin-Neumann iteration

  • Coupling Conditions Revisited

    continuous pressure:

    Dirichlet conditions: pν+1Γ (t) = ρghν(t)

    regularity gap: hν(t) ∈ L∞(Γ) 6⊂ H1/2(Γ) =⇒ pν+1(t) 6∈ H1(Ω)

    discontinuous pressure (clogging): pν+1 = ρghν + αvν+1 · n

    Robin condition in weak form:

    Γ

    (pν+1 − ρghν)v dσ

    well-defined: hν(t) ∈ L∞(Γ) ⊂ H1/2(Γ)′

    =⇒ Robin-Neumann iteration

  • Coupling Conditions Revisited

    continuous pressure:

    Dirichlet conditions: pν+1Γ (t) = ρghν(t)

    regularity gap: hν(t) ∈ L∞(Γ) 6⊂ H1/2(Γ) =⇒ pν+1(t) 6∈ H1(Ω)

    discontinuous pressure (clogging): pν+1 = ρghν + αvν+1 · n

    weak formulation of Robin condition: α−1(

    〈pν+1, v〉Γ − (ρghν, v)

    )

    Γ

    well-defined: hν(t) ∈ L∞(Γ) ⊂ H1/2(Γ)′

    =⇒ Robin-Neumann iteration

  • Coupling Conditions Revisited

    continuous pressure:

    Dirichlet conditions: pν+1Γ (t) = ρghν(t)

    regularity gap: hν(t) ∈ L∞(Γ) 6⊂ H1/2(Γ) =⇒ pν+1(t) 6∈ H1(Ω)

    discontinuous pressure (clogging): pν+1 = ρghν + αvν+1 · n

    weak formulation of Robin condition: α−1(

    〈pν+1, v〉Γ − (ρghν, v)

    )

    Γ

    well-defined: hν(t) ∈ L∞(Γ) ⊂ H1/2(Γ)′

    =⇒ Robin-Neumann iteration

  • Coupling Conditions Revisited

    continuous pressure:

    Dirichlet conditions: pν+1Γ (t) = ρghν(t)

    regularity gap: hν(t) ∈ L∞(Γ) 6⊂ H1/2(Γ) =⇒ pν+1(t) 6∈ H1(Ω)

    discontinuous pressure (clogging): pν+1 = ρghν + αvν+1 · n

    weak formulation of Robin condition: α−1(

    〈pν+1, v〉Γ − (ρghν, v)

    )

    Γ

    well-defined: hν(t) ∈ L∞(Γ) ⊂ H1/2(Γ)′

    Robin-Neumann iteration: hν+1t − SΓ(hν+1) = SΩ(h

    ν),

  • Discretization of the Shallow Water Equations

    spatial discretization of : ∂∂tu = S− divF(u):

    uh ∈ VΓ :∂∂t

    Γ

    uhw dσ =N∑

    i=1

    Γi

    S w − F(uh) · ∇w dσ

    ∂Γi

    w G(u+h ,u−

    h ) · n dσ ∀w ∈ V2Γ

    discontinuous Galerkin: VΓ = {v ∈ L2(Γ) | v|Γi polynomial of degree p ≥ 0}

    discrete flux G(u+h ,u−

    h ), u+h ,u

    h ∈ V2Γ

    time discretization by a stabilized Runge–Kutta scheme Dedner & Klöfkorn 08

  • Discrete Robin–Neumann Iteration

    Robin boundary conditions for Richards equation:

    evaluation of right hand side:

    Γ

    hν v dσ, hν ∈ VΓ, v ∈ Sh

    source term for shallow water equation: extension by zero: E : Sh|′

    Γ → V′

    Γ

    〈E(v · n), w〉 = 〈v · n, wS〉, hierarchical decomposition w = wS + wDG

    discrete mass conservation:∫

    θν+1h dx+

    Γ

    hν+1h dσ =

    θνh dx+

    Γ

    hνh dσ , ν = 0, 1, . . . ,

  • Discrete Robin–Neumann Iteration

    Robin conditions for Richards equation:

    ...+ α−1〈pν+1, v〉Γ = α−1(hν, v)Γ, h

    ν ∈ VΓ, v ∈ Sh

    source term for shallow water equation:

    (v · n, v)Γ = α−1(pν+1, v)Γ − (ρgh

    ν, v)Γ, pν+1h ∈ Sh, v ∈ VΓ

    Discrete mass conservation:∫

    θν+1h dx+

    Γ

    hν+1h dσ =

    θνh dx+

    Γ

    hνh dσ , ν = 0, 1, . . . ,

  • Discrete Robin–Neumann Iteration

    Robin conditions for Richards equation:

    ...+ α−1〈pν+1, v〉Γ = α−1(hν, v)Γ, h

    ν ∈ VΓ, v ∈ Sh

    source term for shallow water equation:

    (v · n, v)Γ = α−1

    (

    (pν+1, v)Γ − (ρghν, v)Γ

    )

    , pν+1 ∈ Sh, v ∈ VΓ

    Discrete mass conservation:∫

    θν+1h dx+

    Γ

    hν+1h dσ =

    θνh dx+

    Γ

    hνh dσ , ν = 0, 1, . . . ,

  • Discrete Robin–Neumann Iteration

    Robin conditions for Richards equation:

    ...+ α−1〈pν+1, v〉Γ = α−1(hν, v)Γ, h

    ν ∈ VΓ, v ∈ Sh

    source term for shallow water equation:

    (v · n, v)Γ = α−1

    (

    (pν+1, v)Γ − (ρghν, v)Γ

    )

    , pν+1 ∈ Sh, v ∈ VΓ

    Discrete mass conservation:∫

    θν+1 dx+

    Γ

    hν+1 dσ =

    θν dx+

    Γ

    hν dσ + inflow− outflow

  • Numerical Results: Supercritical Surface Flow over Dry Soil

    soil: sandy soil, α = ρgL−1, L = 10−5s−1 (Wiese & Nützmann 09)

    problem: p(0) = −20 Pa, h(0) = 10m, q(0) = 10m2s−1 + oscillating bc

    discretization: ∆TΩ = 500s, ∆xΩ = 10 ·2−6m, δTΓ = 3−1 ·10−5∆T , δxΓ = 10 ·400−1m

    total mass conservation up to 10−10

  • Convergence of Robin–Neumann Iteration

    α = ρg 105: weak coupling

    Wiese & Nützmann 09

    α = ρg 5: medium coupling

  • Convergence of Robin–Neumann Iteration

    α = ρg 105: weak coupling

    Wiese & Nützmann 09

    α = ρg 5: medium coupling

  • Ongoing Work

    Further convergence studies of Robin–Neumann iterations

    Other substructuring methods (Neumann–Robin, ...)

    Analysis of coupled problem (existence, uniqueness, ...)

    Numerical analysis of Robin–Neumann iterations (convergence, convergence rates, ...)

    flooding