חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

המטרה הכללית של הליך זה היא להדגים ניסיונית זרימה של hypo EIC באמצעות תוכנת מידול היוצרת סימולציה התואמת במידה רבה את הניסוי הפיזי. שיטה זו יכולה לסייע בהדגמת מושגי מפתח בתחום ההידרולוגיה על ידי הצגת האופן שבו זרימת המים דרך משקעים מתחת לנחל מושפעת מהמשקעים, מהטופוגרפיה וממאפייני מי השטח. בעוד שניתן להשתמש בשיטה זו לבחינת זרימת hyper IC, ניתן להשתמש בה במעבדה לימודית כדי להדגים זרימת hyper IC לסטודנטים מכל הרמות.

היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא משלבת ניסויים פיזיקליים במעבדה עם תוכנה ממוחשבת אינטראקטיבית המדמה את אותה תופעה. הדגמה חזותית מראה את הדמיון והשוני המרחביים בין הניסויים הפיזיקליים לבין הסימולציות, דבר המעודד פיתוח של הבנה מעמיקה יותר של עקרונות ה-hyper. התחילו בהתקנת התוכנה הנדרשת, שהיא net logo ושני סקריפטים להרצה ב-net.

לוגו, נפילת עכבר וממשק. לאחר מכן, בהתאם להוראות בפרוטוקול הכתוב, הגדירו את תעלת הזרימה במעבדה כך שכל הפרמטרים יעמדו במגבלות טווח הפרמטרים של סימולציית נפילת העכבר. הפעילו את התעלה למשך 12 עד 24 שעות כדי ליצור תצורת קרקעית עם המאפיינים הרצויים.

כווננו את שיפוע התעלה ואת עומק המים כדי להשיג זרימה אחידה מעל תצורת הקרקעית. המטרה היא שגרגירי המשקע בתצורות הקרקעית לא ייראו כנעים, אם כי תנועה קלה עשויה להיות בלתי נמנעת. ראשית, הפכו את הזרימה לאחידה בזמן שהמשאבה פועלת.

בחרו שתי נקודות בתחתית התעלה ורשמו את המרחק לפני השטח של המים עבור כל קו. לאחר מכן, התאימו את שיפוע התעלה או את עומק המים עד שמדידות מרחק אנכיות אלו יהיו זהות. שנית, הפסיקו את פעולת המשאבה והמתינו עד שהמים יפסיקו לנוע.

לאחר מכן, באותן נקודות כפי שבוצע קודם לכן, מדדו את המרחקים מרצפת התעלה לפני השטח של המים ומדדו את המרחק שבין מדידות אנכיות אלו. חשבו את שיפוע התעלה כהפרש בין מדידות אלו חלקי המרחק האופקי המשופע ביניהן. כעת, הפעילו מחדש את המשאבה ובחרו מקטע לבדיקה.

בחרו מיקום ליד מרכז התעלה או בקצה הזרימה במקום שבו דיונות יצרו תבנית סדירה. מקטע זה חייב לכלול לפחות צורה אחת מלאה של קרקעית הערוץ. במקטע הבדיקה.

בצע מספר מדידות באמצעות סרגל שקוף. ראשית, קבע את עומק המשקעים הממוצע על ידי ביצוע מדידות בשקע של דיונה ובפסגת דיונה. ההפרש בין מדידות אלו הוא גובה תצורת הקרקע.

בשלב הבא, חשבו את עומק המים הממוצע, שהוא המרחק הממוצע מפני השטח של המים עד לפני השטח של מיטת החול. לאחר מכן, מדדו ורשמו את אורך הגל הממוצע של תצורת המיטה על ידי מדידת המרחק בין פסגות דיונות עוקבות. לאחר מכן, רשמו את קצב הזרימה בתעלה באמצעות מד זרימה בלולאת ההזרקה החוזרת וחשבו את מהירות הזרימה הממוצעת.

כעת, פתחו את סימולציית הנפילה של העכבר ובדקו שכל המדידות הללו נמצאות בטווחים המצוינים בממשק המשתמש. אם פרמטר נמדד חורג מטווח האילוצים, התאימו את טווח הפרמטר על ידי לחיצה ימנית על הסליידר, בחירה ב-"edit" (עריכה) והתאמת ערכי המינימום והמקסימום. ראשית, הגדירו מצלמה על חצובה המופנית בצורה אורתוגונלית לדופן התעלה.

התמונה צריכה להיות ממוקדת בצורת מיטה אחת בחלק המבחן. אם ישנן השתקפויות המפריעות, קבעו את מיקום המצלמה וכווןו את התאורה; הוספת סרט מידה לתמונה יכולה לסייע בקביעת קנה מידה. לאחר מכן, בעזרת מזרק ומחט, בצעו שתי או שלוש הזרקות צבע קטנות ליד דופן התעלה.

הזרקות אלו צריכות ליצור כתמים של שני סנטימטרים של מים צבעוניים, אשר יש להציב במיקומים אנכיים ואופקיים מגוונים. רשמו את זמן ההתחלה של הזרקות הצבע וצלמו תמונה ראשונית. ניתן להשתמש בנייר שקיפות כדי לשרטט את חזיתות ה-D הראשוניות ואת הגבולות מסביב לצבע לצרכי למידה.

לפיכך, קל יותר לתצפת על תנועותיהם במעבדה, אך לשיטה זו יש פשרות. בעזרת המצלמה, תעו את מיקומי חזיתות ה-D במרווחי זמן מתאימים. לצילום Time-lapse, השתמשו במרווחים של 32 שניות כדי לקבל תוצאות חלקות.

עבור סימולציה. ראשית הרץ את Mouse Drop והשווה את התוצאות להובלת הצבע שנצפתה. ב-Mouse Drop, התאם את פרמטרי המערכת הפיזיקלית כדי שיתאימו לתנאי הניסוי של התעלות (flumes).

הקפידו להקדיש תשומת לב רבה ליחידות בעת הזנת פרמטרים אלו. לאחר מכן, כווןו את השברים כדי לציין באיזה זמן ישתנה צבע המעקב בסימולציה. הגדירו את שינויי הצבע הללו כך שיתאימו לזמנים שנצפו.

אם כל פרמטרי הזמן מוגדרים לאפס, הסימולציה תציג צבע אחיד לאורך כל הזמן. לאחר הגדרת כל הפרמטרים, לחצו על כפתור ה-setup. צורת המצע צריכה להופיע בתצוגת הסימולציה.

בשלב הבא, לחצו על כפתור העכבר כדי לציין את מיקומי ההתחלה של הסמנים הווירטואליים. ניתן ללחוץ על מספר מיקומים בתוך המיטה. החזיקו את לחצן העכבר לחוץ כדי לשחרר סמן וירטואלי נוסף.

לאחר שכל הסמנים הווירטואליים הוצבו, ניתן ללחוץ על כפתור ההתקדמות לנקודת הזמן הבאה כדי להפעיל את הסימולציה. עד לנקודת זמן אחת, אין ללחוץ שוב על כפתור ההגדרה, אחרת יהיה צורך להציב את הסמנים מחדש. ניתן גם ללחוץ על כפתור ההפעלה/עצירה כדי להריץ את הסימולציה.

הסמנים ימשיכו לנוע עד שכל הסמנים הווירטואליים יעזבו את המערכת, אלא אם תלחצו על כפתור העצירה (go stop). שוב, ניתן להשתמש בכך כדי להשהות את הסימולציה, כך שניתן יהיה לבצע השוואות בין התפלגויות הצבע המדודות לאלו מהסימולציה. מרגע תחילת הסימולציה, המהירות מחושבת עבור המיקום של כל סמן.

בהתבסס על פרמטרי הסימולציה, הסמן נע למיקום חדש באמצעות מהירות זו, ולאחר מכן הפעולה חוזרת על עצמה עד שהסמן יוצא מהמערכת. לאחר מכן, הרץ את סימולציית הממשק על ידי לחיצה על setup ולאחר מכן על go stop. פעולה זו תפעיל את הסימולציה עם הגדרות ברירת המחדל.

סימולציית הממשק מציגה סמני מעקב וירטואליים על פני קרקעית הנחל באופן המשוקלל לפי שטף, בהתבסס על מהירויות תת-הקרקע שחושבו; כברירת מחדל, החלקיקים משאירים נתיבים המראים היכן שהיו. העבירו את כפתור "הצג נתיבים" למצב כבוי כדי להסיר נתיבים אלו. הפעלת מתג הטיפה האדומה מבטלת את תרשים התפלגות זמן השהייה המצטבר ומשחררת חלקיק חדש בכל פעם.

יוצאים מהמערכת. לאחר צפייה בסימולציה עם הפרמטרים כברירת המחדל, יש ללחוץ על go stop כדי להפסיק את הסימולציה. לאחר מכן, שנו פרמטר אחד או יותר, והפעילו מחדש את הסימולציה עם הפרמטרים החדשים על ידי לחיצה על setup, ולאחר מכן על go stop. כאן, התאמנו את גובה תבנית המיטה, הרצנו את הסימולציה ולאחר מכן חזרנו על התהליך תוך התאמת עומק המיטה כדי להשוות את הסימולציה לתוצאות הניסיוניות.

הצילום הראשוני שימש לקביעת מיקומו של סמן ה-D הסימולטיבי בזמן אפס. לאחר מכן, הסימולציה הורצה למשך 34.2 דקות והושוותה לצילום שנעשה באותו זמן. באופן כללי, המודל ביצע עבודה מצוינת.

כל נשוף D נע באותם כיוונים כלליים כמו המודל ועובר דפורמציה באופן דומה לנשופי D המדומים. עם זאת, בדיקה מעמיקה מראה מספר אי-התאמות. לדוגמה, נשוף D מצד ימין מקבל צורה של שעועית יותר מאשר בסימולציה.

דבר זה נובע ככל הנראה מהשקיעהB הנצפית בטופוגרפיה של פני המצע מיד מעל נבוב זה, אשר נוצרה במהלך הזרקתו אל הסדימנט. אי-התאמה נפוצה נוספת היא התזמון, שגם הוא לא היה מדויק. סביר להניח שזאת נובעת משגיאות קלות במדידות תכונות הסדימנט.

אי-דיוקים נפוצים נוצרים משילוב של שגיאות מדידה והשפעות פיזיקליות מסדר שני הנובעות משונות גיאומטרית לא סדירה של צורת המיטה, דחיסת משקעים וכדומה. לאחר רכישת מיומנות, ניתן לבצע טכניקה זו בתוך 24 שעות. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לאפשר לצורת המיטה להתייצב, להתאזר בסבלנות ולהקפיד על היחידות בעת ביצוע והזנת המדידות.

בעקבות הליך זה, ניתן לבצע ניסויים נוספים כדי לענות על שאלות נוספות בנוגע להשפעת הטופוגרפיה, המוליכות ההידראולית ותכונות מי השטח על זרימה היפרית. לאחר צפייה בסרטון זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להמחיש זרימה היפרית באופן ניסויי וכיצד להשתמש בסימולציות המחשב שלנו.