Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação
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
Advective troca entre o espaço dos poros dos sedimentos e da coluna de água que cobre, chamado de troca hyporheic em ambientes fluviais, impulsiona transporte de soluto em rios e muitos processos biogeoquímicos importantes. Para melhorar a compreensão desses processos através de manifestação visual, criamos uma simulação de fluxo hyporheic no multi-agente plataforma de modelagem de computador NetLogo. A simulação mostra marcador virtual fluindo através de um leito coberto com bedforms bidimensionais. Sedimento, de fluxo, e bedform características são usadas como variáveis de entrada para o modelo. Nós ilustramos como estas simulações combinar observações experimentais obtidos em experiências flume laboratório com base em parâmetros de entrada medidos. Corante é injetado nos sedimentos flume para visualizar o fluxo água intersticial. Para efeito de comparação partículas tracer virtuais são colocados nos mesmos locais na simulação. Esta simulação e laboratório de experimentação, casada tem sido usado com sucesso em cursos de graduação e gradualaboratórios te de visualizar diretamente as interações rio-água intersticial e mostrar como simulações de fluxo baseado em física pode reproduzir fenômenos ambientais. Os alunos tiraram fotos do leito através das paredes transparentes flume e comparou-os a formas do corante no mesmo horário na simulação. Isto resultou em tendências muito semelhantes, o que permitiu aos alunos a compreender melhor tanto os padrões de fluxo e do modelo matemático. As simulações também permitem ao usuário visualizar rapidamente o impacto de cada parâmetro de entrada, executando várias simulações. Este processo também pode ser usado em aplicações de pesquisa para ilustrar os processos básicos, referem fluxos interfacial e transporte água intersticial, e apoiar modelação baseada no processo quantitativo.
Introduction
À medida que a água de superfície em um córrego, rio ou zona das marés cria gradientes de cabeça que levam a água para dentro e para fora dos sedimentos 1. Em sistemas fluviais a parte dos sedimentos Streambed onde ocorre essa troca é conhecida como a zona de 2,3 hyporheic. Esta zona é importante porque muitos nutrientes e poluentes são armazenados, depositado, ou transformado dentro da zona hyporheic 4-9. A quantidade de tempo que um marcador passa no sedimento é chamado de tempo de residência. Ambas as vezes de residência e os locais dos caminhos de fluxo afetam os processos de transformação. A melhor compreensão dos processos que afectam o escoamento através do sedimento é necessário para estimar o transporte de soluto em rios e dirigir grandes problemas ambientais resultantes da propagação de materiais tais como nutrientes (por exemplo, de hipoxia costeira 10,11). Apesar da importância do intercâmbio hyporheic, que muitas vezes não é descrita em cursos de graduação em hidrologia,mecânica dos fluidos, hidráulica, etc. educadores que desejam adicionar troca hyporheic para seus cursos poderia encontrá-lo útil para ter visualizações experimentais e numéricos que mostram claramente este processo.
Sinuosidade córrego canal, níveis freáticos circundantes, e topografia leito (ou seja, bares, bedforms, e montes biogénicas) afetam troca hyporheic em diferentes graus 12-17. Este estudo incidiu sobre bedforms, tais como dunas e ondulações, que são geralmente características geomorfológicas principais que afetam o fluxo hyporheic 14,15. Criamos uma simulação e laboratório experimento numérico para visualizar o fluxo através de uma série regular de bedforms. Esta simulação é baseado em um corpo de pesquisa anterior relativa caminhos de fluxo hyporheic características do sistema para facilmente observáveis 15,18-21. Como esta pesquisa constitui a base científica para a simulação, um breve resumo dos aspectos-chave da teoria segue. Bedform topografia, T (x),É dado por:
Equação 1: 
em que H é o dobro da amplitude do bedform, k é o número de onda, e X é a dimensão longitudinal paralelo à superfície média leito. Um exemplo deste topografia bedform é mostrado na Figura 1.
Figura 1. definições e configurações de parâmetro controlado pelo usuário. Em Interface, partículas traçadores são liberados de forma fluxo ponderada na interface água / sedimento e rastreados através do sedimento. Se show-caminhos? É "on" a marca traçadores de água onde eles foram, mostrando seus caminhos. Quando um marcador retorna para a água de superfície, isso muda tele número total de marcadores no sistema, quando re-drop? é definido como "off". A trama de distribuição cumulativa tempo de residência mostra esta mudança traçando a razão entre o número de marcadores que permanecem no leito de sedimentos para o número inicial como uma função do tempo. Se re-drop? É "on", em seguida, traçadores que deixam o sistema são substituídas da mesma maneira fluxo ponderada como partículas originais, eo enredo cumulativa está desativado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Nome parâmetro | Unidades | Definição | Interface | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Comprimento de onda de bedform (ver Figura 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | Duas vezes a amplitude bedform (veja a Figura 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | Profundidade dos sedimentos (ver Figura 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / s | Condutividade hidráulica | | | ||
| Porosidade (θ) | Porosidade | | | |||
| ChannelVelocity (L) | cm / s | Velocidade média na superfície da água ou canal | | | ||
| Profundidade (d) | cm | A profundidade da água (ver Figura 1) | | | ||
| Slope (S) | Inclinação da superfície da água e bedforms | | <td> ||||
| NumParticles | O número de partículas libertadas para o sistema. | | ||||
| Timex (Time1, Time2 ..) | min | Hora em que cada mudança de cor ocorre | | |||
| Simulação Botões | Definição | Interface | Mousedrop | |||
| Estabelecer | Defina-se a simulação de uso de parâmetros mostrados | | | |||
| ir / parar | Inicia e pára a simulação | | | |||
| Passo | Clicando etapa faz com que um passo de tempo para passar. Isso permite que usuários para abrandar o código e ver exatamente o que acontece em 100 segundos. | | ||||
| caminhos claros | Limpa todos os caminhos ele partículas azuis da tela | | | |||
| Avançar para a próxima época | Isso faz com que o programa seja executado até a próxima mudança de cor (Timex) | | ||||
| rato-drop | Este botão deve ser clicado antes de partículas podem ser colocados no subsolo clicando em locais em subsuperfície. | | ||||
| show-caminhos? | Se show-caminhos? é "on" as partículas de água deixam um rastro de exibição azul onde eles foram (ver Figura 1). | | | |||
| re-largar? | Se re-drop? é "ligado" as partículas são substituídos de um modo ponderado para cada fluxo de partículas, que sai do sistema, e a trama cumulativo não funciona. Quando um partiCLE sai da zona hyporheic o número de partículas no sistema diminui, se re-gota? é "off" (veja a Figura 1). | | ||||
Tabela 1. Parâmetros Hyporheic e Simulação controles. Cada parâmetro, botão e controle deslizante que pode ser ajustado pelo usuário é dado nesta tabela, juntamente com uma definição.
Nesta simulação, dois processos induzir velocidade do fluido no leito de areia. O primeiro é devido às interações do fluxo de córrego com bedforms. A cabeça de velocidade na interface água / sedimento induzida por bedforms também é de aproximadamente sinusoidal, e trocou por um comprimento de onda trimestre do próprio bedform 22. A amplitude da função cabeça de velocidade na interface de superfície-subsuperficial foi aproximada a partir de medições 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "always"> Equação 2:
onde U é a velocidade média de superfície de água, g é a constante gravitacional, e d é a profundidade da água (mostrado na Figura 1). A função de cabeça de velocidade é então dado por:
Equação 3: 
Esta função de cabeça pode então ser usado para calcular a componente-base de bedform as funções de velocidade subsuperficial, resolvendo a equação de Laplace, com uma profundidade de leito de areia constante 20. O segundo componente da velocidade água intersticial é determinada pela inclinação do sistema, S, o que corresponde a um gradiente gravitacional cabeça que os rendimentos de fluxo na direcção a jusante proporcionals / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> As funções finais para velocidade água intersticial são.:
Equação 4: 
Equação 5: 
onde L é o componente de velocidade longitudinal, v é a componente de velocidade vertical, K é a condutividade hidráulica média diária do sedimento, é a porosidade média dos sedimentos, Y é a coordenada vertical, e D é a profundidade dos sedimentos.
Simulações de rastreamento de partículas foram criadas, que utilizam a linguagem de modelagem NetLogo e plataforma de simulação 23. As duas implementações (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usam estas equações para modelar hyporheic fluxo com o mesmo núcleo de simulação. A principal diferença é nos locais iniciais das partículas marcadoras. Mousedrop permite que o utilizador coloque traçador simulado em qualquer lugar dentro do subsolo. Equações de velocidade Subsurface 4 e 5 são usados para mover o marcador para simular experimentos de injeção de corante. Em Interface, tracer é sempre colocada ao longo do limite de superfície / subsuperfície de uma maneira fluxo ponderada. Este imita a entrega de material dissolvido e suspenso da água de superfície na água intersticial, o que é crucial para a compreensão de câmbio hyporheic. O marcador, em seguida, move-se dentro da subsuperfície até que novamente atinge a água corrente. Traçando os caminhos de corante na caleira e simulando os caminhos usando NetLogo produz as linhas de corrente do flowfield, contanto que as condições de fluxo e morfologia bedform permanecer estável durante o período de observação. Interface.nlogo cria uma distribuição de tempo de residência cumulativa, que mostra o razão entre o número departículas marcadoras restantes nos sedimentos para o número inicial de partículas marcadoras colocados no tempo 0 como uma função do tempo.
Como discutido em uma recente pesquisa da literatura 24, continua a haver considerável debate dentro da comunidade da pesquisa educacional sobre os méritos relativos de hands-on experimentos de laboratório contra laboratórios simulados e modelos de computador. Por um lado, alguns acham que "hands-on experiência está no cerne da aprendizagem" 25, e cuidado que os argumentos de redução de custos pode ser alimentando a substituição de atividades práticas de laboratório por simulações baseadas em computador, em detrimento de estudante entendimento 26. Por outro lado, alguns pesquisadores em ensino de ciências / engenharia argumentam que as simulações são pelo menos tão eficaz quanto a tradicional hands-on labs 27, ou discutir os benefícios do computador-simulação na promoção centrado no aluno "aprendizagem pela descoberta" 28. Enquanto consenso não foi redoía, muitos pesquisadores concluíram que, idealmente, simulações de computador deve complementar, e não substituir, hands-on experimentos de laboratório 29,30. Também houve iniciativas no âmbito da ciência e da educação em engenharia para a experimentação física e do mundo real sentindo com simulações de computador dos fenômenos simultaneamente casal; ver, por exemplo, "modelagem bifocal" 31.
Os estudantes podem obter um conhecimento mais profundo conceptual e uma melhor compreensão do processo de investigação científica, interagindo com tanto um sistema físico, e uma simulação por computador desse sistema. Este procedimento implica ter os alunos realizam um experimento de transporte de solutos que demonstra fluxo cambial hyporheic gravitacional e induzida por bedform, e combinar a sua própria configuração experimental e os resultados com uma simulação de computador dos mesmos fenômenos. Esta comparação facilita os resultados da aprendizagem no aluno importantes e uma discussão mais profunda de tele método científico, e interacção entre a modelo / construção de teoria e validação empírica através da recolha de dados. Depois de realizar esta comparação, os estudantes também podem aproveitar os benefícios da simulação baseada em computador para explorar rapidamente uma infinidade de cenários alternativos, alterando os parâmetros do modelo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em conjunto, os de demonstração e de rastreamento de partículas simulações flume fornecer uma introdução abrangente para o fluxo hyporheic para uma variedade de audiências. Os participantes de todos os níveis são fornecidos evidência visual para a ocorrência de troca hyporheic induzida por bedforms, ea forte variabilidade nos caminhos de fluxo de subsuperfície sob bedforms. Estes procedimentos podem ser usados como uma simples demonstração de fluxo de água intersticial para alunos de graduação ou…
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).
