Визуализация Hyporheic поток через пласты Использование Dye эксперименты и моделирование
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
Адвективная обмен между порового пространства осадков, а в столбце вышележащих воды, называемой hyporheic обмен в речных условиях, приводы растворенного транспорт в реках и многих важных биохимических процессов. Для улучшения понимания этих процессов через наглядной демонстрации, мы создали имитацию hyporheic потока в многоагентных компьютерного моделирования платформы NetLogo. Моделирование показывает, виртуальный трассирующими протекающей через русла, покрытые двумерных донных. Засыпные, расхода и bedform характеристики используются в качестве входных переменных для модели. Проиллюстрируем, как эти модели соответствуют экспериментальные наблюдения от лаборатории водопропускных экспериментов на основе измеренных входных параметров. Краситель вводится в водопропускных осадков визуализировать поток поровой воды. Для сравнения виртуальные частицы трассирующими размещаются в тех же местах в симуляции. Это в сочетании моделирование и лабораторный эксперимент был успешно использован в студентов и graduaТе лаборатории непосредственно визуализировать река-поровой воды взаимодействий и показать, как моделирование потока физически, основанные может воспроизводить экологические явления. Студенты сфотографировали слой через прозрачные стенки лотка и сравнили их с формами красителя в то же время в процессе моделирования. Это привело к очень похожих тенденций, которые позволили студентам лучше понять и закономерности течения и математическую модель. Моделирование также позволяет пользователю быстро визуализировать влияние каждого входного параметра, выполнив несколько моделирования. Этот процесс также может быть использован в исследовательских целях, чтобы проиллюстрировать основные процессы, относятся межфазных потоков и поровой воды транспорта, и поддерживать количественный моделирование процессов на основе.
Introduction
Как поверхностных водных движется в потоке, реку или приливной зоне создает головные градиенты, которые управляют воды в и из отложений 1. В речных систем часть русла отложений, где этот обмен происходит известен как hyporheic зоны 2,3. Эта зона является важным, поскольку многие питательные вещества и загрязнители хранятся, хранение, или превращается в hyporheic зоны 4-9. Количество времени трассирующими проводит в осадке называется время пребывания. Оба раза на жительство и расположение протоков влияют на процессы трансформации. Более глубокое понимание процессов, затрагивающих потока через осадка необходимо, чтобы предсказать растворенного транспорт в реках и адрес большие экологические проблемы, связанные с распространением материалов, таких как питательные вещества (например, прибрежные гипоксии 10,11). Несмотря на значимость hyporheic обмен, он часто не описано в бакалавриата в области гидрологии,механики жидкости, гидравлики и т.д. Педагоги, желающие добавить hyporheic обмен на их курсах может оказаться полезным иметь экспериментальные и численные визуализации, которые ясно показывают этот процесс.
Поток канала волнистость, прилегающих уровня грунтовых вод, а русло топография (т.е., бары, пласты, и биогенные курганы) влияют hyporheic обмен в разной степени 12-17. Это исследование сфокусировано на донных, таких как дюны и рябь, которая, как правило, ключевые особенности, влияющие на геоморфологические hyporheic поток 14,15. Мы создали численное моделирование и лабораторный эксперимент, чтобы визуализировать поток через обычный серии донных. Это моделирование основано на теле предыдущих исследований, касающихся hyporheic пути потока, чтобы легко наблюдаемые характеристики системы 15,18-21. Как это исследование формирует научную основу для моделирования, краткое описание ключевых аспектов теории следующим образом. Bedform топография, Т (х),дан кем-то:
Уравнение 1: 
где Н в два раза амплитуда bedform, К волновое, и х продольный размер параллельно средней русла поверхности. Примером такого bedform топографии показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Определения и настройки параметров контролируется пользователем. В интерфейс, трассирующие частицы высвобождаются в порядке потока-взвешенный на / интерфейс осадков воды и отслеживаются через осадка. Если шоу-путей? В "на" водяной знак TRACERS, где они были, показывая их пути. Когда Tracer возвращается к поверхности воды, это изменяет тон общее число индикаторов в системе, при повторном падение? устанавливается в положение "выключено". Совокупное участок распределение времени пребывания показывает это изменение путем построения соотношение количества индикаторов оставшихся в осадке постели начального числа как функции времени. Если повторное падение? "Включен", то индикаторы, которые оставляют систему заменены таким же образом, потока, взвешенных в исходных частиц, и совокупный участок отключена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Имя параметра | Единицы | Определение | Интерфейс | Mousedrop | ||
| Лямбда (λ) | см | Длина волны bedform (рисунок 1) </ TD> |  | | ||
| BedformHeight (Н) | см | Дважды амплитуда bedform (рисунок 1) | | | ||
| BedDepth (D) | см | Глубина осадков (рисунок 1) | | | ||
| HydrCond (К) | см / с | Гидравлическая проводимость | | | ||
| Пористость (θ) | Пористость | | | |||
| ChannelVelocity (U) | см / с | Средняя скорость в поверхностную воду или канала | | | ||
| Глубина (d) | см | Глубина воды (рисунок 1) | | | ||
| Склон (S) | Наклон донных и поверхностных вод | | <td> ||||
| NumParticles | Число частиц выбрасывается в системе. | | ||||
| Timex (Время1, Время2 ..) | мин | Время, в котором происходит изменение цвета каждого | | |||
| Моделирование Кнопки | Определение | Интерфейс | Mousedrop | |||
| Настроить | Установите в очередной моделирование с использованием параметров, показанный | | | |||
| перейти / остановки | Начинает и останавливает моделирование | | | |||
| Шаг | Шаг Нажатие вызывает один временной шаг, чтобы пройти. Это позволяет пользователям, чтобы замедлить код и увидеть то, что происходит в 100 сек. | | ||||
| четкие пути | Очищает все, что он голубой пути частиц с экрана | | | |||
| Переход к следующему времени | Это заставляет программу работать, пока не время следующей смены цвета (Timex) | | ||||
| мыши падение | Эта кнопка должно быть установлено перед тем частицы могут быть помещены в недрах, нажав на местах в геологической среде. | | ||||
| шоу-пути? | Если шоу-путей? это "на" частицы воды оставить след синей, показывающие, где они были (рисунок 1). | | | |||
| вновь упасть? | Если повторное падение? "включен" частицы заменены в потоке взвешенного образом для каждой частицы, который выходит из системы, а общее участок не работает. Когда партияНКУ выходит из зоны hyporheic число частиц в системе, если повторно падение уменьшается? "выключено" (рисунок 1). | | ||||
Таблица 1. Параметры Hyporheic и симуляторы управления. Каждый параметр, кнопка, и ползунок, который можно регулировать пользователем, приведены в таблице наряду с определением.
В этой симуляции, два процесса вызывают скорость жидкости в слой песка. Первый из-за взаимодействия потока потока с донных. Глава скорость на границе вода / осадка, вызванного донных также приблизительно синусоидальной, и сдвинуты на четверть длины волны от самого bedform 22. Амплитуда функции головного скорость на поверхности подземного-интерфейс был аппроксимируется из измерений 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa GE = "всегда"> Уравнение 2:
где U- скорость поверхности воды средняя, г гравитационная постоянная, а г является глубина воды (рисунок 1). Функция скоростной напор затем определяется по формуле:
Уравнение 3: 
Эта функция головка затем может быть использована для вычисления bedform основе компонент функций подповерхностного скорости путем решения уравнения Лапласа с глубиной слоем постоянной песка 20. Второй компонент скорости поровой воды определяется по наклону системы, S, которая соответствует гравитационного градиента головки, что дает течь в направлении потока, пропорциональнойS / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Окончательные функции для скорости поровой воды являются.:
Уравнение 4: 
Уравнение 5: 
где и продольная компонента скорости, v является вертикальной компоненты скорости, К представляет собой среднее гидравлическая проводимость осадка, средняя пористость осадков, у является вертикальная координата, а D является глубина отложений.
Отслеживание частиц моделирование были созданы, которые используют язык моделирования NetLogo и моделирования платформу 23. Два реализации (Mousedrop.nlogo и Interface.nlogo) использовать эти уравнения для моделирования Hyporheic поток с той же ядро моделирования. Основная разница заключается в начальные локации частиц трассирующими. Mousedrop позволяет пользователю разместить моделируется трассирующими в любом месте в пределах недр. Уравнения скорости недропользованию 4 и 5 используются для перемещения трассирующими красителя для имитации эксперименты инъекций. В интерфейс, трассирующими всегда помещается вдоль поверхности / подземной границы в потоке-взвешенный образом. Это имитирует доставку растворенного и взвешенного материала от поверхности воды в поровой воде, которая имеет решающее значение для понимания hyporheic обмен. Трассирующими затем переходит в недрах, пока снова не достигнет поток воды. Трассировка пути красителя в желобе и моделирования пути, используя NetLogo дает Линии тока поля течения, пока условия потока и bedform морфология период наблюдения остаются стабильными. Interface.nlogo создает совокупное распределение времени пребывания, который показывает Отношение количестватрассирующие частицы, оставшиеся в осадках в исходное числа меченых частиц, помещенных в момент времени 0, как функция времени.
Как отмечалось в недавнем обзоре 24 литературы, остается значительный дебаты в учебном научно-исследовательского сообщества о сравнительных достоинствах руки-на лабораторных экспериментов по сравнению с имитацией лабораториях и компьютерных моделей. С одной стороны, некоторые считают, что "практический опыт лежит в основе обучения" 25, и предупреждают, что экономия средств аргументы могут быть разжигании замену руки-на лабораторных деятельности по компьютерных симуляций, в ущерб студент понимание 26. С другой стороны, некоторые исследователи в области науки / инженерного образования утверждают, что моделирование по крайней мере, также эффективны, как традиционные практические занятия 27, или обсудить преимущества компьютерного моделирования-в содействии личностно-ориентированного обучения "открытие" 28. В то время как консенсус не был повторноболели многие исследователи пришли к выводу, что, в идеале, компьютерное моделирование должно дополнять, а не подменять, руки-на лабораторных экспериментах 29,30. Там были также инициативы в области науки и инженерного образования одновременно несколько физических экспериментов и реальных зондирования с компьютерного моделирования явлений; см, например, "бифокальные моделирование" 31.
Студенты могут получить более глубокое концептуальное знание и лучшего понимания научного исследовательского процесса, взаимодействуя как с физической системы, и компьютерное моделирование на основе этой системы. Эта процедура подразумевает наличие студенты выполняют транспортную эксперимент, который демонстрирует растворенного гравитационное и bedform-индуцированный поток hyporheic обмена и соответствовать их собственную экспериментальную установку и результаты с компьютерного моделирования те же явления. Это сравнение облегчает важные студенческие-результатов обучения и более глубокое обсуждение тон научный метод, и взаимодействие между модель / теории потенциала и эмпирической проверки посредством сбора данных. После выполнения этого сравнения, студенты могут также воспользоваться преимуществами моделирования компьютерной быстро изучить множество альтернативных сценариев путем изменения параметров модели.
Protocol
Representative Results
Discussion
В сочетании, эти водотоки демонстрационные и отслеживания частиц моделирование обеспечивает всестороннее введение в hyporheic потока для широкой аудитории. Участники всех уровней при условии, визуальное свидетельство для возникновения hyporheic обмен индуцированной донных и сильной изменч?…
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).
