Visualisierung wortlich Übermittlung über bedforms Mit Dye Experimente und Simulation

Als Oberflächenwasser bewegt sich in einem Strom, Fluss oder Gezeitenzone schafft Kopf Farbverläufe, die Wasser in die und aus den Sedimenten ¹ zu fahren. In Flusssysteme der Anteil der Bachsedimenten, wo dieser Austausch erfolgt als hyporheischen Zone ^2,3 bekannt. Dieser Bereich ist wichtig, weil viele Nähr- und Schadstoffe gespeichert sind, abgeschieden wird, oder innerhalb des hyporheischen Zone ^4-9 umgewandelt. Die Zeitspanne ein Tracer in dem Sediment verbleiben kann Verweilzeit bezeichnet. Beide Verweilzeiten und die Positionen der Strömungswege beeinflussen die Transformationsprozesse. Verbessertes Verständnis der Prozesse Fluss durch das Sediment beeinflussen wird benötigt, um den Stofftransport in Flüssen prognostizieren und zu adressieren große Umweltprobleme, die sich aus Ausbreitung von Materialien wie Nährstoffe (zB Küsten Hypoxie ^10,11). Trotz der Bedeutung der hyporheischen Austausch, ist es oft nicht in grundständigen Studiengängen in der Hydrologie beschrieben,Strömungsmechanik, Hydraulik etc. Erzieher wollen hyporheischen Austausch, um ihre Kurse hinzufügen, könnte es nützlich sein, experimentelle und numerische Visualisierungen, die deutlich zeigen, diesen Prozess zu haben.

Stream Kanal sinuosity, umgebenden Grundwasserstände und Bach Topographie (dh, Bars, bedforms und biogenen Hügel) beeinflussen hyporheischen Austausch in unterschiedlichem Maße ^12-17. Diese Studie konzentrierte sich auf bedforms wie Dünen und Wellen, die in der Regel sind die Schlüssel geomorphologischen Merkmale hyporheischen Fluss ^14,15 beeinflussen. Wir haben eine numerische Simulation und Laborversuch, um die Strömung durch eine regelmäßige Reihe von bedforms visualisieren. Diese Simulation wird auf einem Körper der bisherigen Forschung über hyporheischen Fließwege leicht beobachtbaren Systemeigenschaften ^15,18-21 basiert. Da diese Forschung bildet den wissenschaftlichen Hintergrund für die Simulation, folgt eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Aspekte der Theorie. Bedform Topographie, T (x),ist gegeben durch:

Gleichung 1:

wobei H der doppelten Amplitude des bedform ist, k die Wellenzahl und x die Längsabmessung parallel zu der Durchschnitts streambed Oberfläche. Ein Beispiel dieser bedform Topographie ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Parameterdefinitionen und Einstellungen durch den Benutzer gesteuert. In Schnittstelle werden Tracerpartikel in einem Flussgewichteten Weise an der Wasser / Sediment-Schnittstelle freigegeben und durch das Sediment verfolgt. Wenn show-Pfaden? "Ein" der Wassertracer Zeichen, wo sie sind, zeigt sich ihre Wege. Wenn ein Tracer kehrt in den Oberflächengewässern, ändert sich dieses Ter Gesamtzahl der Tracer in das System, beim erneuten Rückgang? auf "off" eingestellt ist. Die kumulative Verweilzeitverteilung Plot zeigt diese Änderung durch Auftragen des Verhältnisses der Anzahl von Tracern im Sediment Bett verbleibende der ursprünglichen Zahl als Funktion der Zeit. Wenn Re-Tropfen? "Ein" ist dann Tracer, die das System verlassen, werden in der gleichen Flussgewichteten Weise wie ursprünglichen Teilchen ersetzt, und die kumulative Darstellung ist deaktiviert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Parametername	Einheiten	Definition			Schnittstelle	Mousedrop
Lambda (λ)	cm	Wellenlänge bedform (siehe Abbildung 1) </ td>
BedformHeight (H)	cm	Zweimal die bedform Amplitude (siehe Abbildung 1)
BedDepth (D)	cm	Tiefe der Sedimente (siehe Abbildung 1)
HydrCond (K)	cm / s	Hydraulische Leitfähigkeit
Porosität (θ)		Porosität
ChannelVelocity (U)	cm / s	Durchschnittsgeschwindigkeit in der Oberflächengewässer oder Kanal
Tiefe (d)	cm	Wassertiefe (siehe Abbildung 1)
Slope (S)		Steigung der bedforms und Wasseroberfläche
NumParticles		Die Anzahl der Partikel in das System freigesetzt wird.
TimeX (Zeit1, Zeit2 ..)	min	Zeitpunkt, zu dem jede Farbänderung auftritt
Simulation Buttons		Definition			Schnittstelle	Mousedrop
Einrichten		Stellen Sie die die Simulation mit Hilfe von Parametern gezeigt
GO / STOP		Startet und stoppt die Simulation
Schritt		Ein Klick auf Schritt bewirkt einen Zeitschritt einen Pass zu spielen. Dies ermöglicht Benutzern, den Code verlangsamen und genau sehen, was in 100 sec passiert.
klare Wege		Löscht alle er blaue Partikelbahnen vom Bildschirm
Weiter zum nächsten Mal		Dies bewirkt, dass das Programm bis zum nächsten Farbwechsel Zeit (TimeX)
Maus-Drop-		Diese Taste muss angeklickt werden, bevor Partikel können im Untergrund, indem Sie auf Standorte in den Untergrund aufgestellt werden.
Show-Pfaden?		Wenn show-Pfaden? "an" ist die Wasserpartikel hinterlassen eine Spur von Blau zeigt, wo sie gewesen sind (siehe Abbildung 1).
erneut fallen zu lassen?		Wenn Re-Tropfen? "Ein" ist die Partikel in einem Fluß gewichtet für jedes Teilchen, welches das System verlässt ersetzt, und die kumulative Darstellung nicht. Wenn ein particle verlässt den hyporheischen Zone, wenn re-Drop die Zahl der Teilchen im System sinkt? "aus" ist (siehe Abbildung 1).

Tabelle 1 wortlich Parameter und Simulation Controls. Jeder Parameter, Tasten und Schieber, die vom Benutzer eingestellt werden kann, ist in der Tabelle zusammen mit einem gegebenen Definition.

In dieser Simulation zwei Prozesse induzieren Fluidgeschwindigkeit im Sandbett. Die erste ist auf die Wechselwirkungen des Strömungsflusses mit bedforms. Die Geschwindigkeit Kopf an der Wasser / Sediment-Schnittstelle durch bedforms induziert wird, ist auch in etwa sinusförmig, und durch eine Viertelwellenlänge vom bedform sich ²² verschoben. Die Amplitude des Geschwindigkeitshöhenfunktion an dem oberflächen unterirdischen Oberfläche wurde aus Messungen als ¹⁶ angenähert:

wobei U die mittlere Oberflächenwassergeschwindigkeit, g die Gravitationskonstante ist, und d die Tiefe des Wassers (in 1 gezeigt). Die Geschwindigkeit Kopf-Funktion ist dann gegeben durch:

Gleichung 3:

Dieser Kopf Funktion kann dann verwendet, um die bedform basierende Komponente der unterirdischen Geschwindigkeitsfunktionen durch Lösung der Laplace-Gleichung mit einem konstanten ^{Sandbetttiefe} 20 zu berechnen. Die zweite Komponente des Porenwassergeschwindigkeit wird durch die Steigung des Systems S, die zu einem Gravitations Kopfgradientensystem entspricht bestimmt, daß Ausbeuten Strömung in der stromabwärtigen Richtung proportionals / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Die letzten Funktionen zur Porenwassergeschwindigkeit sind.:

Gleichung 4:

Gleichung 5:

wobei u die Längsgeschwindigkeitskomponente ist, v die vertikale Geschwindigkeitskomponente ist, K die durchschnittliche hydraulische Leitfähigkeit des Sediments, die mittlere Porosität der Sedimente, y die vertikale Koordinate ist und D die Tiefe der Sedimente.

Particle-Tracking-Simulation erzeugt wurden, die den NetLogo Modellierungssprache und Simulationsplattform ²³ zu verwenden. Die beiden Implementierungen (Mousedrop.nlogo und Interface.nlogo) verwenden diese Gleichungen auf hyp modellierenorheic Fluss mit der gleichen Simulationskern. Der Hauptunterschied ist die anfänglichen Positionen der Markierungspartikel. Mousedrop ermöglicht dem Benutzer die simulierten Leuchtspur überall im oberflächennahen Bereich zu platzieren. Untergrundgeschwindigkeit Gleichungen 4 und 5 werden verwendet, um den Tracer zu bewegen, um Farbstoff Injektionsexperimente simulieren. In-Schnittstelle, Tracer wird immer entlang der Oberfläche / Untergrundgrenze in einem Flussgewichteten Weise angeordnet. Dies ahmt die Lieferung von gelösten und suspendierten Material von der Oberfläche von Wasser in den Porenwasser, das für ein Verständnis hyporheischen Austausch ist. Der Tracer bewegt sich dann im Untergrund ab, bis er wieder den Strom Wasser erreicht. Auf den Spuren der Farbstoff-Pfade in der Wildwasserbahn und die Simulation der Wege mit NetLogo liefert die Stromlinien des Strömungsfelds, solange die Strömungsverhältnisse und bedform Morphologie stabil bleiben während des Beobachtungszeitraums. Interface.nlogo erzeugt eine kumulative Verteilung der Verweilzeit, die das zeigt, Verhältnis der Anzahl vonTracer-Partikel im Sediment verbleibenden der anfänglichen Anzahl von Tracer-Partikel zum Zeitpunkt 0 als Funktion der Zeit gegeben.

Wie kürzlich in einer Literaturübersicht ²⁴ diskutiert wird, bestehen noch beträchtliche Debatte innerhalb der Bildungsforschungsgemeinschaft über die relativen Vorteile der praktischen Laborversuchen gegenüber simulierten Labors und Computermodelle. Auf der einen Seite, einige das Gefühl, dass "praktische Erfahrung ist das Herzstück des Lernens" ^25, und Vorsicht, dass Kosteneinsparungen Argumente werden Betankung der Ersatz von Hands-on Lab-Aktivitäten durch computerbasierte Simulationen, zum Nachteil der Schüler Verständnis ^26. Auf der anderen Seite, einige Forscher in der Wissenschaft / Ingenieurausbildung argumentieren, dass Simulationen sind mindestens so wirksam wie herkömmliche praktische Übungen ^27, oder die Vorteile der Computer-Simulation bei der Förderung der Studenten in den Mittelpunkt "entdeckendes Lernen" ²⁸ zu diskutieren. Während Konsens wurde nicht neuschmerzten, haben viele Forscher stellten fest, dass im Idealfall Computersimulationen sollte ergänzen, anstatt zu verdrängen, Hands-on-Experimente im Labor ^29,30. Es gab auch Initiativen im Natur- und Ingenieurausbildung, gleichzeitig Paar physikalischen Experimenten und realen Erfassung mit Computersimulationen der Phänomene; siehe zB "bifocal Modellierung" ^31.

Die Schüler können ein tieferes konzeptionelles Wissen und ein besseres Verständnis der wissenschaftlichen Forschungsprozesses durch die Interaktion mit sowohl einem physikalischen System, und eine Computersimulation des Systems zu gewinnen. Dieses Verfahren beinhaltet, die Studierenden führen eine Stofftransport Experiment, das Gravitations und bedform induzierten hyporheischen Wechselfluss zeigt, und passen ihre eigenen Versuchsaufbau und die Ergebnisse mit einer Computersimulation der gleichen Phänomene. Dieser Vergleich ermöglicht wichtige Schüler-Lernergebnisse und eine tiefere Diskussion der ter wissenschaftliche Methode, und das Zusammenspiel zwischen Modell / Theoriebildung und empirische Validierung durch die Datenerfassung. Nach dem Durchführen dieses Vergleichs können die Schüler auch die Vorteile für die Vorteile der Computersimulation, eine Vielzahl von alternativen Szenarien schnell zu erkunden, indem Modellparameter.