利用染料示踪实验与模拟可视化潜流带中床面形态内的水流过程

摘要

本文描述了如何在水槽中生成规则的床面形态，可视化流体在床面形态中的流动，并利用计算机模拟来仿真潜流带水流。计算机模拟结果与实验观测结果吻合良好。这种耦合模拟与实验的方法非常适合用于科研和教学目的。

摘要

沉积物孔隙空间与上覆水体之间的对流交换，在河流环境中称为潜流交换（hyporheic exchange），是驱动河流中溶质输运及许多重要生物地球化学过程的关键机制。为了通过可视化手段增进对这些过程的理解，我们在多智能体计算机建模平台 NetLogo 中构建了一个潜流流动模拟系统。该模拟展示了虚拟示踪剂流经覆盖有二维床面形态的河床的过程。模型将沉积物特性、水流条件和床面形态特征作为输入变量。我们展示了如何利用基于实测参数的实验室水槽实验观测结果来验证此类模拟的准确性。实验中将染料注入水槽的沉积物内，以可视化孔隙水的流动路径；在模拟中，虚拟示踪粒子被放置于相同位置以便对比。这种结合模拟与实验的方法已成功应用于本科及研究生教学实验中，使学生能够直观地观察河流与孔隙水之间的相互作用，并理解基于物理原理的流动模拟如何重现环境现象。学生通过透明水槽壁拍摄床面形态的照片，并将其与模拟中相同时刻的染料分布形态进行比较，结果显示出高度相似的变化趋势，从而帮助学生更深入地理解流动模式及其背后的数学模型。此外，该模拟还允许用户通过运行多个情景快速可视化各个输入参数的影响。这一方法也可用于科研工作中，用以阐释基本过程、关联界面通量与孔隙水输运关系，并支持基于过程的定量建模研究。

引言

当地表水在溪流、河流或潮间带流动时，会产生水力梯度，驱动水流进入和渗出沉积物¹在河流系统中，发生这种交换的河床沉积物部分被称为河床下渗带^2,3该区域非常重要，因为许多营养物质和污染物在河床下渗带中被储存、沉积或转化。^4-9示踪剂在沉积物中停留的时间称为滞留时间。滞留时间以及水流路径的位置均会影响转化过程。为了预测河流中溶质的迁移并解决由营养物质等物质扩散所引发的重大环境问题，需要更深入地理解影响沉积物流水过程的机制。例如， 近海缺氧^10,11）。尽管潜流交换具有重要意义，但在本科阶段的水文学、流体力学和水力学课程中，往往未对其进行详细描述， 等等。 希望在课程中加入潜流交换内容的教育工作者，可能会发现使用能够清晰展示该过程的实验和数值可视化方法非常有益。

河道蜿蜒度、周围地下水位以及河床地形（即 河床沙坝、床面形态和生物成因土丘）均在不同程度上影响潜流带交换过程^12-17。本研究聚焦于沙丘和波纹等床面形态，这类地形通常是影响潜流带水流的关键地貌特征^14,15。我们通过数值模拟与实验室实验相结合的方法，对流经一系列规则床面形态的水流过程进行可视化研究。该模拟基于一系列前期研究成果，这些研究将潜流带水流路径与系统中易于观测的特征参数建立了关联^15,18-21。由于这些研究构成....

方案

1. 模拟软件

1. 使用本节中描述的软件。
   1. 下载并安装免费/开源的多智能体建模语言和模拟平台 NetLogo（可获取地址：http://ccl.northwestern.edu/netlogo/，版本 5.1 或更高版本）。
      注意：该软件免费提供，可在所有主流操作系统（Windows/Mac/Linux）上运行。
   2. 下载与本实验程序配套的两个特定模拟脚本文件（mousedrop.nlogo 和 interface.nlogo）。（可获取地址：http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 和 http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258）
      注意：安装模拟平台并下载这些文件后，双击文件即可自动打开模拟程序，准备运行。

2. 水槽演示

1. 设置实验室....

结果

结合实验使用模拟，可使学生观察理想化的数学模型与更复杂的实际系统之间的相似性和差异性。 图4 展示了染料注射照片与之比较的示例 小鼠坠落 模拟。初始照片用于确定时间零点时模拟染料示踪剂的位置，随后运行34.2分钟的模拟，并与该时刻拍摄的照片进行比较。总体而言，模型在该时间段内对染色水运动的再现效果非常出色。位于床面形态背流侧的第一个染料团块，在模拟和实验系统中均从沉积物中逸出。第二个染料团块发生拉长并向下移动，在扩散过程中形成新月形，使得部分示踪剂从原始位置下游逸出，另一部分则向上游逸出。最后一个染料团块向上游传播，且部分示踪剂进一步深入沉积物内部。这表明在床面形态下确实发生了潜流交换，且潜流交换流的模式与床面形态的几何特征相关。模拟与实验结果的高度一致性在一级近似水平上验证了模型方程的有效性。该过程还明确表明，潜流交换是一个显著的过程，其规模与床面形态的大小成比例，且几乎有一半的孔隙水在床面形态下方向上游流动。然而，仔细观察后仍可发现观测到的染料输运与模拟结果之间存在细微差异。模拟结果比实际染料分布更平滑，且渗入沉积物的深度较浅。这些差异源于测量误差以及由不规则床面形态几何结构、沉积.......

讨论

水槽演示与颗粒示踪模拟相结合，为不同背景的受众全面介绍了潜流带水流过程。各级参与者均可通过直观方式观察到由河床形态引起的潜流带水交换现象，以及河床形态下方地下水流路径的显著变异性。这些方法既可作为本科生或中小学学生孔隙水流动的简单演示，也可在研究生课程中结合河流水力学、泥沙输运及潜流带交换机制的深入讲解而使用。无论教学层次如何，利用这一简单的可视化模型作为互动技术，均能使学生对这些复杂而重要的现象形成比单纯依靠抽象理论和讨论更为深入的理解。

在使用这些方法时，物理系统与模拟之间的差异不应被视为“错误”，而应视为一种“可教学的契机”。 即，这是引发深入讨论并最终促进学习的起点。应引导学生思考一系列问题，包括：误差的来源有哪些（来自模型、测量以及实验操作过程）？其中哪些因素可能导致模拟结果与实际观察之间的差异？在构建模型时做出了哪些简化假设？微小差异的重要性如何？它们是否意味着模型是“错误的”？正如统计学家乔治·博克斯（George Box）的名言所说：“本质上，所有模型都是错误的，但其中一些是有用的。”³⁴ 一个优秀的科学模型能够捕捉到系统中的.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
水槽	工程实验室设计	定制	带有透明侧壁的实验室水槽，用于持续运行24-48小时。或者，可根据我们补充材料中提供的指南，以低于300美元的成本建造小型教学用水槽。
流量计	Rosemount	8800涡街	安装在水槽的循环回路内部
沙子	美国硅砂	F30	实验级沙子，用于在水槽内铺设10-20厘米厚的沙层
染料	食品公司样品		水溶性食品级染料，配制成水溶液。深色如红色、蓝色和绿色效果最佳。（避免使用丙二醇基的食用色素。）
注射器	HSW	4100.000V0	5-10 ml，例如 HSW Norm-Ject 两件式一次性注射器
移液针头	Cadence Science	7942	14号，6英寸钝头， 用于将染料注入沙层深处
数码相机	任意品牌		配备稳固三脚架的数码相机。（可使用延时摄影相机以快速、等间隔采集数据。）我们使用的是Nikon D7000。
直尺	任意品牌		透明材质为佳。
卷尺	任意品牌
Netlogo软件	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