色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

この手順の全体的な目標は、物理実験と強く一致するシミュレーションを作成するモデリングソフトウェアを使用して、hypo EIC フローを実験的に実証することです。この方法は、河川の下の堆積物を通る水の流れが堆積物、地形、および地表水の特性によってどのように影響を受けるかを示すことにより、水文学の分野における主要な概念を示すのに役立ちます。この方法はハイパーICフローの調査に使用できますが、教育実験室でも使用して、すべてのレベルの学生にハイパーICフローをデモンストレーションすることもできます。

この手法の主な利点は、物理的な実験室での実験と、同じ現象をシミュレートするインタラクティブなコンピューターソフトウェアを組み合わせることです。視覚的なデモンストレーションは、物理実験とシミュレーションの間の空間的な類似性と不一致を示し、超原理のより深い理解の発展を促進します。ネットロゴとネットで実行する2つのスクリプトである必要なソフトウェアのインストールから始めます。

ロゴ、マウスドロップ、インターフェース。次に、テキストプロトコルの指示に従って、すべてのパラメータがマウスドロップシミュレーションパラメータ範囲の制約内に収まるようにラボフラムを設定します。フルームを12〜24時間運転して、目的の特性を備えたベッドフォームを作成します。

水路の傾斜と水深を調整して、ベッド形状上を均一な流れを実現します。目標は、ベッド状の堆積物粒子が動いているように見えないようにすることですが、少しの動きは避けられないかもしれません。まず、ポンプが作動している間、流れを均一にします。

フルームの下部にある 2 つのポイントを選択し、各ラインの水面までの距離を記録します。次に、これらの垂直距離の測定値が同じになるまで、水路の傾斜または水深を調整します。次に、ポンプを停止し、水の動きが止まるのを待ちます。

次に、以前と同じ場所で、フルームの底から水面までの距離を測定し、これらの垂直測定間の距離を測定します。チャネルの傾きは、これらの測定値の差をそれらの間の傾斜した水平距離で割った値として計算します。次に、ポンプを再起動し、テストセクションを選択します。

砂丘が規則的なパターンを形成しているフルームの中央端または下流端付近の場所を選択します。このセクションには、少なくとも1つのフルベッドフォームが含まれている必要があります。テストセクションで。

透明な定規を使用していくつかの測定を行います。まず、砂丘のトラフと砂丘の頂上で測定を行い、平均堆積物の深さを決定します。これらの測定値の違いは、ベッドフォームの高さです。

次に、水面から砂床表面までの平均距離である平均水深を見つけます。次に、連続する砂丘の頂上の間の距離を測定することにより、平均ベッドフォームの波長を測定して記録します。次に、流量計からの流路流量を再循環ループに記録し、平均流速を計算します。

次に、マウスドロップシミュレーションを開き、これらすべての測定値がユーザーインターフェイスで指定された範囲内にあることを確認します。測定されたパラメータが制約範囲外にある場合は、スライダーを右クリックしてパラメータ範囲を調整し、最小値と最大値を選択、編集、調整します。まず、水路の壁に直角に向けられた三脚にカメラをセットします。

写真は、テストセクションのシングルベッドフォームの中央に配置する必要があります。反射が問題になる場合は、カメラの位置を固定し、画像に定規を含めるとスケーリングに役立つ照明を調整します。次に、シリンジと針を使用して、水路壁の近くに2〜3回の小さな染料注入を行います。

これらの注射は、さまざまな垂直および水平の場所に配置する必要がある色付きの注ぐ水の2センチメートルのパッチを形成する必要があります。染料注入の開始時間を記録し、最初の写真を撮ります。透明な紙を使用して、初期のD面と染料の周りの境界をトレースすることは教育的になる可能性があります。

したがって、ラボで彼らの動きを観察するのは簡単ですが、この方法にはトレードオフがあります。カメラを使用して、適切な時間間隔でDフロントの位置をキャプチャします。タイムラプス撮影の場合は、スムーズな結果を得るために32秒間隔を使用します。

シミュレーション用。まず、マウスドロップを実行し、観察された色素輸送と結果を比較します。マウスドロップで、物理システムパラメータをフルームの実験条件に合わせて調整します。

これらのパラメータを入力するときは、ユニットに細心の注意を払ってください。次に、スライダーを調整して、シミュレーション トラッキングの色が変化する時間を示します。これらの色の変更を、観測された時間と一致するように設定します。

時間パラメータがすべてゼロに設定されている場合、シミュレーション全体を通して1つの色が表示されます。すべてのパラメータを設定したら、セットアップボタンをクリックします。ベッドフォームがシミュレーションビューに表示されます。

次に、マウスのドロップボタンをクリックして、仮想トレーサーの開始位置を示します。ベッド内の複数の場所をクリックできます。マウスを押したままにすると、さらに仮想トレーサーが解放されます。

すべての仮想トレーサーを配置したら、次に進むボタンをクリックしてシミュレーションを実行できます。1時までは、セットアップボタンを再度クリックしないと、トレーサーを再度配置する必要があります。また、Go Stopボタンをクリックしてシミュレーションを実行することもできます。

トレーサーは、Go Stopボタンを押さない限り、すべての仮想トレーサーがシステムから離れるまで動き続けます。ここでも、これを使用してシミュレーションを一時停止できるため、シミュレートされた色素分布と測定された色素分布を比較できます。シミュレーションの実行が開始されると、各トレーサーの位置について速度が計算されます。

シミュレーションパラメータに基づいて、トレーサーはその速度を使用して新しい位置に移動し、トレーサーがシステムから離れるまでこの手順が繰り返されます。次に、setup をクリックしてから go stop をクリックして、インターフェース シミュレーションを実行します。これにより、既定の設定でシミュレーションが実行されます。

インターフェースシミュレーションでは、計算された地下速度に基づいて流束加重方式で河川床表面上の仮想トレーサーを導入し、デフォルトでは、パーティクルはパスから離れ、どこにいたかを示します。[パスの表示] ボタンをオフにして、これらのパスを削除します。赤色のドロップ スイッチをオンにすると、累積滞留時間分布プロットが無効になり、毎回新しいパーティクルが放出されます。

1 つはシステムから出ます。デフォルトのパラメータでシミュレーションを観察した後、[go stop]をクリックしてシミュレーションを停止します。次に、1つ以上のパラメータを変更し、セットアップをクリックして新しいパラメータでシミュレーションを再開し、ここで停止し、ベッドフォームの高さを調整し、シミュレーションを実行してからプロセスを繰り返し、ベッドの深さを調整してシミュレーションを実験結果と比較しました。

最初の写真を使用して、時間ゼロにおけるシミュレートされたDトレーサーの配置を決定しました。その後、シミュレーションを34.2分間実行し、その際に撮影した写真と比較しました。全体として、モデルは素晴らしい仕事をしました。

各Dブロブは、モデルと同じ一般的な方向に移動し、シミュレートされたDブロブと同様に変形します。ただし、注意深く検査すると、いくつかの不一致が見られます。たとえば、右側の D ブロブは、シミュレーションよりも豆の形をしています。

これはおそらく、この塊のすぐ上のベッドフォームの地形に観察可能な傾斜があり、堆積物への注入中に作成されたためです。もう1つの一般的な不一致はタイミングですが、これも完璧ではありませんでした。これは、堆積物特性の測定値にわずかな誤差があるためであると考えられます。

一般的な不一致は、測定誤差と、不規則なベッド形状の変動や堆積物のパッキングなどによる二次物理的影響の組み合わせから形成されます。一度習得すれば、このテクニックは24時間で完了します。この手順を試みるときは、ベッドの形状を安定させ、忍耐強く、測定を行ったり入力したりする際にユニットに注意を払うことが重要です。

この手順に続いて、ハイパーフローに対する地形、透水係数、および地表水の特性の影響に関する追加の質問に答えるために、他の実験を実行できます。このビデオを見れば、ハイパーフローを実験的に視覚化する方法と、コンピューターシミュレーションの使用方法について十分に理解できるはずです。