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

本手順の全体的な目的は、物理的な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用い、低透水性EIC流を実験的に実証することです。この手法は、河川下の堆積物を通じた水の流れが、堆積物、地形、および地表水の特性によってどのような影響を受けるかを示すことで、水文学分野における重要な概念を実証するのに役立ちます。この手法は高透水性IC流の調査に使用できるほか、あらゆるレベルの学生に高透水性IC流を実証するための教育用ラボでも利用可能です。

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ションするインタラクティブなコンピュータソフトウェアを組み合わせられる点にあります。視覚的な実演により、物理的実験とシミュレーションの間の空間的な類似点と相違点が示され、それによってハイパー原理（hyper principles）へのより深い理解が促進されます。まず、必要なソフトウェアであるNetLogoと、NetLogoで実行するための2つのスクリプトをインストールすることから始めてください。

ロゴ、マウスドロップおよびインターフェースです。次に、テキストプロトコルの手順に従い、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のパラメータ範囲制約内に収まるように実験用人工水路を設置します。水路を12〜24時間運転させ、目的の特性を持つ河床形態を形成させます。

床面形態（ベッドフォーム）上で均一な流れを実現するために、フリュームの傾斜と水深を調整します。目的は、床面形態内の堆積粒子の移動が見えない状態にすることですが、わずかな移動は避けられない場合があります。まず、ポンプを稼働させたまま、流れを均一にします。

フルームの底部の2点を選択し、それぞれのラインにおける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等しくなるまで、フルームの傾斜または水深を調整します。次に、ポンプを停止し、水が静止するまで待ちます。

その後、先ほどと同じ場所において、フルームの底から水面までの距離を測定し、これらの垂直方向の測定値間の距離を測定します。これらの測定値の差を、それらの間の水平方向の傾斜距離で除して、水路勾配を算出します。次に、ポンプを再始動し、テストセクションを選択します。

砂堆が規則的なパターンを形成している、フルームの中央付近または下流端の場所を選択してください。この区間には、少なくとも1つの完全な河床形態が含まれている必要があります。試験区間内において。

透明な定規を用いて、数回測定を行います。まず、砂丘の谷部分と頂上部分で測定を行い、平均的な堆積物の深さを決定します。これらの測定値の差が、床形態（ベッドフォーム）の高さになります。

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求めます。続いて、連続する砂堆の頂点間の距離を測定し、平均的な床形態の波長を測定して記録します。次に、再循環ループ内の流量計から流路の流量を記録し、平均流速を算出します。

次に、マウス落下シミュレーションを開き、これらの測定値がすべてユーザーインターフェースで指定された範囲内にあることを確認します。測定パラメータが制約範囲外である場合は、スライダーを右クリックして「編集」を選択し、最小値と最大値を調整してパラメータ範囲を変更してください。まず、フルームの壁に対して垂直に方向を向けた三脚付きのカメラを設置します。

画像は、テストセクション内の単一のベッドフォームを中心に捉えてください。反射が問題となる場合は、カメラの位置を固定して照明を調整してください。また、スケール設定のために定規を画像内に含めると有効です。次に、シリンジと針を用いて、フルーム壁の近くに2、3回の少量の染料注入を行います。

これらの注入により、着色された注水が2 cmのパッチ状に形成されるはずであり、これを垂直方向および水平方向のさまざまな位置に配置します。染料注入の開始時刻を記録し、初期写真を撮影してください。透明紙を使用して、初期のDフロントおよび染料周囲の境界線をなぞることは、教育的な効果があります。

したがって、ラボ内でそれらの動きを観察することはより容易になりますが、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てください。タイムラプス撮影では、スムーズな結果を得るために32分の1秒間隔で使用してください。

シミュレーションについて。まずマウスドロップを実行し、その結果を観察された染料輸送と比較してください。マウスドロップでは、物理システムのパラメータを調整し、人工水路の実験条件に合わせてください。

これらのパラメータを入力する際は、単位に十分注意してください。次に、スライダーを調整して、シミュレーションのトラッキングカラーが変更される時間を指定します。これらの色の変更タイミングを、観察された時間に合わせます。

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に単一の色が表示されます。すべてのパラメータを設定した後、セットアップボタンをクリックしてください。シミュレーションビューにベッド形状が表示されます。

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指定します。ベッド内の複数の箇所をクリックすることが可能です。マウスを押し続けることで、さらに多くの仮想トレーサーを放出できます。

すべての仮想トレーサーを配置したら、「次の時間へ進む」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。時刻1になるまで、「セットアップ」ボタンを再度クリックしないでください。クリックすると、トレーサーを再度配置し直す必要があります。また、「開始/停止」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可能です。

停止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出るまでトレーサーは移動し続けます。繰り返しになりますが、これによりシミュレーションを一時停止させることができ、シミュレーションによる染料分布と実際に測定された染料分布との比較が可能になります。シミュレーションが開始されると、各トレーサーの位置における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き、トレーサーはその速度を用いて新しい位置に移動し、トレーサーがシステム外に出るまでこの手順が繰り返されます。次に、「setup」をクリックし、続いて「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てください。これにより、デフォルト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、デフォルトで、算出された地下流速に基づいたフラックス加重方式で、河床表面に仮想トレーサーを導入します。粒子は、それらが通過した場所を示す経路を残します。「show paths」ボタンをオフにすると、これらの経路を消去できます。「red drop」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、毎回新しい粒子が放出されます。

システムを終了します。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させます。次に、1つ以上のパラメータを変更し、[setup]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起動し、続いて[go stop]をクリックします。ここでは、ベッドフォームの高さを調整してシミュレーションを実行し、その後、ベッドの深さを調整してプロセスを繰り返し、シミュレーションを実験結果と比較しました。

最初の写真は、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するために使用されました。その後、シミュレーションを34.2分間実行し、その時点で撮影された写真と比較しました。全体として、モデルは極めて良好な結果を示しました。

各Dブロッブはモデルと同様の方向に移動し、シミュレーションされたDブロッブと同様に変形します。しかし、詳細に観察するといくつかの不一致が見られます。例えば、右側のDブロッブはシミュレーションよりも bean shape（豆状）に近い形状を形成しています。

これはおそらく、この塊の注入時に形成された、塊の直上のベッドフォーム地形に見られる顕著な窪みが原因であると考えられます。もう一つの共通した不一致はタイミングであり、これも完璧ではありませんでした。これは、堆積物物性の測定におけるわずかな誤差によるものと考えられます。

一般的な不一致は、測定誤差と、不規則な床形態の幾何学的変動や堆積物の充填などに起因する二次的な物理的影響が組み合わさることで生じます。この手法を習得すれば、24時間以内に完了させることができます。本手順を行う際は、床形態を安定させ、忍耐強く取り組み、測定値の算出および入力時に単位に十分注意することが重要です。

この手順に続き、地形、透水係数、および地表水の特性がハイパーフローに与える影響について、さらなる疑問を解消するための他の実験を行うことができます。このビデオを視聴することで、ハイパーフローを実験的に可視化する方法と、コンピュータ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。