Boya Deneyler ve Simülasyonu kullanarak yatak oluşumları sayesinde Hyporheic Akışı görselleştirme
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
Akarsu ortamlarında hyporheic değişim denilen sedimanlar gözenek alanı ve örten su sütunu arasındaki Advektif değişimi, nehirler ve birçok önemli biyokimyasal süreçlerde çözünen taşıma sürücüleri. Görsel gösteri ile bu süreçlerin anlaşılmasını artırmak için, multi-ajan bilgisayar modelleme platformu NetLogo bir hyporheic akış simülasyonu oluşturdu. Simülasyon iki boyutlu yatak oluşumları ile kaplanmış bir dere akan sanal izleyici gösterir. Tortu, akış ve sediment özellikleri modeli için girdi değişkenleri olarak kullanılır. Biz bu simülasyonlar ölçülen girdi parametreleri dayalı laboratuvar kanalet deneyler deneysel gözlemlerini maç nasıl göstermektedir. Boya gözenek suyu akışını görselleştirmek için kanalet sedimanlar enjekte edilir. Karşılaştırma için sanal izleyici parçacıkları simülasyon aynı yerlere yerleştirilir. Bu birleştiğinde simülasyon ve laboratuar deneyi lisans ve gradua de başarıyla kullanılmaktadırte laboratuarlar doğrudan nehir gözenek suyu etkileşimleri görselleştirmek ve fiziksel tabanlı akış simülasyonları çevresel fenomenleri üretebileceği nasıl göstermek için. Öğrenciler şeffaf oluklu duvarlarından yatağın fotoğraflarını aldı ve simülasyon aynı zamanlarda boya şekilleri karşılaştırıldı. Bu öğrencilerin daha iyi akış modelleri ve matematiksel model hem de anlamak için izin çok benzer trendler, sonuçlandı. Simülasyonlar da kullanıcının hızlı çoklu simülasyonlar çalıştırarak her giriş parametresi etkisini görselleştirmek için izin verir. Bu işlem, aynı zamanda ara yüzey akışına ve gözenek suyu taşıma ilgili temel işlemleri açıklamaktadır ve sayısal işlem tabanlı modelleme desteklemek için araştırma uygulamalarında kullanılabilir.
Introduction
Yüzey suyu akımında hamle, nehir veya gelgit bölgesi olarak, içine ve sedimanlar 1 su dışarı götürmek baş gradyanlar oluşturur. Akarsu sistemlerinde bu değişim meydana dere sedimanlar kısmı hyporheic bölge 2,3 olarak bilinir. Birçok besin ve kirleticiler, saklanan tevdi veya hyporheic bölge 4-9 içinde dönüşür çünkü bu bölge çok önemlidir. Bir izleyici tortu harcadığı zaman miktarı kalma süresini denir. Hem kalış süreleri ve akış yollarının yerleri dönüşüm süreçlerini etkiler. Sediment akışını etkileyen süreçlerin daha iyi anlaşılması nehirlerde çözünen taşıma tahmin ve besin (örn kıyı hipoksi 10,11) gibi malzemelerin yayılması kaynaklanan büyük çevre sorunları çözmek için gereklidir. Hyporheic değişim önemli olmasına rağmen, genellikle hidrolojide ders programı açıklanmamış olan,Onların kurslara hyporheic alışverişi eklemek isteyen sıvısı vb mekaniği, hidrolik, Eğitimciler yararlı, bu süreci açıkça gösteren deneysel ve sayısal görselleştirme var bulabiliriz.
Akış kanalı sinuosity, çevredeki yeraltı suyu seviyeleri ve dere topografi (yani, barlar, yatak oluşumları ve biyojenik höyük) Tüm değişen derecelerde 12-17 kadar hyporheic alışverişini etkiler. Bu çalışma böyle genellikle hyporheic akışı 14,15 etkileyen kilit jeomorfolojik özellikleri şunlardır tepeleri ve dalgalanmalar gibi yatak oluşumları, üzerinde duruldu. Biz yatak oluşumları düzenli dizi akışını görselleştirmek için bir sayısal simülasyon ve laboratuar deneyi yarattı. Bu simülasyon hyporheic akış yolları kolayca gözlemlenebilir sistem özellikleri 15,18-21 ilişkin daha önceki araştırmaların bir gövde dayanmaktadır. Bu araştırma simülasyonu için bilimsel bir arka plan oluşturur gibi, teorinin temel yönlerini kısa bir özeti izler. Yatak oluşum topografisi, t (x),ile elde edilir:
Denklem 1: 
H kez sediment genliği burada, k, dalga sayısı ve x, ortalama dere yüzeyine uzunlamasına boyutu paraleldir. Bu sediment topografya bir örnek, Şekil 1 'de gösterilmiştir.
Şekil 1. Parametre tanımları ve ayarlar kullanıcı tarafından kontrol edilir. Interface, izleyici partikülleri su / sediman arayüzünde bir akı ağırlıklı biçimde yayımlanan ve sediment ile takip ettik. Show-yolları ise? Su izleyiciler işareti "konulu" Onlar, kendi yollarını gösteren edilmiştir nerede. Bir izleyici yüzey suyuna döndüğünde, bu t değiştirirbırak yeniden zaman o sistemdeki izleyiciler toplam sayısı? "kapalı" olarak ayarlanmış. Kümülatif bekleme süresi dağılımı arsa zamanın bir fonksiyonu olarak ilk sayısını tortu yatak kalan izleyicilerin sayısı oranı grafiğinin çizilmesiyle bu değişiklik gösterir. Yeniden açılan olur? O sistemi terk izleyiciler orijinal parçacıklar aynı akı ağırlıklı bir şekilde değiştirilir ve birikimli arsa devre dışı "konulu" dir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
| Parametre Adı | Birimler | Tanım | Arayüz | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Sediment ve Dalgaboyu (Şekil 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | İki kez sediment genlik (Şekil 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | Sedimanlar Derinliği (Şekil 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / sn | Hidrolik İletkenlik | | | ||
| Gözeneklilik (θ) | Gözeneklilik | | | |||
| ChannelVelocity (U) | cm / sn | Yüzey suyu veya kanalda ortalama hız | | | ||
| Derinlik (d) | cm | Su derinliği (Şekil 1) | | | ||
| Yamaç (S) | Yatak oluşumları ve su yüzeyi eğimi | | <td> ||||
| NumParticles | Parçacıkların sayısı sistemine yayımladı. | | ||||
| Timex (Süresi1, Süresi2 ..) | dk | Her renk değişimi meydana geldiği zamanı | | |||
| Simülasyon Düğmeler | Tanım | Arayüz | Mousedrop | |||
| Kurmak | Gösterilen parametreler kullanılarak simülasyon 's kurmak | | | |||
| dur / go | Başlatır ve benzetim durur | | | |||
| Adım | Adımı tıklamak geçmek için bir kez adım olur. Bu, kullanıcıların kod yavaşlatmak ve 100 saniyede ne olur tam olarak görmenizi sağlar. | | ||||
| açık yollar | Ekranından tüm o mavi parçacık yolları temizler | | | |||
| Bir sonraki zaman Advance | Bu sonraki renk değişimi zamanına kadar (Timex) çalışmasına programın neden | | ||||
| Fare bırak | Parçacıklar yeraltında yerle ilgili tıklayarak yeraltında yerleştirilebilir önce Bu düğme tıklandığında gerekir. | | ||||
| show-yollar? | Show-yolları ise? su tanecikleri olmuştur mavi gösteren bir iz bırakmak "açık" olduğu (bakınız Şekil 1). | | | |||
| yeniden açılan? | Yeniden açılan Eğer? parçacıklar sistemini çıkar her parçacığın, bir akı ağırlıklı bir şekilde değiştirilir ve birikimli arsa çalışmıyor "konulu" dir. Ne zaman bir particle sistemindeki parçacık sayısı yeniden açılan varsa azalır hyporheic bölge çıkar? "kapalı" dır (Şekil 1). | | ||||
Kullanıcı tarafından ayarlanabilir Tablo 1. Hyporheic Parametreler ve Simülasyon Kontrolleri. Her parametre, düğme ve kaymak tanımı ile birlikte bu tabloda verilmiştir.
Bu simülasyonda, iki işlem kum yatakta akışkan hızı neden olur. İlk yatak oluşumları sahip bir akım akışının etkileşimlerine bağlıdır. Yatak oluşumları tarafından uyarılan su / sediman arayüzünde hız başkanı da yaklaşık sinüs ve sediment kendisi 22 çeyrek dalga boyu kaymıştır. Yüzey altı arayüzünde hız kafa fonksiyonunun genlik 16 olarak ölçümlerden yaklaştırılmış edilmiştir:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "always"> Denklem 2:
U ortalama yüzey suyu hızıdır, g yerçekimi sabiti ve d (Şekil 1 'de gösterildiği gibi), su derinliğidir. Hız kafa işlevi sonra verilir:
Denklem 3: 
Bu kafa fonksiyonu daha sonra sabit bir kum yatağı derinliği 20 Laplace denklemi çözerek altı hızı fonksiyonlarının sediment bazlı bileşen hesaplamak için de kullanılabilir. Gözenek suyu hızının ikinci bileşen verimleri ile orantılı devamı doğrultusunda akan bir yerçekimsel kafası gradyanı tekabül sistemi, S eğimi tarafından belirlenirs / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> gözenek suyu hızı için son fonksiyonlar.:
Denklem 4: 
Denklem 5: 
u uzunlamasına hız bileşeni olduğu, v, y dikey koordinat, düşey hız bileşeni, K, sediment ortalama hidrolik iletkenlik sedimanlar ortalama gözeneklilik olduğunu ve D çökelleri derinliğidir.
NetLogo modelleme dili ve simülasyon platformu 23 kullanmak oluşturulan parçacık izleme simülasyonları. İki uygulamaları (Mousedrop.nlogo ve Interface.nlogo) Hyp modellemek için bu denklemleri kullanmakAynı simülasyon çekirdekli orheic akışı. Temel fark izleyici parçacıkların başlangıç konumları olduğunu. Mousedrop kullanıcı herhangi bir yerde yeraltı içinde simüle izleyici yerleştirmek için izin verir. Yeraltı hız denklemleri 4 ve 5 boya enjeksiyon deneyleri simüle etmek izleyici taşımak için kullanılır. Arayüz olarak, izleyici her zaman akı ağırlıklı bir şekilde yüzey / yeraltı sınır boyunca yerleştirilir. Bu hyporheic değişimi anlamak için çok önemlidir gözenek suyu, içine yüzey suyundan çözülmüş ve süspansiyon halindeki malzemenin teslim taklit eder. Tekrar dere suyunu ulaşıncaya kadar izleyici sonra yeraltı içinde hareket eder. Oluklu boya yolları Takip ve NetLogo kullanarak yolları taklit akış alanının akıcılık verir, sürece akış koşulları ve sediment morfolojisi gözlem döneminde sabit kalması olarak. Interface.nlogo gösteren bir kümülatif bekleme süresi dağılımı oluşturur sayısına oranızamanın bir fonksiyonu olarak zaman 0 yerleştirilmiş izleyici parçacıkların başlangıç sayısı sedimanlarda kalan iz parçacıklar.
Son literatür taraması 24 tartışıldığı gibi, eller simüle laboratuarları ve bilgisayar modelleri karşı laboratuvar deneyleri göreli yararları hakkında eğitim araştırma toplum içinde önemli bir tartışma süregelmektedir. Bir yandan bazı 25 "hands-on deneyimi öğrenme kalbidir" ve hissediyorum maliyet tasarrufu argümanlar aleyhine, eller bilgisayar tabanlı simülasyonları ile laboratuar faaliyetleri değiştirilmesi yakıt olabileceğini dikkat Öğrenci anlayışı 26. Öte yandan, fen / mühendislik eğitiminde bazı araştırmacılar simülasyonları geleneksel laboratuvarlar 27 eller en az kadar etkili olduğunu iddia ya da öğrenci merkezli "keşif öğrenme" 28 güçlendirmede bilgisayar simülasyonu yararları tartışmak. Fikir birliği yeniden edilmemiş olsa daağrıyordu, pek çok araştırmacı, ideal, bilgisayar simülasyonları laboratuvar deneylerinde 29,30 hands-on, ek, yerine yerini gerektiğini sonucuna varmışlardır. Ayrıca bilim ve mühendislik eğitiminin içinde girişimler olmuştur eşzamanlı birkaç fiziksel deney ve fenomenlerin bilgisayar simülasyonları ile algılama gerçek dünya; bakınız, örneğin, "bifokal modelleme" 31.
Öğrenciler daha derin bir kavramsal bilgi ve fiziksel sistemi ve bu sistemin bir bilgisayar tabanlı simülasyon hem de etkileşerek bilimsel araştırma sürecinin bir anlayışa olabilir. Bu prosedür öğrencilerin yerçekimsel ve sediment kaynaklı hyporheic değişim akışını gösteren bir çözünen taşıma deneyi gerçekleştirmek zorunda içerir ve aynı olayların bir bilgisayar simülasyonu kendi deney düzeneği ve sonuçları maç. Bu karşılaştırma önemli öğrenci öğrenme çıktılarını ve t daha derin bir tartışma kolaylaştırırO bilimsel yöntem ve model / teori kurma ve veri toplama yoluyla ampirik doğrulama arasındaki etkileşim. Bu karşılaştırma yaptıktan sonra, öğrenciler de hızla model parametrelerini değiştirerek alternatif senaryolar çok sayıda keşfetmek için bilgisayar tabanlı simülasyon faydalarından yararlanabilirsiniz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bağlantılı olarak, flume gösteri ve partikül izleme simülasyonları izleyicileri bir dizi için hyporheic akışına kapsamlı bir giriş sağlar. Her seviyeden katılımcılar yatak oluşumları tarafından uyarılan hyporheic değişim meydana, ve yatak oluşumları altında yeraltı akış yolları güçlü değişkenlik görsel kanıtlar mevcuttur. Bu prosedürler lisans veya K-12 öğrencileri için gözenek suyu akışının basit bir gösteri olarak kullanılabilir, ya da bir daha nehir hidroliği derinleme…
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).
