חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה
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
חילופי Advective בין החלל הנקבובית של משקעים ועמודת המים שמעל, שנקרא חילופי hyporheic בסביבות נהרות, כונני תחבורה מומסת בנהרות ותהליכים רבים biogeochemical חשובים. כדי לשפר את ההבנה של תהליכים אלה באמצעות הפגנה חזותית, יצרנו זרימת סימולציה hyporheic בפלטפורמת מידול מחשב רב סוכן NetLogo. הסימולציה מציגה נותב וירטואלי זורם דרך הנחל מכוסה בbedforms דו-ממדי. מאפייני משקעים, זרימה, וbedform משמשים כקלט משתנה למודל. אנו מדגימים כיצד סימולציות אלה תואמים תצפיות ניסיוניות מניסויי מעבדה מתעלים מבוססות על פרמטרים של קלט שנמדדו. צבע מוזרק לתוך המשקעים המתעלים לדמיין את זרימת porewater. לשם השוואה חלקיקים נותב וירטואליים ממוקמים באותם מקומות בסימולציה. ניסוי סימולציה ומעבדה בשילוב זה שמש בהצלחה בתואר הראשון וgraduaמעבדות te לדמיין ישירות אינטראקציות הנהר-porewater ולהראות כיצד זרימת סימולציות מבוססות פיזי יכולות להתרבות תופעות סביבתיות. תלמידים צלמו את המיטה דרך הקירות השקופים המתעלים והשוו אותם לצורות של הצבע באותו פעמים בסימולציה. זה הביא מגמות דומות מאוד, שאפשרו לתלמידים להבין טובים יותר הן את דפוסי הזרימה ומודל המתמטי. הסימולציות גם מאפשרות למשתמש לחזות במהירות את ההשפעה של כל פרמטר קלט על ידי הפעלת סימולציות מרובות. גם תהליך זה יכול להיות בשימוש ביישומי מחקר כדי להמחיש תהליכים בסיסיים, מתייחס נתיבי interfacial ותחבורה porewater, ולתמוך במודלים מבוססי תהליך כמותי.
Introduction
כמהלכי מים עיליים בזרם, נהר, או אזור גאות ושפל הוא יוצר הדרגתיים ראש המניע את המים לתוך ומחוץ למשקעי 1. במערכות נהרות החלק ממשקעי הנחל שבו חילופי דברים מתרחש ידוע כ2,3 אזור hyporheic. אזור זה חשוב כי חומרים מזינים רבים ומזהמים מאוחסנים, הופקדו, או הפכו בתוך אזור hyporheic 4-9. כמות הזמן נותב מבלה במשקעים נקראת זמן מגורים. בשתי פעמים המגורים ואת מיקומם של מסלולי הזרימה משפיעים על תהליכי השינוי. יש צורך בהבנה משופרת של התהליכים המשפיעים על זרימה דרך המשקעים לחזות תחבורה מומסת בנהרות ולטפל בבעיות סביבתיות גדולות כתוצאה מהתפשטות של חומרים כגון חומרים מזינים (למשל, היפוקסיה החוף 10,11). למרות החשיבות של חילופי hyporheic, הוא לעתים קרובות אינם מתואר בקורסים לתואר ראשון בהידרולוגיה,מכניקת זורמים, הידראוליקה, וכו 'מחנכים המבקשים להוסיף חילופי hyporheic לקורסים שלהם יכולים למצוא את זה שימושי לי חזותי ניסיוני ומספרי שמראה בבירור את התהליך הזה.
פיתולי נחל ערוץ, רמות תהום שמסביב, וטופוגרפיה הנחל (כלומר, בארים, bedforms, ותלים הביוגניים) כל להשפיע חילופי hyporheic בדרגות שונות 12-17. מחקר זה התמקד בbedforms, כגון דיונות ואדוות, אשר בדרך כלל תכונות עיקריות המשפיעות על זרימת גאומורפיות hyporheic 14,15. יצרנו ניסוי סימולציה ומעבדה מספרי כדי להמחיש זרימה דרך סדרה קבועה של bedforms. סימולציה זה מבוססת על גוף של מחקרים קודמים הנוגע נתיבי זרימת hyporheic מאפייני מערכת לצפייה בקלות 15,18-21. כמו מחקר זה מהווה את הרקע המדעי לסימולציה, סיכום קצר של ההיבטים המרכזיים של התאוריה הבאה. הטופוגרפיה Bedform, T (x),ניתן על ידי:
משוואת 1: 
כאשר H הוא פעמיים את המשרעת של bedform, k הוא wavenumber, וx הוא מקביל ממד האורך אל פני השטח הנחל הממוצע. דוגמא של הטופוגרפיה bedform זה מוצגת באיור 1.
איור 1. הגדרות פרמטר וגדרות הנשלטות על ידי המשתמש. בממשק, חלקיקים נותב משתחררים באופן משוקלל שטף במים ממשק משקעים / ומעקב באמצעות המשקעים. אם נתיבים-הופעה? הוא "על" סימן קליעים נותבים מים שבו הם כבר, מראים דרכיהם. כאשר נותב חוזר למים העיליים, זה משתנה tהוא מספר כולל של קליעים נותבים במערכת, כאשר מחדש ירידה? מוגדר "כבוי". עלילת הפצת זמן מגורים המצטברת מראה את השינוי הזה על ידי התוויית היחס של מספר קליעים נותבים שנותרו במיטת המשקעים למספר הראשוני כפונקציה של זמן. אם מחדש ירידה? הוא "על" ואז קליעים נותבים שעוזבים את המערכת מוחלפים באותו אופן משוקלל שטף חלקיקים מקוריים, והעלילה המצטברת מושבת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| שם פרמטר | יחידות | הַגדָרָה | מִמְשָׁק | Mousedrop | ||
| למבדה (λ) | ס"מ | אורך גל של bedform (ראה איור 1) </ Td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | ס"מ | פעמיים משרעת bedform (ראה איור 1) | | | ||
| BedDepth (D) | ס"מ | עומק של המשקעים (ראה איור 1) | | | ||
| HydrCond (K) | סנטימטר / s | מוליכות הידראוליות | | | ||
| נקבוביות (θ) | נַקבּוּבִיוּת | | | |||
| ChannelVelocity (U) | סנטימטר / s | מהירות ממוצעת במים העיליים או ערוץ | | | ||
| עומק (ד) | ס"מ | עומק מים (ראה איור 1) | | | ||
| מדרון (S) | שיפוע של bedforms ומשטח מים | | <tד> ||||
| NumParticles | מספר החלקיקים שוחרר למערכת. | | ||||
| טיימקס (TIME1, TIME2 ..) | דקות | זמן שבו כל שינוי צבע מתרחש | | |||
| לחצני סימולציה | הַגדָרָה | מִמְשָׁק | Mousedrop | |||
| להכין | הגדר של את הסימולציה באמצעות פרמטרים המוצגת | | | |||
| ללכת / להפסיק | מתחיל ומפסיק את הסימולציה | | | |||
| שָׁלָב | לחיצה צעד צעד גורמת פעם אחת כדי לעבור. זה מאפשר למשתמשים להאט את הקוד ולראות בדיוק מה קורה ב100 שניות. | | ||||
| שבילים ברורים | מנקה את כולו נתיבי חלקיקים כחולים מהמסך | | | |||
| להתקדם לפעם הבאה | זה גורם לתכנית לפעול עד לשינוי צבע בפעם הבא (Timex) | | ||||
| עכבר-טיפה | כפתור זה חייב להיות לחץ לפני חלקיקים עשויים להיות ממוקמים בתת הקרקע על ידי לחיצה מקומות בתת הקרקע ב. | | ||||
| נתיבים-הופעה? | אם נתיבים-הופעה? הוא "על" חלקיקי המים להשאיר עקבות של הקרנה הכחולה שבו הם היו (ראה איור 1). | | | |||
| מחדש לרדת? | אם מחדש ירידה? הוא "על" החלקיקים מוחלפים באופן משוקלל שטף לכל חלקיק, שיוצא למערכת, והעלילה מצטברת לא עובדת. כאשר Parti CLE יוצא אזור hyporheic מספר החלקיקים במערכת יורד אם מחדש ירידה? הוא "מעל" (ראה איור 1). | | ||||
בקרת הטבלה 1. פרמטרי Hyporheic וסימולציה. כל פרמטר, לחצן, ומחוון שיכול להיות מותאם על ידי המשתמש מקבלים בטבלה זו יחד עם הגדרה.
בסימולציה זו, שני תהליכים לגרום למהירות נוזל במיטת החול. הראשון הוא בשל האינטראקציות של זרימת הזרם עם bedforms. ראש המהירות בממשק מים / משקעים הנגרמים על ידי bedforms גם כ סינוסי, ועבר על ידי גל רבעון מbedform עצמו 22. המשרעת של פונקצית ראש המהירות בממשק משטח-מתחת לפני הקרקע כבר מקורבות ממדידות 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa GE = "תמיד"> משוואה 2:
בי U היא מהירות מים העילית הממוצעת, גרם הוא קבוע הכבידה, וד הוא העומק של המים (מוצגים באיור 1). פונקצית ראש המהירות לאחר מכן ניתנה על ידי:
משוואה 3: 
פונקצית ראש זה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לחשב את הרכיב מבוסס bedform של פונקציות מהירות מתחת לפני הקרקע על ידי פתרון משוואת Laplace עם עומק מיטת חול קבוע 20. המרכיב השני של מהירות porewater נקבע על ידי השיפוע של המערכת, S, אשר תואמת את שיפוע ראש הכבידה שתשואות לזרום בכיוון מורד הזרם הפרופורציונלי לs / ftp_upload / 53,285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> הפונקציות הסופיות למהירות porewater הן.:
משוואה 4: 
משוואה 5: 
איפה u הוא רכיב המהירות האורך, נ 'הוא רכיב המהירות האנכי, K הוא המוליכות הידראוליות הממוצעת של המשקעים, הוא נקבוביות הממוצעת של המשקעים, y הוא לתאם האנכי, ו- D הוא העומק של המשקעים.
סימולציות מעקב חלקיקים נוצרו, שמשתמשות בשפת דוגמנות NetLogo ופלטפורמת סימולציה 23. שני יישומים (Mousedrop.nlogo וInterface.nlogo) להשתמש משוואות אלה למודל HYPזרימת orheic עם אותו ליבת הסימולציה. ההבדל העיקרי הוא במקומות הראשוניים של החלקיקים נותב. Mousedrop מאפשר למשתמש למקם נותב מדומה בכל מקום בתוך תת הקרקע. מהירות מתחת לפני הקרקע משוואות 4 ו -5 משמשות כדי להזיז את נותב כדי לדמות ניסויי הזרקת צבע. בממשק, נותב תמיד להציב לאורך גבול משטח / מתחת לפני הקרקע באופן משוקלל שטף. זה מחקה את המשלוח של חומר מומס והושעה מהמים העיליים לporewater, שהוא חיוני להבנת חילופי hyporheic. נותב אז נע בתוך תת הקרקע עד ששוב מגיע למים הנחל. איתור נתיבי הצבע במתעל ומדמה את הנתיבים באמצעות NetLogo מניב המייעל של flowfield, כל עוד תנאי הזרימה ומורפולוגיה bedform יישארו יציבים בתקופה של התבוננות. Interface.nlogo יוצר חלוקת זמן מגורים מצטברת, אשר מציגה את יחס של מספרחלקיקים נותב שנותרו במשקעים למספר הראשוני של חלקיקים נותב הוצבו בזמן 0 כפונקציה של זמן.
כפי שנאמר בסקר הספרות האחרון 24, יש עדיין ויכוח ניכר בתוך קהילת המחקר החינוכית על היתרונות היחסי של ידיים על ניסויי מעבדה לעומת מעבדות מדומה ומודלים ממוחשבים. מצד אחד, חלק מרגיש ש" התנסות היא בלב של למידה "25, וזהירות שעלות חיסכון טיעונים ניתן תדלוק החלפת ידיים על מעבדה פעילויות על ידי סימולציות מבוססות מחשב, לרעת הבנה של תלמידי 26. מצד השני, חלק מהחוקרים בחינוך מדעי / הנדסה טוענים כי סימולציות הן יעילות לפחות כמו מסורתי ידיים על מעבדות 27, או לדון את היתרונות של מחשב סימולציה בטיפוח "למידת גילוי" ממוקד-תלמיד 28. בעוד קונסנסוס לא מחדשכאב, חוקרים רבים הגיעו למסקנה כי, באופן אידיאלי, הדמיות מחשב צריכים להשלים, ולא להחליף, ידיים על ניסויי מעבדה 29,30. היו גם יוזמות בתוך מדע וחינוך הנדסה לבו זמנית כמה ניסויים פיזיים ועולם האמיתי חישה עם סימולציות מחשב של התופעות; ראה, למשל, "דוגמנות דו מוקדי" 31.
סטודנטים יכולים להרוויח יותר ידע רעיוני והבנה טובה יותר של תהליך המחקר המדעי על ידי אינטראקציה עם שתי מערכת פיזית, וסימולציה מבוססת מחשב של מערכת ש. הליך זה כרוך שיש תלמידים לבצע ניסוי תחבורה מומסת המדגים זרימת מטבע hyporheic הכבידה ומושרה bedform, ולהתאים את תוכנית ההתקנה שלהם ניסיונית ותוצאות עם הדמיית מחשב של אותה התופעה. השוואה זו מאפשרת תוצאות חשובות ללמוד-תלמיד, ודיון עמוק יותר של tהוא שיטה מדעית, ויחסי גומלין בין מודל / תיאורית הבנייה ותיקוף אמפירי באמצעות איסוף נתונים. לאחר ביצוע השוואה זו, תלמידים יכולים גם לנצל את היתרונות של סימולציה ממוחשבת כדי לחקור במהירות מספר רב של תרחישים חלופיים על ידי שינוי פרמטרים מודל.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשיתוף, סימולציות הפגנה ומעקב חלקיקים המתעלות לספק מבוא מקיף לזרימת hyporheic עבור מגוון של קהלים. משתתפים של כל הרמות מסופקים ראיות חזותיות להתרחשות של חילופי hyporheic הנגרמת על ידי bedforms, וההשתנות החזקה בזרימה תת-קרקעית מתחת לנתיבים bedforms. נהלים אלה יכולים לשמש כהפגנה פשוטה…
Disclosures
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).
