تصور Hyporheic تدفق من خلال Bedforms عن طريق التجارب صبغ والمحاكاة

الهدف العام من هذا الإجراء هو توضيح تدفق hypo EIC تجريبياً باستخدام برنامج نمذجة ينشئ محاكاة تتوافق بقوة مع التجربة الفيزيائية. يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في توضيح المفاهيم الأساسية في مجال الهيدرولوجيا من خلال إظهار كيف يتأثر تدفق المياه عبر الرواسب أسفل المجرى المائي بالرواسب والتضاريس وخصائص المياه السطحية. وبينما يمكن استخدام هذه الطريقة لاستقصاء تدفق hyper IC، فإنه يمكن استخدامها أيضاً في المختبر التعليمي لتوضيح تدفق hyper IC للطلاب من جميع المستويات.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أنها تربط بين التجارب المختبرية الفيزيائية وبرمجيات حاسوبية تفاعلية تحاكي الظاهرة ذاتها. ويوضح العرض المرئي أوجه التشابه والاختلاف المكاني بين التجارب الفيزيائية والمحاكاة، مما يشجع على تطوير فهم أعمق لمبادئ الـ hyper. ابدأ بتثبيت البرامج المطلوبة، وهي net logo ونصّان برمجيان (scripts) للتشغيل في net.

الشعار، وإسقاط الفأر، والواجهة. بعد ذلك، وبناءً على التعليمات الواردة في البروتوكول النصي، قم بإعداد القناة المخبرية بحيث تقع جميع المعلمات ضمن قيود نطاق معلمات محاكاة إسقاط الفأر. قم بتشغيل القناة لمدة تتراوح من 12 إلى 24 ساعة لتكوين شكل قاع بالخصائص المطلوبة.

اضبط ميل المجرى المائي وعمق المياه لتحقيق تدفق منتظم فوق شكل القاع. الهدف هو ألا تبدو حبيبات الرواسب في أشكال القاع وكأنها تتحرك، رغم أن بعض الحركة الطفيفة قد تكون لا مفر منها. أولاً، اجعل التدفق منتظماً أثناء تشغيل المضخة.

حدد نقطتين في الجزء السفلي من المجرى المائي وسجل المسافة إلى سطح الماء لكل خط. ثم قم بتعديل ميل المجرى المائي أو عمق المياه حتى تتساوى قياسات هذه المسافات الرأسية. ثانياً، أوقف المضخة وانتظر حتى تتوقف المياه عن الحركة.

بعد ذلك، وفي نفس المواقع السابقة، قم بقياس المسافات من قاع القناة إلى سطح الماء، وقس المسافة بين هذه القياسات الرأسية. احسب ميل القناة باعتباره الفرق بين هذه القياسات مقسوماً على المسافة الأفقية المائلة بينهما. الآن، أعد تشغيل المضخة واختر مقطعاً للاختبار.

اختر موقعاً بالقرب من المنتصف أو عند الطرف السفلي من القناة حيث تكون الكثبان قد شكلت نمطاً منتظماً. يجب أن يشمل هذا المقطع شكلاً كاملاً واحداً على الأقل من أشكال قاع القناة. في مقطع الاختبار.

قم بإجراء عدة قياسات باستخدام مسطرة شفافة. أولاً، حدد متوسط عمق الرواسب عن طريق أخذ قياسات عند منخفض الكثيب وعند قمته. الفرق بين هذه القياسات هو ارتفاع شكل القاع.

بعد ذلك، قم بإيجاد متوسط عمق المياه، وهو متوسط المسافة من سطح الماء إلى سطح فرش الرمل. ثم قم بقياس وتسجيل متوسط الطول الموجي لشكل القاع عن طريق قياس المسافة بين قمم الكثبان المتتالية. بعد ذلك، سجل معدل تدفق القناة من مقياس التدفق في حلقة إعادة التدوير واحسب متوسط سرعة التدفق.

الآن، افتح محاكاة سقوط الفأر وتحقق من أن جميع هذه القياسات تقع ضمن النطاقات المحددة في واجهة المستخدم. إذا وقع أحد المعلمات المقاسة خارج نطاق القيد، فقم بتعديل نطاق المعلمة عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على الشريط المنزلق، واختيار "تعديل"، ثم ضبط القيمتين الدنيا والقصوى. أولاً، قم بتثبيت كاميرا على حامل ثلاثي القوائم بحيث تكون موجهة بشكل متعامد مع جدار القناة.

يجب أن تتوسط الصورة نموذج سرير واحد في قسم الاختبار. وفي حال وجود مشكلة في الانعكاسات، قم بتثبيت وضعية الكاميرا وضبط الإضاءة، ويمكن أن يساعد إدراج مسطرة في الصورة في عملية تحديد المقياس. بعد ذلك، وباستخدام حقنة وإبرة، قم بإجراء حقنتين أو ثلاث حقنات صغيرة من الصبغة بالقرب من جدار القناة المائية.

يجب أن تشكل هذه الحقن بقعاً بمساحة سنتيمترين من المياه المصبوغة، والتي ينبغي وضعها في مواقع رأسية وأفقية متنوعة. سجل وقت بدء حقن الصبغة والتقط صورة أولية. ويمكن أن يكون من المفيد تعليمياً استخدام ورق شفاف لتتبع الجبهات الأولية لـ D والحدود المحيطة بالصبغة.

وبذلك، يكون من الأسهل مراقبة تحركاتها في المختبر، ولكن لهذه الطريقة مقايضاتها. استخدم الكاميرا لالتقاط مواضع جبهات D في الفواصل الزمنية المناسبة. ومن أجل التصوير بنظام الفاصل الزمني (time-lapse)، استخدم فواصل زمنية قدرها 32 ثانية للحصول على نتائج سلسة.

لإجراء محاكاة؛ قم بتشغيل mouse drop أولاً ومقارنة النتائج مع نقل الصبغة المرصود. في mouse drop، قم بتعديل معلمات النظام الفيزيائي لتطابق الظروف التجريبية للمجاري المائية (flumes).

تأكد من إيلاء اهتمام دقيق للوحدات عند إدخال هذه المعلمات. بعد ذلك، قم بضبط أشرطة التمرير لتحديد الأوقات التي سيتغير فيها لون تتبع المحاكاة. اضبط تغييرات الألوان هذه لتتطابق مع الأوقات الملحوظة.

إذا تم ضبط جميع معلمات الوقت على صفر، سيعرض المحاكاة لوناً واحداً في جميع الأنحاء. بعد ضبط جميع المعلمات، انقر فوق زر الإعداد. يجب أن يظهر شكل السرير في عرض المحاكاة.

بعد ذلك، انقر على زر الماوس لتحديد مواقع البداية للمقتفيات الافتراضية. يمكن النقر على مواقع متعددة في السرير. استمر في الضغط على الماوس لتحرير المزيد من المقتفي الافتراضي.

بمجرد وضع جميع المتتبعات الافتراضية، يمكنك النقر على زر "التقدم إلى الوقت التالي" لتشغيل المحاكاة. وحتى الوصول إلى الوقت الأول، لا تنقر مجدداً على زر "الإعداد" وإلا سيتعين وضع المتتبعات مرة أخرى. يمكنك أيضاً النقر على زر "بدء/إيقاف" لتشغيل المحاكاة.

ستستمر الكاشفات في الحركة حتى تغادر جميع الكاشفات الافتراضية النظام ما لم تضغط على زر الإيقاف. ومرة أخرى، يمكن استخدام ذلك لإيقاف المحاكاة مؤقتًا، بحيث يمكن إجراء مقارنات بين توزيعات الصبغة المحاكات والمقاسة. وبمجرد بدء تشغيل المحاكاة، يتم حساب السرعة لكل موقع من مواقع الكاشفات.

بناءً على معلمات المحاكاة، ينتقل المتتبع إلى موقع جديد باستخدام تلك السرعة، ثم تتكرر العملية حتى يخرج المتتبع من النظام. بعد ذلك، قم بتشغيل محاكاة الواجهة بالنقر على setup متبوعاً بـ go stop. سيؤدي ذلك إلى تشغيل المحاكاة بالإعدادات الافتراضية.

تقدم محاكاة الواجهة المتتبعات الافتراضية على سطح مجرى المجرى المائي بطريقة موزونة حسب التدفق بناءً على السرعات تحت السطحية المحسوبة؛ وبشكل افتراضي، تترك الجسيمات مسارات توضح الأماكن التي مرت بها. قم بتحويل زر إظهار المسارات (show paths) إلى وضع الإيقاف لإزالة هذه المسارات. يؤدي تشغيل مفتاح القطرة الحمراء إلى تعطيل مخطط توزيع زمن البقاء التراكمي وإطلاق جسيم جديد في كل مرة.

يتم الخروج من النظام. بعد مراقبة المحاكاة بالمعلمات الافتراضية، انقر فوق "go stop" لإيقاف المحاكاة. ثم قم بتغيير معلمة واحدة أو أكثر، وأعد تشغيل المحاكاة بالمعلمات الجديدة بالنقر فوق "setup"، متبوعاً بـ "go stop". هنا، قمنا بتعديل ارتفاع شكل السرير، وأجرينا المحاكاة ثم كررنا العملية بتعديل عمق السرير لمقارنة المحاكاة بالنتائج التجريبية.

استُخدمت الصورة الفوتوغرافية الأولية لتحديد موضع تتبع D المحاكى عند الزمن صفر. ثم تم تشغيل المحاكاة لمدة 34.2 دقيقة ومقارنتها بصورة فوتوغرافية التُقطت في ذلك الوقت. وبشكل عام، قدم النموذج أداءً ممتازاً.

تتحرك كل بقعة D في نفس الاتجاهات العامة التي يتحرك بها النموذج وتتشوه بشكل مشابه لبقع D المحاكاة. ومع ذلك، يظهر الفحص الدقيق وجود بعض التناقضات؛ فعلى سبيل المثال، تتخذ بقعة D الموجودة على اليمين شكلاً يشبه الفاصوليا أكثر مما تظهره المحاكاة.

يعود ذلك على الأرجح إلى الانخفاض الملحوظ في تضاريس سطح الطبقة فوق هذه الكتلة مباشرةً، والذي نتج أثناء حقنها في الرسوبيات. وثمة تباين شائع آخر يتمثل في التوقيت، والذي لم يكن دقيقاً تماماً أيضاً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أخطاء طفيفة في قياسات خصائص الرسوبيات.

تنشأ التباينات الشائعة من مجموعة من أخطاء القياس والتأثيرات الفيزيائية من الدرجة الثانية الناتجة عن تباين هندسة شكل القاع غير المنتظمة وتراص الرواسب، وما إلى ذلك. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون 24 ساعة. وأثناء محاولة تطبيق هذا الإجراء، من المهم ترك شكل القاع حتى يستقر، والتحلي بالصبر، والانتباه إلى الوحدات عند إجراء القياسات وإدخالها.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء تجارب أخرى للإجابة على أسئلة إضافية حول تأثير الطبوغرافيا، والموصلية الهيدروليكية، وخصائص المياه السطحية على التدفق الفائق. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية تصور التدفق الفائق تجريبياً وكيفية استخدام محاكاة الكمبيوتر الخاصة بنا.