Visualización de Flujo hyporheic A través de formas de fondo Utilizando Experimentos Dye y Simulación

El objetivo general de este procedimiento es demostrar experimentalmente el flujo hipó EIC mediante el uso de un software de modelado que crea una simulación concordante fuertemente con el experimento físico. Este método puede ayudar a ilustrar conceptos clave en el campo de la hidrología al mostrar cómo el flujo de agua a través de sedimentos bajo un curso de agua se ve influenciado por el sedimento, la topografía y las propiedades del agua superficial. Aunque este método puede utilizarse para investigar el flujo hiper EIC, también puede emplearse en laboratorios educativos para demostrar el flujo hiper EIC a estudiantes de todos los niveles.

La principal ventaja de esta técnica es que combina experimentos físicos en laboratorio con un software informático interactivo que simula el mismo fenómeno. La demostración visual muestra las similitudes y discrepancias espaciales entre los experimentos físicos y las simulaciones, lo que favorece el desarrollo de una comprensión más profunda de los principios hiper. Comience por instalar el software necesario, que es NetLogo y dos scripts para ejecutar en Net.

Logotipo, caída de ratón e interfaz. A continuación, siguiendo las instrucciones en el protocolo escrito, configure el canal de laboratorio de manera que todos los parámetros se encuentren dentro de los límites establecidos por los parámetros de simulación de la caída de ratón. Haga funcionar el canal durante 12 a 24 horas para crear una forma de lecho con las características deseadas.

Ajuste la pendiente del canal y la profundidad del agua para lograr un flujo uniforme sobre la forma del lecho. El objetivo es que los granos de sedimento en las formas del lecho no parezcan estar en movimiento, aunque un ligero desplazamiento puede ser inevitable. Primero, logre un flujo uniforme mientras la bomba está en funcionamiento.

Seleccione dos puntos en la parte inferior del canal y registre la distancia hasta la superficie del agua para cada línea. Luego, ajuste la pendiente del canal o la profundidad del agua hasta que estas mediciones de distancia vertical sean iguales. Segundo, detenga la bomba y espere a que el agua deje de moverse.

Luego, en los mismos lugares que antes, mida las distancias desde la base del canal hasta la superficie del agua y mida la distancia entre estas mediciones verticales. Calcule la pendiente del canal como la diferencia entre estas mediciones dividida por la distancia horizontal inclinada entre ellas. Ahora, reinicie la bomba y seleccione una sección de prueba.

Seleccione un lugar cerca del extremo medio o aguas abajo del canal donde las dunas hayan formado un patrón regular. Esta sección debe abarcar al menos una forma completa del lecho. En la sección de prueba.

Realice algunas mediciones utilizando una regla transparente. Primero, determine la profundidad promedio del sedimento tomando mediciones en el seno de una duna y en la cresta de una duna. La diferencia entre estas mediciones es la altura de la forma del lecho.

A continuación, determine la profundidad media del agua, que es la distancia promedio desde la superficie del agua hasta la superficie del lecho de arena. Luego, mida y registre la longitud de onda media de las formas del lecho midiendo la distancia entre crestas sucesivas de las dunas. A continuación, registre el caudal del canal a partir de un medidor de flujo en el circuito de recirculación y calcule la velocidad media del flujo.

Ahora, abra la simulación de caída de ratón y verifique que todas estas mediciones estén dentro de los rangos especificados en la interfaz de usuario. Si un parámetro medido queda fuera del rango establecido, ajuste el rango del parámetro haciendo clic derecho en la barra deslizante, seleccione editar y ajuste los valores mínimo y máximo. Primero, configure una cámara sobre un trípode orientada ortogonalmente a la pared del canal.

La imagen debe centrarse en una única forma de lecho en la sección de prueba. Si hay problemas con reflejos, fije la posición de la cámara y ajuste la iluminación; incluir una regla en la imagen puede ayudar con la escala. A continuación, utilizando una jeringa y una aguja, realice dos o tres pequeñas inyecciones de colorante cerca de la pared del canal.

Estas inyecciones deben formar parches de dos centímetros de agua coloreada vertida que deben colocarse en una variedad de posiciones verticales y horizontales. Registre la hora de inicio de las inyecciones del colorante y tome una imagen inicial. Puede ser instructivo usar papel de transparencia para trazar los frentes iniciales de D y los límites alrededor del colorante.

Por lo tanto, es más fácil observar sus movimientos en el laboratorio, pero este método tiene sus limitaciones. Con la cámara, capture las posiciones de los frentes de D a intervalos de tiempo adecuados. Para la fotografía de intervalos, use intervalos de 1/32 para obtener resultados suaves.

Para una simulación. Primero realice la prueba de caída del ratón y compare los resultados con el transporte observado del colorante. En la prueba de caída del ratón, ajuste los parámetros del sistema físico para que coincidan con las condiciones experimentales de los canales.

Asegúrese de prestar mucha atención a las unidades al ingresar estos parámetros. A continuación, ajuste los controles deslizantes para indicar en qué momentos cambiará el color de seguimiento de la simulación. Establezca estos cambios de color para que coincidan con los tiempos observados.

Si los parámetros de tiempo están todos establecidos en cero, la simulación mostrará un color único en toda su extensión. Después de configurar todos los parámetros, haga clic en el botón de configuración. La forma del lecho debería aparecer en la vista de la simulación.

A continuación, haga clic en el botón de soltar del ratón para indicar las ubicaciones iniciales de los trazadores virtuales. Se pueden seleccionar varias ubicaciones en el lecho. Mantenga presionado el botón del ratón para liberar más trazador virtual.

Una vez que se hayan colocado todos los trazadores virtuales, puede hacer clic en el botón avanzar al siguiente momento para ejecutar la simulación. Hasta el momento uno, no vuelva a hacer clic en el botón de configuración, ya que los trazadores tendrán que colocarse nuevamente. También puede hacer clic en el botón iniciar detener para ejecutar la simulación.

Los trazadores seguirán moviéndose hasta que todos los trazadores virtuales hayan salido del sistema, a menos que presione el botón de inicio/detención. Nuevamente, esto puede utilizarse para pausar la simulación, de modo que se puedan realizar comparaciones entre las distribuciones de tinte simuladas y medidas. Una vez que la simulación comienza a ejecutarse, se calcula la velocidad para la ubicación de cada trazador.

Según los parámetros de la simulación, el trazador se mueve a una nueva ubicación utilizando esa velocidad, luego el procedimiento se repite hasta que el trazador abandona el sistema. A continuación, ejecute la simulación de la interfaz haciendo clic en configurar seguido de iniciar detener. Esto ejecutará la simulación con la configuración predeterminada.

La simulación de la interfaz introduce trazadores virtuales sobre la superficie del lecho del arroyo de forma ponderada según el flujo, basándose en las velocidades subsuperficiales calculadas; por defecto, las partículas dejan rastros que indican los lugares por los que han pasado. Desactive el botón mostrar rastros para eliminar estas trayectorias. Al activar el interruptor de la gota roja, se desactiva la gráfica de distribución acumulada del tiempo de residencia y se libera una nueva partícula cada vez.

Uno sale del sistema. Después de observar la simulación con los parámetros predeterminados, haga clic en "go stop" para detener la simulación. Luego cambie uno o más parámetros, reinicie la simulación con los nuevos parámetros haciendo clic en "setup", seguido de "go stop". Aquí, ajustamos la altura de la forma del lecho, ejecutamos la simulación y luego repetimos el proceso, ajustando la profundidad del lecho para comparar la simulación con los resultados experimentales.

La fotografía inicial se utilizó para determinar la colocación del trazador D simulado en el tiempo cero. Luego, la simulación se ejecutó durante 34,2 minutos y se comparó con una fotografía tomada en ese momento. En general, el modelo realizó un trabajo excelente.

Cada blob D se mueve en las mismas direcciones generales que el modelo y se deforma de manera similar a los blobs D simulados. Sin embargo, un examen cuidadoso muestra algunas discrepancias. Por ejemplo, el blob D de la derecha adopta más una forma de frijol que la simulación.

Esto probablemente se deba a la depresión observable en la topografía de la forma del lecho inmediatamente por encima de este agregado, que se creó durante su inyección en el sedimento. Otra discrepancia común es el momento temporal, que tampoco fue perfecto. Esto probablemente se deba a pequeños errores en las mediciones de las propiedades del sedimento.

Las discrepancias comunes surgen de una combinación de errores de medición y efectos físicos de segundo orden debidos a la variabilidad de la geometría irregular de las formas del lecho y al empaque del sedimento, entre otros factores. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en 24 horas. Al llevar a cabo este procedimiento, es importante permitir que la forma del lecho se estabilice, tener paciencia y prestar atención a las unidades al realizar e ingresar las mediciones.

Después de seguir este procedimiento, se pueden realizar otros experimentos para responder preguntas adicionales sobre la influencia de la topografía, la conductividad hidráulica y las propiedades del agua superficial en el flujo hipérico. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo visualizar experimentalmente el flujo hipérico y cómo utilizar nuestras simulaciones por computadora.