Abstract We explore the coupling of surface and subsurface flows on fully unstructured meshes that conform to complex soil structures. To accommodate the distorted meshes that inevitably result from explicit representation of complex soil structures, we leverage the structure of the Mimetic Finite Difference (MFD) spatial discretization scheme to couple surface and subsurface flows. The MFD method achieves second-order accuracy and maintains local mass conservation on distorted meshes. We couple the diffusion wave approximation for surface flows to the Richards equation for subsurface flow, ensuring continuity of both pressure and flux between the surface and subsurface. The MFD method is particularly convenient for this coupling because it uses face-based constraints in the subsurface system that can be expressed as face-pressure unknowns. Those unknowns are coincident with surface cell-based unknowns, thus allowing the discrete surface system to be directly substituted into the subsurface system and solved implicitly as a global system. Robust representation of the transition between wet and dry surface conditions requires upwinding of the relative permeability and is facilitated by globalization in the nonlinear solver. The approach and its implementation in the Advanced Terrestrial Simulator (ATS) are evaluated by comparison to previously published benchmarks. Using runoff from soils with patchy groundcover (duff) as an example, we show that the new method converges significantly faster in mesh convergence tests than the commonly used two-point flux approximation.

中文翻译：

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使用模拟有限差分耦合复杂土壤结构中的地表流和地下流

摘要 我们探索了在符合复杂土壤结构的完全非结构化网格上地表和地下流动的耦合。为了适应由复杂土壤结构的显式表示不可避免地导致的扭曲网格，我们利用模拟有限差分 (MFD) 空间离散化方案的结构来耦合地表和地下流。MFD 方法可实现二阶精度并在扭曲网格上保持局部质量守恒。我们将地表流动的扩散波近似与地下流动的理查兹方程耦合，确保地表和地下之间压力和通量的连续性。MFD 方法对于这种耦合特别方便，因为它在地下系统中使用基于面的约束，可以表示为面压力未知数。这些未知量与基于地表单元的未知量一致，因此允许离散地表系统直接代入地下系统并作为全局系统隐式求解。湿和干表面条件之间过渡的稳健表示需要相对渗透率的逆风，并通过非线性求解器中的全球化来促进。该方法及其在高级陆地模拟器 (ATS) 中的实施通过与先前发布的基准进行比较来评估。以具有不完整地面覆盖物 (duff) 的土壤径流为例，我们表明新方法在网格收敛测试中的收敛速度明显快于常用的两点通量近似。从而允许离散地表系统直接代入地下系统并作为全局系统隐式求解。湿和干表面条件之间过渡的稳健表示需要相对渗透率的逆风，并通过非线性求解器中的全球化来促进。该方法及其在高级陆地模拟器 (ATS) 中的实施通过与先前发布的基准进行比较来评估。以具有不完整地面覆盖物 (duff) 的土壤径流为例，我们表明新方法在网格收敛测试中的收敛速度明显快于常用的两点通量近似。从而允许离散地表系统直接代入地下系统并作为全局系统隐式求解。湿和干表面条件之间过渡的稳健表示需要相对渗透率的逆风，并通过非线性求解器中的全球化来促进。该方法及其在高级陆地模拟器 (ATS) 中的实施通过与先前发布的基准进行比较来评估。以具有不完整地面覆盖物 (duff) 的土壤径流为例，我们表明新方法在网格收敛测试中的收敛速度明显快于常用的两点通量近似。湿和干表面条件之间过渡的稳健表示需要相对渗透率的逆风，并通过非线性求解器中的全球化来促进。该方法及其在高级陆地模拟器 (ATS) 中的实施通过与先前发布的基准进行比较来评估。以具有不完整地面覆盖物 (duff) 的土壤径流为例，我们表明新方法在网格收敛测试中的收敛速度明显快于常用的两点通量近似。湿和干表面条件之间过渡的稳健表示需要相对渗透率的逆风，并通过非线性求解器中的全球化来促进。该方法及其在高级陆地模拟器 (ATS) 中的实施通过与先前发布的基准进行比较来评估。以具有不完整地面覆盖物 (duff) 的土壤径流为例，我们表明新方法在网格收敛测试中的收敛速度明显快于常用的两点通量近似。