tmdl modeling toolbox environmental fluid dynamics code (efdc) steven davie tetra tech inc

TMDL Modeling ToolboxTMDL Modeling Toolbox

Environmental Fluid Dynamics Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)Code (EFDC)

Steven DavieSteven Davie

Tetra Tech Inc.Tetra Tech Inc.

TMDL Modeling Toolbox - EFDCTMDL Modeling Toolbox - EFDC

OverviewOverview

• Introduction to EFDCIntroduction to EFDC

• History of code and model developmentHistory of code and model development

• Peer Review and Validation of modelPeer Review and Validation of model

• Pre-processing ToolsPre-processing Tools

• Post-processing ToolsPost-processing Tools

• Simple setup and exampleSimple setup and example

• Complex setup and exampleComplex setup and example


Introduction to EFDC (1 of 2)Introduction to EFDC (1 of 2)

• Environmental Fluid Dynamics Code = EFDC• EFDC is a 2-D/3-D orthogonal curvilinear grid

hydrodynamic model.• EFDC can solve for the circulation and transport

of material in complex environments including, estuaries, coastal embayments, lakes and offshore.

• EFDC also provides solutions for salinity, temperature, and conservative tracers with full density feedback to handle stratified conditions.


Introduction to EFDC (2 of 2)Introduction to EFDC (2 of 2)• EFDC Model Includes Internally LinkedEFDC Model Includes Internally Linked

– Hydrodynamics– Sediment Transport and Toxic Transport & Fate

• Public Domain ModelPublic Domain Model• The EFDC Model Has:The EFDC Model Has:

– Extensive Application Track Record – Peer Reviewed Publications– Peer Review Panels for Major Applications

• EFDC Is Maintained by Tetra Tech with EFDC Is Maintained by Tetra Tech with Primary Support from US EPA Primary Support from US EPA

• EFDC-Hydro Can Be Linked to WASP and EFDC-Hydro Can Be Linked to WASP and CE-QUAL-ICMCE-QUAL-ICM


History of DevelopmentHistory of Development• Developed by John Hamrick at Virginia Institute of Developed by John Hamrick at Virginia Institute of

Marine Science with Primary Support from State of Marine Science with Primary Support from State of VirginiaVirginia– VIMS Version (HEM3D) Frozen in 1996

• Tetra Tech, Inc. Has Continued to Develop, Tetra Tech, Inc. Has Continued to Develop, Maintain, and Support EFDC Since 1996. Maintain, and Support EFDC Since 1996.

• EPA Region 4 has supported revision of the code for EPA Region 4 has supported revision of the code for only hydrodynamics and sediment transport and the only hydrodynamics and sediment transport and the ability to link with the WASP water quality model.ability to link with the WASP water quality model.

• Currently used by Federal, State and Local Currently used by Federal, State and Local Agencies, Consultants, and Universities.Agencies, Consultants, and Universities.


EFDC CapabilitiesEFDC Capabilities

• Three-Dimensional Hydrodynamics with Three-Dimensional Hydrodynamics with Coupled Salinity and Temperature Transport Coupled Salinity and Temperature Transport

• Directly Coupled Toxic Contaminated Directly Coupled Toxic Contaminated Sediment Transport and Fate ModelSediment Transport and Fate Model

• Integrated Near-field Mixing Zone ModelIntegrated Near-field Mixing Zone Model• Pre-Processing Software for Grid Generation Pre-Processing Software for Grid Generation

and Input File Creationand Input File Creation• Post-Processing Software for Analysis, Post-Processing Software for Analysis,

Graphic, and VisualizationGraphic, and Visualization


• Three-Dimensional with 2-D and 1-D OptionsThree-Dimensional with 2-D and 1-D Options• Boundary Fitted Horizontal Curvilinear- Boundary Fitted Horizontal Curvilinear-

Orthogonal Grid and Sigma (Stretched) Vertical Orthogonal Grid and Sigma (Stretched) Vertical GridGrid

• Conservative, 2Conservative, 2ndnd Order Accurate Finite Order Accurate Finite Difference/Finite Volume NumericsDifference/Finite Volume Numerics

• Highly Efficient Two or Three Time-Level Semi-Highly Efficient Two or Three Time-Level Semi-Implicit Temporal SolutionImplicit Temporal Solution

• Includes M-Y Turbulence Closure ModelIncludes M-Y Turbulence Closure Model• Dynamically Coupled Salinity and Temperature Dynamically Coupled Salinity and Temperature

TransportTransport

Hydrodynamics (1 of 3)Hydrodynamics (1 of 3)


• MPDATA and COSMIC Advection SchemesMPDATA and COSMIC Advection Schemes• Newtonian Nudging Data Assimilation for Water Newtonian Nudging Data Assimilation for Water

Surface Elevation and Scalar Transport VariablesSurface Elevation and Scalar Transport Variables• Drying and Wetting of Shallow AreasDrying and Wetting of Shallow Areas• Wave-Current Boundary Layers and Wave Wave-Current Boundary Layers and Wave

Induced Current via SWAN and RIFDIF LinkagesInduced Current via SWAN and RIFDIF Linkages• Hydraulic Control StructuresHydraulic Control Structures• Vegetation ResistanceVegetation Resistance• 1D Channel Network Option Using HEC Type 1D Channel Network Option Using HEC Type

Cross SectionsCross Sections



Hydrodynamics

Dynam ics(E , u , v, w , m ixing)

Dye Tem perature Salin ityNear F ie ld

P lum eDrifter



• 14 Years of Use on Over 100 Applications 14 Years of Use on Over 100 Applications by Numerous Usersby Numerous Users

• Analytic Solutions for Analytic Solutions for – Tidal Propagation– Oscillatory Boundary Layers– Wind Setup Seiche– Sediment Settling– Cohesive Bed Consolidation– Contaminant Partitioning and Diffusion in Bed

and Water Column

EFDC Validation (1 of 2)EFDC Validation (1 of 2)


• Simulation of Laboratory ExperimentsSimulation of Laboratory Experiments– Tidal Propagation– Salinity Intrusion– Velocity Redistribution in Curved Channels– Movable Bed Sediment Transport

• Mass and Energy BalancesMass and Energy Balances– Field Scale Sediment and PCB Application

• Opposing Party Code Review in High Profile Opposing Party Code Review in High Profile Superfund ApplicationSuperfund Application

• Widely accepted for regulatory purposes:Widely accepted for regulatory purposes:– TMDLs, WLAs and NPDES permitting

EFDC Validation (2 of 2)EFDC Validation (2 of 2)


Selected EFDC Peer Review PublicationsSelected EFDC Peer Review Publications Hamrick, J. M., and T. S. Wu, 1997: Computational design and optimization of the EFDC/HEM3-D surface water

hydrodynamic and eutrophication models. Next Generation Environmental Models and Computational Methods. G. Delich and M. F. Wheeler, Eds., Society of Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, 143-156.

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Jin, K. R., and Z. G. Ji, 2003: Application and validation of a 3-D model in a shallow lake. Journal of Waterway,

Port, Coastal, and Ocean Engineering (accepted) Ji, Z.-G., J. H. Hamrick, and J. Pagenkopf, 2002: Sediment and metals modeling in shallow river , Journal of

Environmental Engineering, 128, 105-119. Jin, K. R., Z. G. Ji, and J. M. Hamrick, 2002: Modeling winter circulation in Lake Okeechobee, Florida. Journal of

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Fenholloway River and Estuary FL

West Long

No

rth

La

t

-82 -81.5 -81 -80.524.5

25

25.5

26

Frame 001 13 Nov 2002 florida bay full gridFrame 001 13 Nov 2002 florida bay full grid

EFDC EFDC GridsGrids

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GooseCreek

SwiftCreek

Trent River

SlocumCreek

HancockCreek

ClubfootCreek

AdamsCreek

SouthRiver

UpperBroadCreek

BeardCreek

DawsonCreek

GreensCreek

BroadCreek

Pamlico Sound

0 2 4 6 Miles

N

EW

S

Neuse River and Estuary NC

Savannah River and Estuary GA

Florida Bay FL

Lake Okeechobee FL


Wet/Dry Flood Pool CellsOperating Pool Cells

LEGEND

EFDC EFDC GridsGrids

Jordan Lake NC

Mobile Bay AL

10 0 10 20 Miles

N

EW

S

Mobile Bay AL

Logan Martin Lake AL

0.7 0 0.7 1.4 Miles

N

03150104 NHDSubbasinsLake AllatoonaHydrodynamic GridFlow Input Cells

Lake Allatoona GA


• Grid GeneratorGrid Generator– Develop 2-D and 3-D grids– Depth interpolation– Includes bottom elevation– Tangent points for complex shorelines

• EFDCViewEFDCView– Model configuration– Interactive boundary designation– Execution control– Launch post-processor

EFDC Pre-ProcessingEFDC Pre-Processing


Grid GeneratorGrid GeneratorUser may move primary and secondary control points to fit a complex shoreline, then regenerate the grid. The new grid is automatically displayedMove Control Point


InterfaceInterface


Flint Simple GridFlint Simple Grid


Remove Land CellsRemove Land Cells


EFDCView (Preprocessor)EFDCView (Preprocessor)


Assigning BoundariesAssigning Boundaries


• MOVEM (with WASP)MOVEM (with WASP)– EFDCView generates a Binary Model Data

(BMD) file that can be viewed by MOVEM.

• TecplotTecplot– Animations– Time series plots

EFDC Post-ProcessingEFDC Post-Processing


Flint Creek ExampleFlint Creek Example

• Flint Creek watershed in northern ALFlint Creek watershed in northern AL

• Drains to the TN RiverDrains to the TN River

• Grid and model development for the Grid and model development for the embaymentembayment


Location MapsLocation Maps

SubwatershedTN River

0 5 10 15 Miles

N

EW

S


Flint Creek ExampleFlint Creek Example

#Y

#Y

#Y

#S

#S

#S

#S

#S

#S

#S

#S

#S

#S#S

#S Municipal

FC-4

WF-1

F9

SubwatershedNHD StreamsEmbayment

#Y NPDES Permits%U USGS Gages#S WQ Stations

0 1 2 Miles

N

EW

S

tmdl modeling toolbox environmental fluid dynamics code (efdc) steven davie tetra tech inc

Documents

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efdc history of code

major applications efdc

us epa efdchydro

linkedefdc model

model development peer

primary support

wasp water quality model