Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione
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
Scambio advective tra lo spazio dei pori dei sedimenti e la colonna d'acqua sovrastante, denominato scambio iporreico in ambienti fluviali, guida trasporto dei soluti in fiumi e molti importanti processi biogeochimici. Per migliorare la comprensione di questi processi attraverso dimostrazione visiva, abbiamo creato una simulazione del flusso iporreico nel multi-agente piattaforma di modellazione informatica NetLogo. La simulazione mostra tracciante virtuale fluisce attraverso streambed coperto con bedforms bidimensionali. Sedimenti, di flusso, e bedform caratteristiche vengono utilizzate come variabili di input per il modello. Illustriamo come queste simulazioni corrispondono osservazioni sperimentali da esperimenti flume laboratorio sulla base di parametri di input misurati. Colorante viene iniettato nei sedimenti flume per visualizzare il flusso porewater. Per confronto particelle traccianti virtuali sono collocati nelle stesse posizioni nella simulazione. Questo esperimento di simulazione e di laboratorio accoppiato è stato utilizzato con successo in laurea e gradualaboratori te di visualizzare direttamente le interazioni fiume porewater e mostrano come le simulazioni di flusso basati fisicamente in grado di riprodurre fenomeni ambientali. Gli studenti hanno preso fotografie del letto attraverso le pareti a circolazione d'acqua trasparenti e li hanno confrontati a forme del colorante alla stessa ora nella simulazione. Ciò ha provocato le tendenze molto simili, che ha permesso agli studenti di comprendere meglio sia i modelli di flusso e il modello matematico. Le simulazioni consentono anche all'utente di visualizzare rapidamente l'impatto di ogni parametro di ingresso eseguendo simulazioni multiple. Questo processo può essere utilizzato anche in applicazioni di ricerca per illustrare processi di base, in relazione flussi di interfaccia e di trasporto porewater, e supportare la modellazione basata su processo quantitativo.
Introduction
Come acque superficiali si muove in un torrente, fiume o zona di marea crea sfumature di testa che guidano l'acqua dentro e fuori dei sedimenti 1. Nei sistemi fluviali porzione dei sedimenti alveo in cui si verifica questo scambio è nota come zona di 2,3 iporreico. Questa zona è importante perché molte sostanze nutritive e inquinanti sono memorizzati, depositati, o trasformati all'interno della zona iporreico 4-9. La quantità di tempo trascorre un tracciante nel sedimento è chiamato un tempo di permanenza. Entrambi i tempi di permanenza e le posizioni dei percorsi di flusso influenzano i processi di trasformazione. È necessaria una migliore comprensione dei processi che interessano il flusso attraverso il sedimento di prevedere il trasporto soluto in fiumi e affrontare grandi problemi ambientali derivanti dalla propagazione di materiali come nutrienti (ad esempio, ipossia costiera 10,11). Nonostante l'importanza dello scambio iporreico, spesso non è descritta nei corsi di laurea in idrologia,meccanica dei fluidi, idraulica, ecc educatori che desiderano aggiungere scambio iporreico ai loro corsi potrebbero trovare utile avere visualizzazioni sperimentali e numerici che mostrano chiaramente questo processo.
Sinuosità flusso di canale, livelli delle acque sotterranee circostanti, e la topografia alveo (cioè, bar, bedforms e tumuli biogene) tutti influenzano scambio iporreico a vari livelli 12-17. Questo studio si è concentrato su bedforms, come le dune e increspature, che di solito sono le caratteristiche geomorfologiche chiave che influenzano il flusso iporreico 14,15. Abbiamo creato un esperimento di simulazione numerica e di laboratorio di visualizzare il flusso attraverso una serie regolare di bedforms. Questa simulazione si basa su un corpo di precedenti ricerche relative percorsi di flusso iporreico caratteristiche del sistema per facilmente osservabili 15,18-21. Dato che questa ricerca costituisce la base scientifica per la simulazione, un breve riassunto degli aspetti fondamentali della teoria segue. Bedform topografia, T (x),è dato da:
Equazione 1: 
dove H è due volte l'ampiezza del bedform, k è il numero d'onda, ed x è la dimensione longitudinale parallelo alla superficie media alveo. Un esempio di questo bedform topografia è mostrato in Figura 1.
Figura 1. definizioni e le impostazioni dei parametri controllati dall'utente. In interfaccia, particelle traccianti vengono rilasciati in modo flusso ponderato al / all'interfaccia sedimento acqua e monitorati attraverso il sedimento. Se show-sentieri? È "On" il marchio traccianti d'acqua dove sono stati, mostrando i loro percorsi. Quando un tracciante torna in acque di superficie, questo cambia tegli numero totale dei traccianti nel sistema, quando ri-drop? è impostata su "off". La trama distribuzione del tempo di residenza progressivo registra questa modifica tracciando il rapporto del numero di rivelatori rimanenti nel letto sedimenti al numero iniziale in funzione del tempo. Se ri-drop? È "on" allora traccianti che lasciano il sistema vengono sostituiti nello stesso modo di flusso ponderato particelle originali, e la trama cumulativo non è attivato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| Nome Parametro | Unità | Definizione | Interfaccia | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Lunghezza d'onda di bedform (vedi Figura 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | Due volte l'ampiezza bedform (vedi Figura 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | Profondità dei sedimenti (vedi Figura 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / s | Conducibilità idraulica | | | ||
| Porosità (θ) | Porosità | | | |||
| ChannelVelocity (U) | cm / s | Velocità media in acque di superficie o il canale | | | ||
| Profondità (d) | cm | La profondità dell'acqua (vedi Figura 1) | | | ||
| Pendenza (S) | Pendenza dei bedforms e la superficie dell'acqua | | <td> ||||
| NumParticles | Il numero di particelle rilasciate nel sistema. | | ||||
| Timex (Tempo1, Time2 ..) | min | Momento in cui si verifica ogni cambio di colore | | |||
| Pulsanti di simulazione | Definizione | Interfaccia | Mousedrop | |||
| Impostare | Impostare di la simulazione con parametri che figurano | | | |||
| go / stop | Avvia e arresta la simulazione | | | |||
| Passo | Cliccando passaggio causa unico passaggio per passare. Questo permette agli utenti di rallentare il codice e vedere esattamente ciò che accade in 100 sec. | | ||||
| percorsi chiari | Cancella tutti lui i percorsi di particelle blu dallo schermo | | | |||
| Anticipo per la prossima volta | Questo fa sì che il programma da eseguire fino al successivo cambio di colore (Timex) | | ||||
| Mouse-drop | Questo tasto deve essere cliccato prima le particelle possono essere immessi nel sottosuolo cliccando su posizioni nel sottosuolo. | | ||||
| show-percorsi? | Se show-percorsi? è "on" le particelle di acqua lasciano una scia di blu mostrando dove sono stati (vedi Figura 1). | | | |||
| ri-goccia? | Se ri-drop? è "on" le particelle sono sostituite in modo ponderato di flusso per ogni particella, che esce il sistema, e la trama cumulativo non funziona. Quando un particle esce dalla zona iporreica il numero di particelle nel sistema diminuisce se re-goccia? è "off" (vedi Figura 1). | | ||||
Tabella 1. Parametri iporreica e Simulazione controlli. Ogni parametro, pulsante, e di scorrimento che possono essere regolate dall'utente è dato in questa tabella con una definizione.
In questa simulazione, due processi inducono velocità del fluido nel letto di sabbia. Il primo è dovuto alle interazioni del flusso di corrente con bedforms. La testa di velocità all'interfaccia acqua / sedimenti indotta dal bedforms è anche approssimativamente sinusoidale, e spostata di un quarto d'onda dal bedform sé 22. L'ampiezza della funzione testa velocità all'interfaccia superficie sottosuolo è approssimata alle misurazioni di 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "always"> Equazione 2:
dove U è la velocità dell'acqua superficiale media, g è la costante gravitazionale, e d è la profondità dell'acqua (Figura 1). La funzione di testa di velocità è quindi dato da:
Equazione 3: 
Questa funzione testa può quindi essere utilizzato per calcolare la componente basato bedform-delle funzioni di velocità sottosuolo risolvendo l'equazione di Laplace con un letto di sabbia profondità costante 20. Il secondo componente della velocità porewater è determinato dalla pendenza del sistema, S, che corrisponde ad un gradiente testa gravitazionale che rese scorrono verso valle proporzionales / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Le funzioni finali per velocità porewater sono.:
Equazione 4: 
Equazione 5: 
dove u è la componente della velocità longitudinale v è la componente di velocità verticale, K è la conducibilità idraulica media del sedimento, è la porosità media dei sedimenti, y è la coordinata verticale, e D è la profondità dei sedimenti.
Simulazioni di monitoraggio di particelle sono state create, che utilizzano il linguaggio di modellazione NetLogo e piattaforma di simulazione 23. I due implementazioni (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usano queste equazioni per modellare hypflusso orheic con lo stesso nucleo simulazione. La differenza principale è le posizioni iniziali delle particelle traccianti. Mousedrop permette all'utente di posizionare tracciante simulato ovunque all'interno del sottosuolo. Equazioni di velocità Subsurface 4 e 5 sono utilizzati per spostare il tracciante per simulare esperimenti di iniezione di tintura. In Interface, tracciante viene sempre collocato lungo il contorno della superficie / sottosuolo in un modo flusso ponderato. Questo imita la consegna di materiale dissolto e in sospensione dalle acque di superficie nel porewater, che è cruciale per comprendere lo scambio iporreico. Il tracciante poi si sposta all'interno del sottosuolo fino a raggiungere di nuovo l'acqua corrente. Tracciare i percorsi colorante nel canale e simulazione dei percorsi utilizzando NetLogo produce le linee di corrente del campo di portata, purché le condizioni di flusso e bedform morfologia rimangono costanti durante il periodo di osservazione. Interface.nlogo crea una distribuzione cumulativa tempo di residenza, che mostra la rapporto tra il numero diparticelle traccianti rimanenti nei sedimenti al numero iniziale di particelle traccianti poste al tempo 0 in funzione del tempo.
Come discusso in un recente sondaggio della letteratura 24, rimane considerevole dibattito all'interno della comunità di ricerca educativa sui meriti relativi di hands-on esperimenti di laboratorio contro laboratori simulati e modelli di computer. Da un lato, alcuni ritengono che "esperienza pratica è al centro di apprendimento" 25, e la cautela che gli argomenti risparmi possono essere alimentando la sostituzione di hands-on attività di laboratorio di simulazioni basate su computer, a scapito di studente comprensione 26. D'altra parte, alcuni ricercatori di didattica delle scienze / ingegneria sostengono che le simulazioni sono almeno altrettanto efficace quanto tradizionali laboratori pratici 27, o discutono i vantaggi della simulazione al computer nel favorire centrato sullo studente "apprendimento per scoperta" 28. Anche se il consenso non è stato ridoleva, molti ricercatori hanno concluso che, idealmente, simulazioni al computer dovrebbero integrare, piuttosto che sostituire, le mani su esperimenti di laboratorio 29,30. Ci sono state anche le iniziative nell'ambito della scienza e istruzione tecnica simultaneamente paio sperimentazione fisica e del mondo reale di rilevamento con simulazioni al computer dei fenomeni; vedi, ad esempio, "Modellazione bifocali" 31.
Studenti possono acquisire una conoscenza concettuale profonda e una migliore comprensione del processo di ricerca scientifica interagendo sia con un sistema fisico, e una simulazione computerizzata di tale sistema. Questa procedura implica avere studenti di eseguire un esperimento di trasporto dei soluti che dimostra il flusso di scambio iporreica gravitazionale ed bedform indotta, e abbinare la propria impostazione e risultati sperimentali con una simulazione al computer degli stessi fenomeni. Questo confronto facilita importanti risultati-apprendimento degli studenti, e una discussione più approfondita di tegli metodo scientifico, e l'interazione tra il modello / la teoria-costruzione e validazione empirica attraverso la raccolta dei dati. Dopo l'esecuzione di questo confronto, gli studenti possono inoltre usufruire dei vantaggi di simulazione su computer per esplorare rapidamente un gran numero di scenari alternativi, cambiando i parametri del modello.
Protocol
Representative Results
Discussion
In concomitanza, le simulazioni di dimostrazione e di monitoraggio delle particelle flume forniscono una completa introduzione al flusso iporreico per una gamma di pubblico. I partecipanti di tutti i livelli sono previste prove visive per il verificarsi di scambio iporreico indotta da bedforms, e la forte variabilità dei percorsi di flusso sotterraneo sotto bedforms. Queste procedure possono essere utilizzate come una semplice dimostrazione del flusso porewater per laureandi o K-12 studenti, oppure può essere utilizza…
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 |
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