염료 실험 및 시뮬레이션을 사용하여 Bedforms을 통해 Hyporheic 흐름을 시각화

이 절차의 전반적인 목표는 물리적 실험과 매우 일치하는 시뮬레이션을 생성하는 모델링 소프트웨어를 사용하여 저유량 EIC 흐름을 실험적으로 입증하는 것입니다. 이 방법은 하천 아래 퇴적물을 통한 물의 흐름이 퇴적물, 지형 및 지표수 특성에 의해 어떻게 영향을 받는지 보여줌으로써 수문학 분야의 핵심 개념을 입증하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법은 고유량 IC 흐름을 연구하는 데 사용할 수 있으며, 모든 수준의 학생들에게 고유량 IC 흐름을 시연하기 위한 교육용 실험실에서도 활용 가능합니다.

이 기술의 주요 장점은 물리적 실험실 실험과 동일한 현상을 시뮬레이션하는 대화형 컴퓨터 소프트웨어를 결합한다는 점입니다. 시각적 시연을 통해 물리적 실험과 시뮬레이션 간의 공간적 유사성과 차이점을 보여줌으로써 하이퍼 원리에 대한 더 깊은 이해를 도울 수 있습니다. 먼저 필요한 소프트웨어인 NetLogo와 NetLogo에서 실행할 두 개의 스크립트를 설치하는 것으로 시작하십시오.

로고, 마우스 드롭 및 인터페이스. 다음으로, 텍스트 프로토콜의 지침에 따라 모든 파라미터가 마우스 드롭 시뮬레이션 파라미터 범위 제약 조건 내에 있도록 실험실 플룸을 설정하십시오. 원하는 특성의 하상 형태를 만들기 위해 플룸을 12에서 24시간 동안 가동하십시오.

하상 형태 위에서 균일한 흐름이 형성되도록 플룸의 경사와 수심을 조절하십시오. 목표는 하상 형태의 퇴적물 입자가 움직이지 않는 것처럼 보이게 하는 것이지만, 약간의 움직임은 불가피할 수 있습니다. 먼저, 펌프가 작동하는 동안 흐름을 균일하게 만드십시오.

플룸 하단의 두 지점을 선택하고 각 라인에 대해 수면까지의 거리를 기록하십시오. 그런 다음, 이 수직 거리 측정값이 동일해질 때까지 플룸의 경사도나 수심을 조정하십시오. 두 번째로, 펌프를 멈추고 물의 흐름이 멈출 때까지 기다리십시오.

그다음 이전과 동일한 위치에서 플룸 바닥부터 수면까지의 거리를 측정하고, 이 수직 측정값들 사이의 거리를 측정합니다. 이 측정값들의 차이를 두 지점 사이의 경사진 수평 거리로 나누어 수로 경사를 계산합니다. 이제 펌프를 다시 작동시키고 테스트 구간을 선택하십시오.

사구(dune)가 규칙적인 패턴을 형성한 플룸(flume)의 중앙 또는 하류 끝부분 근처에서 위치를 선택하십시오. 이 구간은 적어도 하나의 완전한 하상 형태(bed form)를 포함해야 합니다. 테스트 구간 내에서 수행하십시오.

투명 자를 사용하여 몇 가지 측정을 수행합니다. 먼저, 사구 trough와 사구 crest에서 측정하여 평균 퇴적물 깊이를 결정합니다. 이 측정값들 사이의 차이가 지형 높이(bed form height)가 됩니다.

다음으로, 수면에서 모래 바닥 표면까지의 평균 거리를 측정하여 평균 수심을 구합니다. 그런 다음, 연속적인 모래 언덕 마루 사이의 거리를 측정하여 평균 하상 형태 파장을 측정하고 기록합니다. 이어서, 재순환 루프의 유량계에서 채널 유량을 기록하고 평균 유속을 계산합니다.

이제 마우스 낙하 시뮬레이션을 열고 모든 측정값이 사용자 인터페이스에 지정된 범위 내에 있는지 확인하십시오. 측정된 매개변수가 제한 범위를 벗어난 경우, 슬라이더를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 '편집(edit)'을 선택한 후 최소값과 최대값을 조정하여 매개변수 범위를 수정하십시오. 먼저, 플룸 벽과 직교하도록 삼각대에 카메라를 설치하십시오.

사진은 시험 구역 내의 단일 층상 구조(bed form)에 중심을 맞추어야 합니다. 반사가 문제가 될 경우, 카메라의 위치를 고정하고 조명을 조절하십시오. 사진에 자를 함께 배치하면 스케일을 조정하는 데 도움이 됩니다. 다음으로, 주사기와 바늘을 사용하여 플룸(flume) 벽 근처에 두세 번의 작은 염료 주입을 수행합니다.

이 주입을 통해 다양한 수직 및 수평 위치에 2cm 크기의 색소수가 섞인 패치를 형성해야 합니다. 염료 주입 시작 시간을 기록하고 초기 사진을 촬영하십시오. 투명지를 사용하여 초기 D 전면과 염료 주변의 경계선을 따라 그리는 것이 교육적으로 도움이 될 수 있습니다.

따라서 실험실에서 이들의 움직임을 관찰하는 것이 더 수월하지만, 이 방법에는 상충 관계가 있습니다. 카메라를 사용하여 적절한 시간 간격으로 D 전면의 위치를 촬영하십시오. 타임랩스 촬영의 경우, 매끄러운 결과를 위해 32분의 1초 간격으로 촬영하십시오.

시뮬레이션을 위해, 먼저 mouse drop을 실행하고 그 결과를 관찰된 염료 이동과 비교하십시오. mouse drop에서 물리 시스템 매개변수를 조정하여 flumes의 실험 조건과 일치시키십시오.

이러한 파라미터를 입력할 때 단위에 각별히 주의하십시오. 다음으로, 시뮬레이션 추적 색상이 변경될 시간을 나타내도록 슬라이더를 조정하십시오. 관찰된 시간에 맞춰 색상 변경 설정을 지정하십시오.

시간 매개변수가 모두 0으로 설정된 경우, 시뮬레이션에는 전체적으로 단일 색상만 표시됩니다. 모든 매개변수를 설정한 후 setup 버튼을 클릭하십시오. 시뮬레이션 뷰에 층 형태가 나타나야 합니다.

다음으로, 마우스 드롭 버튼을 클릭하여 가상 트레이서의 시작 위치를 지정합니다. 베드 내의 여러 위치를 클릭할 수 있습니다. 마우스를 계속 누르고 있으면 더 많은 가상 트레이서가 방출됩니다.

모든 가상 추적자의 배치가 완료되면, '다음 시간으로 진행' 버튼을 클릭하여 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 시간 1이 될 때까지 '설정' 버튼을 다시 클릭하지 마십시오. 그렇지 않으면 추적자를 다시 배치해야 합니다. '시작/중지' 버튼을 클릭하여 시뮬레이션을 실행할 수도 있습니다.

정지 버튼을 누르지 않는 한, 모든 가상 추적자가 시스템을 벗어날 때까지 추적자는 계속 이동합니다. 마찬가지로, 이 기능은 시뮬레이션을 일시 중지하여 시뮬레이션된 염료 분포와 측정된 염료 분포를 비교하는 데 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션이 시작되면 각 추적자의 위치에 대한 속도가 계산됩니다.

시뮬레이션 매개변수를 기반으로 추적자가 해당 속도를 이용해 새로운 위치로 이동하며, 추적자가 시스템을 벗어날 때까지 이 절차를 반복합니다. 다음으로, setup을 클릭한 후 go stop을 클릭하여 인터페이스 시뮬레이션을 실행하십시오. 이렇게 하면 기본 설정으로 시뮬레이션이 실행됩니다.

인터페이스 시뮬레이션은 기본적으로 계산된 하층토 속도에 기반하여 유속 가중 방식으로 하천 바닥 표면에 가상 추적자를 도입합니다. 입자들은 이동 경로를 남겨 어디를 거쳐왔는지 보여줍니다. '경로 표시(show paths)' 버튼을 끄면 이러한 경로를 제거할 수 있습니다. 빨간색 드롭 스위치를 켜면 누적 체류 시간 분포 도표가 비활성화되고 매번 새로운 입자가 방출됩니다.

시스템을 종료합니다. 기본 매개변수로 시뮬레이션을 관찰한 후, 'go stop'을 클릭하여 시뮬레이션을 중지하십시오. 그 다음 하나 이상의 매개변수를 변경하고, 'setup'을 클릭하여 새로운 매개변수로 시뮬레이션을 다시 시작한 후 'go stop'을 클릭하십시오. 여기서는 층 높이(bed form height)를 조절하여 시뮬레이션을 실행한 후, 이 과정을 반복하여 층 깊이(bed depth)를 조절함으로써 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하였습니다.

초기 사진은 0분 시점의 시뮬레이션된 D 추적자 위치를 결정하는 데 사용되었습니다. 이후 시뮬레이션을 34.2분 동안 실행하고 해당 시점에 촬영한 사진과 비교하였습니다. 전반적으로 모델은 매우 우수한 성능을 보였습니다.

각 D 블롭은 모델과 동일한 일반적인 방향으로 이동하며 시뮬레이션된 D 블롭과 유사하게 변형됩니다. 하지만 자세히 살펴보면 몇 가지 차이점이 나타납니다. 예를 들어, 오른쪽에 있는 D 블롭은 시뮬레이션보다 더 강낭콩에 가까운 모양을 형성합니다.

이는 아마도 해당 블롭이 퇴적물 내부로 주입될 때 생성된, 블롭 바로 윗부분의 층상 지형에서 관찰되는 움푹 들어간 부분 때문일 것입니다. 또 다른 일반적인 불일치는 타이밍이었으며, 이 또한 완벽하지 않았습니다. 이는 퇴적물 물성 측정 시 발생한 약간의 오차 때문일 가능성이 높습니다.

일반적인 오차는 측정 오류와 더불어 불규칙한 하상 형태의 기하학적 가변성 및 퇴적물 충전 등으로 인한 2차 물리적 효과가 결합되어 발생합니다. 숙련되면 이 기술은 24시간 내에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 수행할 때는 하상 형태가 안정될 때까지 기다리며 인내심을 갖고, 측정값을 기록하고 입력할 때 단위에 주의하는 것이 중요합니다.

이 절차에 따라 지형, 투수 계수 및 지표수 특성이 하이퍼 흐름(hyper flow)에 미치는 영향에 관한 추가적인 질문에 답하기 위해 다른 실험을 수행할 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 하이퍼 흐름을 실험적으로 시각화하는 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.