Visualiseren Hyporheic Flow Through bedforms behulp Dye Experimenten en Simulation

Als oppervlakte water beweegt in een beek, rivier of getijdenzone creëert hoofd hellingen die het water drijven in en uit de sedimenten ^1. In riviersystemen het gedeelte van de streambed sedimenten waarin deze uitwisseling plaatsvindt is bekend als de hyporheic zone ^2,3. Deze zone is belangrijk omdat veel voedingsstoffen en verontreinigende stoffen worden opgeslagen, gestort of getransformeerd binnen de hyporheic zone ^4-9. De tijd die een tracer doorbrengt in het sediment wordt een verblijfstijd. Beide verblijftijden en de locaties van de stromingswegen invloed op de transformatie processen. Beter begrip van de processen die stroming door het sediment nodig is om opgeloste stoffen te voorspellen in rivieren en pakken grote milieuproblemen gevolg van propagatie van stoffen zoals nutriënten (bijv kust hypoxie ^10,11). Ondanks het belang van hyporheic uitwisseling, is het vaak niet in undergraduate cursussen in hydrologie beschreven,stromingsleer, hydrauliek, etc. Opvoeders die willen hyporheic ruil voor hun cursussen toe kon vinden het nuttig zijn om de experimentele en numerieke visualisaties die duidelijk laten zien dit proces.

Stroom kanaal bochtigheid, omgeving grondwaterstanden en streambed topografie (dat wil zeggen, bars, bedforms en biogene terpen) allemaal van invloed hyporheic uitwisseling in verschillende mate ^12-17. Dit onderzoek richtte zich op bedforms, zoals duinen en rimpelingen, die meestal zijn de belangrijkste geomorfologische kenmerken die hyporheic stroom ^14,15. We hebben een numerieke simulatie en laboratorium experiment om stroom te visualiseren door middel van een regelmatige reeks van bodemstructuren. Deze simulatie is gebaseerd op een reeks eerder onderzoek inzake hyporheic stroompaden gemakkelijk waarneembare systeemkenmerken ^15,18-21. Aangezien dit onderzoek vormt de wetenschappelijke achtergrond voor de simulatie, een korte samenvatting van de belangrijkste aspecten van de theorie volgt. Bodemstructuren topografie, T (x),is gegeven door:

Vergelijking 1:

waarbij H tweemaal de amplitude van de bodemstructuren, k het golfgetal en x is de longitudinale afmeting evenwijdig aan het gemiddelde rivierbedding oppervlak. Een voorbeeld hiervan bodemstructuren topografie wordt getoond in figuur 1.

Figuur 1. Parameter definities en instellingen gecontroleerd door de gebruiker. In Interface, worden tracer deeltjes uitgebracht in een flux-gewogen wijze in het water / sediment interface en bijgehouden door het sediment. Als Show-paden? Wordt "aan" het water tracers merk waar ze zijn, met hun paden. Wanneer een tracer terugkeert naar het oppervlaktewater, verandert dit thij totaal aantal tracers in het systeem, bij het ​​opnieuw neerzetten? is ingesteld op "off". De cumulatieve verblijftijd verdelingsgrafiek geeft deze verandering door het uitzetten van de verhouding van het aantal tracers nog in het sediment bed om het oorspronkelijke aantal als functie van de tijd. Als re-drop? "Aan" dan tracers dat het systeem te laten vervangen in dezelfde flux-gewogen wijze als origineel deeltjes, en de cumulatieve plot is uitgeschakeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Parameter Naam	Eenheden	Definitie			Interface	Mousedrop
Lambda (λ)	cm	Golflengte van bodemstructuren (zie figuur 1) </ td>
BedformHeight (H)	cm	Tweemaal de bodemstructuren amplitude (zie figuur 1)
BedDepth (D)	cm	Diepte van de sedimenten (zie figuur 1)
HydrCond (K)	cm / s	Doorlatendheid
Porositeit (θ)		Poreusheid
ChannelVelocity (U)	cm / s	Gemiddelde snelheid in het oppervlaktewater of het kanaal
Diepte (d)	cm	Waterdiepte (zie figuur 1)
Helling (S)		Helling van de bodemstructuren en wateroppervlak
NumParticles		Het aantal deeltjes in het systeem vrijgelaten.
Timex (Tijd1, Time2 ..)	min	Tijdstip waarop elke kleur verandering optreedt
Simulatie Knoppen		Definitie			Interface	Mousedrop
Opstelling		Stel van de simulatie met behulp van parameters getoond
go / stop		Start en stopt de simulatie
Stap		Klikken stap veroorzaakt eenmalige stap te gaan. Dit stelt gebruikers in staat te vertragen de code en precies zien wat er gebeurt in 100 sec.
duidelijke paden		Wist alle hij blauw deeltje paden van het scherm
Vooruit naar volgende keer		Dit zorgt ervoor dat het programma te draaien tot de volgende kleurverandering keer (Timex)
mouse-drop		Deze knop moet worden geklikt voor deeltjes in de ondergrond kan worden gebracht door op plaatsen in de ondergrond.
Show-paden?		Als Show-paden? "aan" het water deeltjes laat een spoor van blauwe tonen waar ze zijn geweest (zie figuur 1).
opnieuw laten vallen?		Als re-drop? "aan" de deeltjes worden vervangen in een flux gewogen manier voor elk deeltje, die het systeem verlaat, en de cumulatieve plot niet werkt. Wanneer een partikel verlaat de hyporheic zone het aantal deeltjes in het systeem neemt af als re-drop? is "uit" (zie figuur 1).

Tabel 1. Hyporheic Parameters en Simulatie Controls. Elke parameter, knop en schuif die kunnen worden aangepast door de gebruiker wordt gegeven in deze tabel samen met een definitie.

In deze simulatie twee processen induceren vloeistofsnelheid in het zandbed. De eerste is te wijten aan de interactie van de stroming met bedforms. De snelheid hoofd op het water / sediment-interface veroorzaakt door bedforms is ook ongeveer sinusvormige en verschoven door een kwart van de golflengte van de bodemstructuren zelf ^22. De amplitude van de snelheidshoogte functie op het oppervlak ondergrond interface is benaderd uit metingen als ^16:

waarbij U is de gemiddelde oppervlakte watersnelheid, g de gravitatieconstante, en d is de diepte van het water (figuur 1). De snelheidshoogte functie wordt dan gegeven door:

Vergelijking 3:

Deze kop functie kan dan worden gebruikt om de bodemstructuren gebaseerde component van de ondergrond velocity functies berekenen door het oplossen van de Laplace vergelijking met een beddiepte constant zand ^20. De tweede component van het poriewater snelheid wordt bepaald door de helling van het systeem S, wat overeenkomt met een zwaartekracht head gradiënt dat de rendementen stroomt in stroomafwaartse richting evenredigs / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De laatste functies voor het poriënwater snelheid zijn.:

Vergelijking 4:

Vergelijking 5:

waarbij U de longitudinale snelheidscomponent, v de verticale snelheidscomponent, K is de gemiddelde doorlatendheid van het sediment, de gemiddelde porositeit van de sedimenten, y de verticale coördinaat en D de diepte van de sedimenten.

Deeltje volgen simulaties werden gecreëerd, waarin de NetLogo modelleertaal en simulatie platform ²³ te gebruiken. De twee implementaties (Mousedrop.nlogo en Interface.nlogo) gebruiken deze vergelijkingen te modelleren hyporheic stroom met dezelfde simulatie kern. Het belangrijkste verschil is de initiële locatie van de tracer deeltjes. Mousedrop kan de gebruiker gesimuleerde tracer overal plaatsen onder het oppervlak. Ondergrondse snelheid vergelijkingen 4 en 5 worden gebruikt om de tracer naar kleurstof injectie experimenten te simuleren. In Interface, is tracer altijd langs het oppervlak / ondergrond grens geplaatst in een flux-gewogen manier. Deze bootst de levering van opgeloste en zwevende materiaal van het oppervlaktewater in het poriënwater, die cruciaal is voor het begrip van hyporheic uitwisseling. De tracer gaat dan onder het oppervlak, totdat het weer de stroom water bereikt. Het opsporen van de kleurstof paden in de goot en de paden via NetLogo nabootsen geeft de stroomlijnen van de FlowField, mits de stroomomstandigheden en bodemstructuren morfologie stabiel blijven tijdens de observatieperiode. Interface.nlogo creëert een cumulatieve verblijftijdspreiding, die toont verhouding van het aantaltracer deeltjes blijven in de sedimenten tot het oorspronkelijke aantal tracer deeltjes geplaatst op tijdstip 0 als functie van de tijd.

Zoals besproken in een recent literatuuronderzoek ^24, blijft er veel discussie binnen het onderwijsonderzoek gemeenschap over de relatieve voordelen van hands-on laboratoriumexperimenten versus gesimuleerde laboratoria en computermodellen. Aan de ene kant, wat het gevoel dat "hands-on ervaring in het hart van het leren" ^25, en voorzichtigheid die argumenten kostenbesparingen kan het stimuleren van de vervanging van de hands-on lab activiteiten van computer-based simulaties, ten koste van de student inzicht ^26. Aan de andere kant, sommige onderzoekers in de wetenschap / techniek onderwijs beweren dat simulaties zijn minstens zo effectief als de traditionele hands-on labs ^27, of discussiëren over de voordelen van computer-simulatie in het bevorderen van de student centraal "ontdekkend leren" ^28. Hoewel consensus niet opnieuwdeed pijn, hebben vele onderzoekers geconcludeerd dat, idealiter, computer simulaties moeten aanvullen, in plaats van verdringen, hands-on laboratoriumexperimenten ^29,30. Er zijn ook initiatieven binnen de wetenschap en techniek onderwijs gelijktijdig paar fysieke experimenten en real-world-sensing met computersimulaties van de verschijnselen; zie bijvoorbeeld "bifocale modeling" ^31.

Studenten kunnen een diepere conceptuele kennis en een beter begrip van het wetenschappelijk onderzoeksproces door interactie met zowel een fysieke systeem en een computer-based simulatie van dat systeem te krijgen. Deze procedure houdt in dat studenten het uitvoeren van een opgeloste transport experiment dat aantoont zwaartekracht en bodemstructuren-geïnduceerde hyporheic uitwisseling flow, en overeenkomen met hun eigen experimentele opzet en resultaten met een computersimulatie van dezelfde verschijnselen. Deze vergelijking vergemakkelijkt belangrijke student-leerresultaten, en een diepere bespreking van tHij wetenschappelijke methode, en de wisselwerking tussen model / de theorie-gebouw en empirische validatie door middel van het verzamelen van gegevens. Na het uitvoeren van deze vergelijking, kunnen de studenten ook gebruik maken van de voordelen van computer-based simulatie te nemen om snel een groot aantal alternatieve scenario's te ontdekken door het veranderen van model parameters.