염료 실험 및 시뮬레이션을 사용하여 Bedforms을 통해 Hyporheic 흐름을 시각화
Summary
This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.
Abstract
하천 환경에서 hyporheic 교류라는 퇴적물의 공극 공간과 위에 놓인 물 열 사이의 이류 교환, 강, 많은 중요한 생지 화학 과정에서 용질 수송을 구동한다. 영상 시범을 통해 이러한 프로세스의 이해를 개선하기 위해 다중 에이전트 컴퓨터 모델링 플랫폼 NetLogo에 hyporheic 유동 시뮬레이션을 만들었다. 시뮬레이션은 두 가지 차원 bedforms 덮여 하상 흐르는 가상 추적을 보여줍니다. 침전물 흘러 bedform 특성 모델의 입력 변수로 사용된다. 우리는이 시뮬레이션 측정 입력 매개 변수를 기반으로 실험실 수조 실험에서 실험 관찰과 일치하는 방법을 보여줍니다. 염료 porewater 유동을 시각화 플룸 퇴적물에 주입된다. 비교를 위해 가상 추적 입자 시뮬레이션에서 같은 위치에 배치됩니다. 이 결합 된 시뮬레이션 및 실험실 실험은 학부 및 gradua에서 성공적으로 사용되어왔다테 실험실 직접 강 – porewater 상호 작용을 시각화하고 물리적 기반 흐름 시뮬레이션 환경 현상을 재현 할 수있는 방법을 보여줍니다. 학생들은 투명 수로의 벽을 통해 침대의 사진을 가져다가 시뮬레이션에서 같은 시간에 염료의 모양에 비교했다. 이것은 학생들이 더 나은 흐름 패턴과 수학적 모델을 모두 이해 할 수 매우 유사한 경향, 결과. 시뮬레이션은 또한 사용자가 신속하게 여러 시뮬레이션을 실행하여 각 입력 변수의 영향을 시각화 할 수있다. 이 프로세스는 또한 계면 플럭스 porewater 수송 관련 기본 프로세스를 도시 한 프로세스 정량적 기반 모델링을 지원하는 응용 연구에 사용될 수있다.
Introduction
표면 물 스트림으로 이동, 강, 또는 갯벌 지역으로는로와 퇴적물 1의 물을 드라이브 헤드 그라디언트를 만듭니다. 하천 시스템에서이 교환이 발생하는 하상 퇴적물의 부분은 hyporheic 영역 2,3로 알려져있다. 많은 영양분과 오염 물질 저장 침착, 또는 hyporheic 영역 4-9에서 변환되기 때문에이 영역은 중요하다. 추적은 퇴적물에서 소모하는 시간은 체류 시간이라고합니다. 두 체류 시간 및 유로의 위치 변환 공정에 영향을 미친다. 침강물 흐름에 영향을주는 방법의 이해를 개선 하천 용질 수송을 예측 및 영양분 (예를 들면, 연안 저산소증 10,11) 등의 재료의 전파로 인한 큰 환경 문제를 해결하기 위해 필요하다. hyporheic 교환의 중요성에도 불구하고, 그것은 종종 문학 학부 과정에 설명되지 않은,그 과정에 hyporheic 교환을 추가하고자하는 유체 역학 등, 유압, 교육자는 유용 명확하게이 과정을 보여 실험 및 수치 적 시각화를 찾을 수 있습니다.
스트림 채널 꾸불 꾸불, 주변 지하수 수준 및 하상 지형 (즉, 바, bedforms 및 생물 고분)는 모든 변화도 12-17에 hyporheic 환율에 영향을 미친다. 이 연구는 일반적으로 hyporheic 흐름 14, 15에 영향을 미치는 주요 지형 특징은 언덕과 잔물결 같은 bedforms에 초점을 맞추었다. 우리는 bedforms의 일정한 일련의 흐름을 시각화하는 수치 시뮬레이션 및 실험실 실험을 만들었습니다. 이 시뮬레이션은 hyporheic 유로 용이하게 관측 가능한 시스템의 특성 15,18-21 관련된 선행 연구의 체에 기초한다. 이 연구는 시뮬레이션 과학적 배경을 형성하는 바와 같이, 이론의 핵심 사항에 대한 요약은 다음과 같다. Bedform 지형, T (x)를,주어진다 :
수학 식 1 : 
H 두번 bedform의 진폭이고, k는 파수이고, x는 평균 하상 표면에 평행 한 길이 방향 치수이다. 이 bedform 지형의 예는도 1에 도시된다.
도 1 매개 변수 및 설정은 사용자에 의해 제어. 인터페이스, 트레이서 입자를 물 / 계면에서 침전 플럭스 가중 방식으로 방출되고, 침강물 추적. 쇼 경로 경우? 물 추적기 마크 "의"그들은 자신의 경로를 보여주고있다된다. 추적자는 지표수에 반환 될 때,이 T 변경드롭을 다시 할 때 그는 시스템의 추적자의 총 수? "OFF"로 설정되어 있습니다. 체류 시간 누적 분포 그래프는 시간의 함수로서 초기 번호로 퇴적물 침대에 잔류 트레이서의 수의 비를 플롯 팅함으로써 이러한 변화를 나타낸다. 재 드롭하면? 다음 시스템을 떠날 추적자는 원래 입자와 같은 유량 가중 방식으로 대체되고, 누적 플롯되지 않습니다 "에"입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 매개 변수 이름 | 단위 | 정의 | 인터페이스 | Mousedrop | ||
| 람다 (λ) | 센티미터 | bedform의 파장 (그림 1 참조) </ TD> |  | | ||
| BedformHeight (H) | 센티미터 | 두번 bedform 진폭 (도 1 참조) | | | ||
| BedDepth (D) | 센티미터 | 퇴적물의 깊이 (그림 1 참조) | | | ||
| HydrCond (K) | CM / S | 수리 전도도 | | | ||
| 다공성 (θ) | 다공성 | | | |||
| ChannelVelocity (U) | CM / S | 지표수 또는 채널의 평균 속도 | | | ||
| 깊이 (d) | 센티미터 | 수심 (그림 1 참조) | | | ||
| 경사 (S) | bedforms 물 표면의 경사 | | <tD> ||||
| NumParticles | 입자의 개수는 시스템에 방출. | | ||||
| TIMEX (시간 1, 타임 2 ..) | 분 | 각각의 색의 변화가 발생하는 시간 | | |||
| 시뮬레이션 버튼 | 정의 | 인터페이스 | Mousedrop | |||
| 설정 | 표시된 매개 변수를 사용하여 시뮬레이션의를 설정 | | | |||
| 정지 / 이동 | 시작하고 시뮬레이션을 중지 | | | |||
| 단계 | 단계를 클릭하면 통과 한 시간 단계가 발생합니다. 이것은 사용자가 코드를 천천히 100 초에서 일어나는 정확하게 볼 수 있습니다. | | ||||
| 명확한 경로 | 화면에서 모든 그는 파란색 입자 경로를 지 웁니다 | | | |||
| 다음 시간에 사전 | 이것은 다음 색 전환 시점까지 (TIMEX)를 실행하는 프로그램을 야기 | | ||||
| 마우스 놓기 | 입자가 지하에서의 위치를 클릭하여 지하에 배치되기 전에이 버튼을 클릭해야합니다. | | ||||
| 쇼 – 경로? | 쇼 경로하면? 물 입자들이 있었다 푸른 게재의 흔적을 남겨 "의"(그림 1 참조). | | | |||
| 다시 드롭? | 재 드롭하면? 입자 시스템을 종료 모든 입자에 대한 플럭스 가중 방식으로 대체되고, 누적 플롯이 작동하지 않는 "또는"이다. 때 이상적 상대CLE는 시스템 내의 입자의 수는 다시 떨어지면 감소 hyporheic 영역을 종료? "OFF"(그림 1 참조). | | ||||
사용자가 조정할 수 있습니다 표 1 Hyporheic 매개 변수 및 시뮬레이션을 제어합니다. 각 매개 변수, 버튼, 슬라이더는 정의와 함께이 테이블에 있습니다.
이 시뮬레이션에서, 두 프로세스는 모래 침대에서 유체 속도를 유도한다. 첫째는 bedforms와 스트림 흐름의 상호 작용에 기인한다. bedforms 의해 유도 물 / 계면에서 침전 속도 수두도 대략 정현파이며 bedform 자체 (22)로부터 1/4 파장만큼 시프트. 표면 – 서브 표면 계면 속도 수두 함수의 진폭은 16로 측정으로부터 근사되었습니다
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "항상"> 식 2 :
U는 평균 지표수 속도이고, g는 중력 상수이며, D는 (도 1에 도시) 물의 깊이이다. 속도 수두 함수는 다음에 의해 주어진다 :
식 3 : 
이 헤드 함수는 상수 모래층 깊이 20 라플라스 방정식을 해결함으로써 지하 속도 기능 bedform 기반 구성 요소를 계산하는데 이용 될 수있다. porewater 속도의 두 번째 구성 요소는 수율이 비례 하류 방향으로 흐르게하는 것이 중력 헤드 구배에 대응하는 시스템 S의 기울기에 의해 결정된다S / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> porewater 속도에 대한 최종 기능은 다음과 같습니다. :
식 4 : 
식 (5) : 
u는 종 방향 속도 성분이고, V는 Y는 세로 좌표, 수직 속도 성분은, K는, 퇴적물의 평균 수리 전도도 인 퇴적물의 평균 기공률 인이고, D는 퇴적물의 깊이이다.
NetLogo 모델링 언어 및 시뮬레이션 플랫폼 (23)를 사용하여 생성 된 입자 추적 시뮬레이션. 두 가지 구현 (Mousedrop.nlogo과 Interface.nlogo)는 HYP 모델 이러한 방정식을 사용같은 시뮬레이션 코어와 orheic 흐름. 주요 차이점은 추적 입자의 초기 위치입니다. Mousedrop는 사용자가 어디 지하에서 시뮬레이션 추적을 배치 할 수 있습니다. 지하 속도 방정식 4와 5는 색소 주입 실험을 시뮬레이션하는 트레이서를 이동하는데 사용된다. 인터페이스에서 추적은 항상 플럭스 가중 방식으로 표면 / 지하의 경계를 따라 배치됩니다. 이것은 hyporheic 교환을 이해하는데 중요 porewater로 표면에서 물에 용해 및 현탁 물질의 전달을 모방. 다시 스트림 물에 도달 할 때까지 추적은 지하에서 이동한다. 수조에서 염료 경로를 추적 및 NetLogo를 사용 경로를 시뮬레이션하는 유동장의 유선을 산출만큼 유동 조건 bedform 모폴로지는 관찰 기간 동안 정상 남아. Interface.nlogo는를 나타낸다 누적 체류 시간 분포를 생성 수의 비율시간의 함수로서 시간이 0에 위치 추적 입자의 초기 수에 퇴적물에 잔류 트레이서 입자.
최근 문헌 조사 24에서 설명하고있는 바와 같이, 실습 시뮬레이션 실험실과 컴퓨터 모델에 비해 실험실 실험의 상대적 장점에 대한 교육 연구 커뮤니티 내에서 상당한 논쟁이 남아있다. 한편, 일부는 25 일 "체험 학습의 핵심입니다"하고 느낄 비용 절감 인수의 손해에, 손에 컴퓨터 기반의 시뮬레이션으로 실험 활동의 대체 연료를 공급 될 수 있음을주의 학생들의 이해 (26). 한편, 과학 / 공학 교육의 일부 연구자들은 시뮬레이션은 기존 연구소 (27) 손에 적어도 같은 효과가 있다고 주장, 또는 학생 중심의 "발견 학습"28 육성에 컴퓨터 시뮬레이션의 장점에 대해 설명합니다. 합의가 다시되지는 않았지만아팠다, 많은 연구자들은 이상적으로, 컴퓨터 시뮬레이션 실험실 실험 29, 30 실습, 보완보다는 대체 할해야한다는 결론을 내렸다. 또한 과학 및 공학 교육 내에서 이니셔티브가 있었다 동시에 몇 물리적 실험과 현상의 컴퓨터 시뮬레이션으로 감지 실제; 참조, 예를 들어, "이중 초점 모델링"(31).
학생들은 깊은 개념적 지식과 물리 시스템 및 그 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션 기반 모두와 상호 작용하여 과학 연구 과정의 더 나은 이해를 얻을 수있다. 이 과정은 학생들이 중력과 bedform 유도 hyporheic 교환 흐름을 보여 용질 수송 실험을 수행하는 데 수반 같은 현상 컴퓨터 시뮬레이션과 실험 장치 자신과 일치하는 결과. 이 비교는 중요한 학생의 학습 성과, 및 T의 깊은 토론을 용이하게그는 과학적인 방법, 모델 / 이론 구축과 데이터 수집을 통해 경험적 검증 사이의 상호 작용. 이러한 비교를 수행 한 후, 학생들은 신속 모델 파라미터를 변경하여 다른 다수의 시나리오를 탐험 컴퓨터 기반 시뮬레이션의 장점을 활용할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
관련하여, 수로 데모 및 입자 추적 시뮬레이션은 관객의 범위에 대한 hyporheic 흐름에 대한 포괄적 인 소개를 제공합니다. 모든 레벨의 참가자들은 bedforms에 의해 유도 hyporheic 교환의 발생 및 bedforms 아래 지하 흐름 경로에 강한 변화에 대한 시각적 인 증거를 제공한다. 이러한 절차는 대학생 또는 K-12 학생 porewater 흐름의 간단한 시연으로 사용할 수도 있고, 이것은 더 강 유압 심층 프레젠테이션 퇴?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This material is based upon work supported by National Science Foundation grants EAR-0810270, EAR-1215898, and EAR-1344280, as well as an NSF Graduate Research Fellowship.
Materials
| Flume | Engineering Laboratory Design | Custom | Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours |
| Flowmeter | Rosemount | 8800 vortex | This is located inside the recirculation loop of the flume |
| Sand | US. Silica | F30 | Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume |
| Dye | Samples from food companies | Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution. Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol) | |
| Syringe | HSW | 4100.000V0 | 5-10 mL, e.g. HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe |
| Pipetting Needle | Cadence Science | 7942 | 14-gage, 6-in blunt end, to inject the dye deep into the sand. |
| Digital Camera | Any | Digital camera with steady tripod (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.) We used a Nikon D7000. | |
| Ruler | Any | Transparent is best. | |
| Measuring Tape | Any | ||
| Netlogo Software | CCL | http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ | |
| Mousedrop.nlogo | Netlogo Commons | 4259 | http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 |
| Interface.nlogo | Netlogo Commons | 4258 | http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 |
References
- Huettel, M., Webster, I. T., Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. . Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. , 144-179 (2001).
- Bencala, K. E., Walters, R. A. Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream – a Transient Storage Model. Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).
- Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
- Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana. Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).
- Fuller, C. C., Harvey, J. W. Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona. Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).
- Jones, J. B., Mulholland, P. J. . Streams and Ground Waters. , (1999).
- McKnight, D. M., et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity. Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).
- Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
- Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
- Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA. Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).
- Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos. Coast Est S. 58, 211-240 (2001).
- Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
- Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
- Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model. Water Resour Res. 48, (2012).
- Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Wörman, A., Salehin, M., Packman, A. I. A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders. Water Resour Res. 46, (2010).
- Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield. Geophys Res Lett. 34, (2007).
- Tonina, D., Buffington, J. M. A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat. Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).
- Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
- Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments. Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).
- Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography. Geophys Res Lett. 33, (2006).
- Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms. Wat Resour Res. 48, (2012).
- Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
- Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
- Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
- Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students’ understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
- Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation. Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).
- Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
- Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
- Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
- Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning. Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).
- Freeze, R. A., Cherry, J. A. . Groundwater. , (1979).
- Todd, D. K., Mays, L. W. . Groundwater Hydrology. , (2005).
- Box, G. E., Draper, N. R. . Empirical Model-Building and Response Surfaces. , (1987).
- Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906 (1979).
- Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. . How People Learn. , (2000).
- Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
- Zohar, A., Ben David, A. Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component. Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).
- Fox, A., Boano, F., Arnon, S. Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms. Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).
- Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
- Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
- Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
- Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange. Water Resour Res. 40, (2004).
- Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
- Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
- Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
- Tonina, D., Buffington, J. M. Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling. Water Resour Res. 43, (2007).
- Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. . MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , (2000).
