Methodenartikel

Visualiseren Hyporheic Flow Through bedforms behulp Dye Experimenten en Simulation

11.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/53285

⸱

18 november 2015

 ,  ,  , 
1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College

In dit artikel

Samenvatting

Dit manuscript beschrijft hoe men regelmatige beddingsvormen kan creëren in een stroomkanaal, de stroming door de beddingsvormen kan visualiseren en computersimulaties kan gebruiken om de hyporheïsche stroming te simuleren. De computersimulaties vergelijken goed met de experimentele waarnemingen. Deze gekoppelde simulatie en experiment zijn goed geschikt voor zowel onderzoeks- als educatieve doeleinden.

Samenvatting

Advectieve uitwisseling tussen de poriën van de sedimenten en de bovenliggende waterkolom, genaamd hyporheic uitwisseling in fluviatiele omgevingen, rijdt stoftransport in rivieren en vele belangrijke biogeochemische processen. Voor een beter begrip van deze processen door middel van visuele demonstratie te verbeteren, hebben we een hyporheic stroom simulatie in de multi-agent computermodellen platform NetLogo. De simulatie toont virtuele tracer stroomt door een streambed bedekt met tweedimensionale bedforms. Sediment, stroom en bodemstructuren kenmerken worden gebruikt als input variabelen voor het model. We illustreren hoe deze simulaties overeenkomen met experimentele waarnemingen van laboratoriumgoot experimenten op basis van gemeten invoerparameters. Kleurstof wordt geïnjecteerd in de goot sedimenten het poriewater stroming visualiseren. Ter vergelijking virtuele tracer deeltjes worden geplaatst op dezelfde locaties in de simulatie. Deze gekoppelde simulatie en lab-experiment is met succes gebruikt in undergraduate en gradualaboratoria om direct te visualiseren rivier-poriënwater interacties en laten zien hoe fysiek-gebaseerde stromingssimulaties milieu verschijnselen kunnen reproduceren. Studenten namen foto's van het bed door de transparante wanden goot en vergeleken met vormen van de kleurstof op dezelfde tijdstippen in de simulatie. Dit resulteerde in een zeer gelijkaardige trends, waardoor de studenten om beter te begrijpen zowel de stromingspatronen en het wiskundige model. De simulaties laten de gebruiker ook om de impact van elke parameter ingang snel visualiseren door het uitvoeren van meerdere simulaties. Deze werkwijze kan ook worden gebruikt in onderzoekstoepassingen te illustreren basisprocessen, betrekking grensvlak vloeimiddelen en poriewater transport en ondersteuning kwantitatieve procesmatige modeling.

Inleiding

Als oppervlakte water beweegt in een beek, rivier of getijdenzone creëert hoofd hellingen die het water drijven in en uit de sedimenten 1. In riviersystemen het gedeelte van de streambed sedimenten waarin deze uitwisseling plaatsvindt is bekend als de hyporheic zone 2,3. Deze zone is belangrijk omdat veel voedingsstoffen en verontreinigende stoffen worden opgeslagen, gestort of getransformeerd binnen de hyporheic zone 4-9. De tijd die een tracer doorbrengt in het sediment wordt een verblijfstijd. Beide verblijftijden en de locaties van de stromingswegen invloed op de transformatie processen. Beter begrip van de processen die stroming door het sediment nodig is om opgeloste stoffen te voorspellen in rivieren en pakken grote milieuproblemen gevolg van propagatie van stoffen zoals nutriënten (bijv kust hypoxie 10,11). Ondanks het belang van hyporheic uitwisseling, is het vaak niet in undergraduate cursussen in hydrologie beschreven,stromingsleer, hydrauliek, etc. Opvoeders die willen hyporheic ruil voor hun cursussen toe kon vinden het nuttig zijn om de experimentele en numerieke visualisaties die duidelijk laten zien dit proces.

Stroom kanaal bochtigheid, omgeving grondwaterstanden en streambed topografie (dat wil zeggen, bars, bedforms en biogene terpen) allemaal van invloed hyporheic uitwisseling in verschillende mate 12-17. Dit onderzoek richtte zich op bedforms, zoals duinen en rimpelingen, die meestal zijn de belangrijkste geomorfologische kenmerken die hyporheic stroom 14,15. We hebben een numerieke simulatie en laboratorium experiment om stroom te visualiseren door middel van een regelmatige reeks van bodemstructuren. Deze simulatie is gebaseerd op een reeks eerder onderzoek inzake hyporheic stroompaden gemakkelijk waarneembare systeemkenmerken 15,18-21. Aangezien dit onderzoek vormt de wetenschappelijke achtergrond voor de simulatie, een korte samenvatting van de belangrijkste aspecten van de theorie volgt. Bodemstructuren topografie, T (x),is gegeven door:

Vergelijking 1:
figure-introduction-1

waarbij H tweemaal de amplitude van de bodemstructuren, k het golfgetal en x is de longitudinale afmeting evenwijdig aan het gemiddelde rivierbedding oppervlak. Een voorbeeld hiervan bodemstructuren topografie wordt getoond in figuur 1.

figure-introduction-2
Figuur 1. Parameter definities en instellingen gecontroleerd door de gebruiker. In Interface, worden tracer deeltjes uitgebracht in een flux-gewogen wijze in het water / sediment interface en bijgehouden door het sediment. Als Show-paden? Wordt "aan" het water tracers merk waar ze zijn, met hun paden. Wanneer een tracer terugkeert naar het oppervlaktewater, verandert dit thij totaal aantal tracers in het systeem, bij het ​​opnieuw neerzetten? is ingesteld op "off". De cumulatieve verblijftijd verdelingsgrafiek geeft deze verandering door het uitzetten van de verhouding van het aantal tracers nog in het sediment bed om het oorspronkelijke aantal als functie van de tijd. Als re-drop? "Aan" dan tracers dat het systeem te laten vervangen in dezelfde flux-gewogen wijze als origineel deeltjes, en de cumulatieve plot is uitgeschakeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Parameter Naam Eenheden Definitie Interface Mousedrop
Lambda (λ) cm Golflengte van bodemstructuren (zie figuur 1) figure-introduction-3figure-introduction-4
BedformHeight (H) cm Tweemaal de bodemstructuren amplitude (zie figuur 1) figure-introduction-5figure-introduction-6
BedDepth (D) cm Diepte van de sedimenten (zie figuur 1) figure-introduction-7figure-introduction-8
HydrCond (K) cm / s Doorlatendheid figure-introduction-9figure-introduction-10
Porositeit (θ) Poreusheid figure-introduction-11figure-introduction-12
ChannelVelocity (U) cm / s Gemiddelde snelheid in het oppervlaktewater of het kanaal figure-introduction-13figure-introduction-14
Diepte (d) cm Waterdiepte (zie figuur 1) figure-introduction-15figure-introduction-16
Helling (S) Helling van de bodemstructuren en wateroppervlak figure-introduction-17 figure-introduction-18
NumParticles Het aantal deeltjes in het systeem vrijgelaten. figure-introduction-19
Timex (Tijd1, Time2 ..) min Tijdstip waarop elke kleur verandering optreedt figure-introduction-20
Simulatie Knoppen Definitie Interface Mousedrop
Opstelling Stel van de simulatie met behulp van parameters getoond figure-introduction-21figure-introduction-22
go / stop Start en stopt de simulatie figure-introduction-23figure-introduction-24
Stap Klikken stap veroorzaakt eenmalige stap te gaan. Dit stelt gebruikers in staat te vertragen de code en precies zien wat er gebeurt in 100 sec. figure-introduction-25
duidelijke paden Wist alle hij blauw deeltje paden van het scherm figure-introduction-26figure-introduction-27
Vooruit naar volgende keer Dit zorgt ervoor dat het programma te draaien tot de volgende kleurverandering keer (Timex)figure-introduction-28
mouse-drop Deze knop moet worden geklikt voor deeltjes in de ondergrond kan worden gebracht door op plaatsen in de ondergrond. figure-introduction-29
Show-paden? Als Show-paden? "aan" het water deeltjes laat een spoor van blauwe tonen waar ze zijn geweest (zie figuur 1). figure-introduction-30figure-introduction-31
opnieuw laten vallen? Als re-drop? "aan" de deeltjes worden vervangen in een flux gewogen manier voor elk deeltje, die het systeem verlaat, en de cumulatieve plot niet werkt. Wanneer een partikel verlaat de hyporheic zone het aantal deeltjes in het systeem neemt af als re-drop? is "uit" (zie figuur 1). figure-introduction-32

Tabel 1. Hyporheic Parameters en Simulatie Controls. Elke parameter, knop en schuif die kunnen worden aangepast door de gebruiker wordt gegeven in deze tabel samen met een definitie.

In deze simulatie twee processen induceren vloeistofsnelheid in het zandbed. De eerste is te wijten aan de interactie van de stroming met bedforms. De snelheid hoofd op het water / sediment-interface veroorzaakt door bedforms is ook ongeveer sinusvormige en verschoven door een kwart van de golflengte van de bodemstructuren zelf 22. De amplitude van de snelheidshoogte functie op het oppervlak ondergrond interface is benaderd uit metingen als 16:

ge = "always"> Vergelijking 2:
figure-introduction-33

waarbij U is de gemiddelde oppervlakte watersnelheid, g de gravitatieconstante, en d is de diepte van het water (figuur 1). De snelheidshoogte functie wordt dan gegeven door:

Vergelijking 3:
figure-introduction-34

Deze kop functie kan dan worden gebruikt om de bodemstructuren gebaseerde component van de ondergrond velocity functies berekenen door het oplossen van de Laplace vergelijking met een beddiepte constant zand 20. De tweede component van het poriewater snelheid wordt bepaald door de helling van het systeem S, wat overeenkomt met een zwaartekracht head gradiënt dat de rendementen stroomt in stroomafwaartse richting evenredigs / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De laatste functies voor het poriënwater snelheid zijn.:

Vergelijking 4:
figure-introduction-35

Vergelijking 5:
figure-introduction-36

waarbij U de longitudinale snelheidscomponent, v de verticale snelheidscomponent, K is de gemiddelde doorlatendheid van het sediment, de gemiddelde porositeit van de sedimenten, y de verticale coördinaat en D de diepte van de sedimenten.

Deeltje volgen simulaties werden gecreëerd, waarin de NetLogo modelleertaal en simulatie platform 23 te gebruiken. De twee implementaties (Mousedrop.nlogo en Interface.nlogo) gebruiken deze vergelijkingen te modelleren hyporheic stroom met dezelfde simulatie kern. Het belangrijkste verschil is de initiële locatie van de tracer deeltjes. Mousedrop kan de gebruiker gesimuleerde tracer overal plaatsen onder het oppervlak. Ondergrondse snelheid vergelijkingen 4 en 5 worden gebruikt om de tracer naar kleurstof injectie experimenten te simuleren. In Interface, is tracer altijd langs het oppervlak / ondergrond grens geplaatst in een flux-gewogen manier. Deze bootst de levering van opgeloste en zwevende materiaal van het oppervlaktewater in het poriënwater, die cruciaal is voor het begrip van hyporheic uitwisseling. De tracer gaat dan onder het oppervlak, totdat het weer de stroom water bereikt. Het opsporen van de kleurstof paden in de goot en de paden via NetLogo nabootsen geeft de stroomlijnen van de FlowField, mits de stroomomstandigheden en bodemstructuren morfologie stabiel blijven tijdens de observatieperiode. Interface.nlogo creëert een cumulatieve verblijftijdspreiding, die toont verhouding van het aantaltracer deeltjes blijven in de sedimenten tot het oorspronkelijke aantal tracer deeltjes geplaatst op tijdstip 0 als functie van de tijd.

Zoals besproken in een recent literatuuronderzoek 24, blijft er veel discussie binnen het onderwijsonderzoek gemeenschap over de relatieve voordelen van hands-on laboratoriumexperimenten versus gesimuleerde laboratoria en computermodellen. Aan de ene kant, wat het gevoel dat "hands-on ervaring in het hart van het leren" 25, en voorzichtigheid die argumenten kostenbesparingen kan het stimuleren van de vervanging van de hands-on lab activiteiten van computer-based simulaties, ten koste van de student inzicht 26. Aan de andere kant, sommige onderzoekers in de wetenschap / techniek onderwijs beweren dat simulaties zijn minstens zo effectief als de traditionele hands-on labs 27, of discussiëren over de voordelen van computer-simulatie in het bevorderen van de student centraal "ontdekkend leren" 28. Hoewel consensus niet opnieuwdeed pijn, hebben vele onderzoekers geconcludeerd dat, idealiter, computer simulaties moeten aanvullen, in plaats van verdringen, hands-on laboratoriumexperimenten 29,30. Er zijn ook initiatieven binnen de wetenschap en techniek onderwijs gelijktijdig paar fysieke experimenten en real-world-sensing met computersimulaties van de verschijnselen; zie bijvoorbeeld "bifocale modeling" 31.

Studenten kunnen een diepere conceptuele kennis en een beter begrip van het wetenschappelijk onderzoeksproces door interactie met zowel een fysieke systeem en een computer-based simulatie van dat systeem te krijgen. Deze procedure houdt in dat studenten het uitvoeren van een opgeloste transport experiment dat aantoont zwaartekracht en bodemstructuren-geïnduceerde hyporheic uitwisseling flow, en overeenkomen met hun eigen experimentele opzet en resultaten met een computersimulatie van dezelfde verschijnselen. Deze vergelijking vergemakkelijkt belangrijke student-leerresultaten, en een diepere bespreking van tHij wetenschappelijke methode, en de wisselwerking tussen model / de theorie-gebouw en empirische validatie door middel van het verzamelen van gegevens. Na het uitvoeren van deze vergelijking, kunnen de studenten ook gebruik maken van de voordelen van computer-based simulatie te nemen om snel een groot aantal alternatieve scenario's te ontdekken door het veranderen van model parameters.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Simulatie Software

  1. Gebruik de in dit hoofdstuk beschreven software.
    1. Download en installeer de gratis / open-source multi-agent modelleertaal en simulatie platform, NetLogo (beschikbaar: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versie 5.1 of hoger).
      Opmerking: Deze software is beschikbaar zonder kosten en draait op alle belangrijke besturingssystemen (Windows / Mac / Linux).
    2. Download de twee specifieke simulatie script bestanden (mousedrop.nlogo en interface.nlogo) dat dit laboratorium procedure te begeleiden. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      Opmerking: Zodra de simulatie platform is geïnstalleerd en deze bestanden zijn gedownload, te dubbelklikken op deze bestanden automatisch geopend tHij simulaties up, klaar om te draaien.

2. Flume Demonstratie

  1. Het opzetten van het laboratorium goot, zodat alle parameters (tabel 1) binnen de mousedrop simulatie parameter range beperkingen vallen.
    Opmerking: De beperkingen kunnen worden aangepast mousedrop, indien nodig voor het fysieke systeem door het bewerken van de schuiven.
    1. Giet een laagje van ongeveer 15-25 cm zand in de goot. Meet en registreer de doorlatendheid en de porositeit van het zand volgende standaardmethoden 32,33.
    2. Vul de goot met ongeveer 20-30 cm water.
    3. Start de goot en verhoging van de stroomsnelheid naar een niveau snel genoeg om zandkorrels bewegen en aldus bedforms creëren.
      Opmerking: Het debiet kan verder worden aangepast om bodemstructuren kenmerken te verfijnen met de praktijk. Bodemstructuren maten zijn een gevolg van de stroomsnelheid, waterdiepte en zand eigenschappen.
    4. Sta bedforms te ontwikkelen for 12-24 uur tot natuurlijke duin / rimpel morfologie vormen. Om dit proces te versnellen, handmatig vorm regelmatige duinen, en laat vervolgens sediment transport voor 4-12 uur. U kunt ook handmatig reguliere driehoekige duinen vormen.
      Opmerking: Regelmatig driehoekig duinen regelmatige patronen van hyporheic uitwisseling opleveren, maar zal zo veel complexiteit als natuurlijke duin / rimpel bedforms niet tonen.
    5. Zodra de gewenste bodemstructuren worden bereikt, verminderen het waterdebiet tot bed sedimenttransport vertraagt ​​en bodemstructuren kenmerken stoppen veranderen.
      1. Visueel waarnemen beweging van sediment korrels bestaande uit het bed, en het verminderen van stroom totdat beweging ophoudt.
        Opmerking: Dit zal het bed morfologie behouden gedurende de duur van het experiment.
      2. Om te bevestigen dat traag, episodische beweging wordt niet optreedt, merk of foto bodemstructuren posities en dan te observeren op een later tijdstip.
        Opmerking: Het is alleen belangrijk dat bedforms niet significant bewegen over het tijdskader van het experiment, dat voorzieteen voldoende observatie tijd om te bevestigen dat bedforms stabiel.
    6. Pas goot helling en / of waterdiepte tot uniforme stroming onder het verlaagde debiet te bereiken.
      1. Controle kanaal helling door middel van apparatuur gebouwd in de goot, meestal ofwel een gemotoriseerde aansluiting of een hand-crank. Pas waterdiepte door het toevoegen of verwijderen van water uit de goot.
        Opmerking: In de experimentele opstelling hier gebruikt, wordt de gehele goot gemonteerd op een spil op het stroomafwaartse einde, en de helling wordt door een gemotoriseerde aansluiting aan het stroomopwaartse uiteinde stellen.
      2. Terwijl de pomp draait, selecteert twee longitudinale plaatsen gemarkeerd met lijnen loodrecht op de bodem van de goot. Op deze locaties gebruikt een liniaal om de afstand langs deze loodlijn te meten tussen het oppervlak van het water en de onderkant van de goot.
        Opmerking: Afhankelijk van de goot opstelling, kan de bodem van de goot een betere hellend referentielijn dan de onderkant van de goot te dienen. Het selecteren van een LARger longitudinale afstand zal een grotere nauwkeurigheid opleveren.
      3. Stel de helling van de goot en / of de waterdiepte en opnieuw meten totdat de verticale afstandsmetingen zijn dezelfde uniforme stroming te bereiken. Meet de schuine horizontale afstand langs de bodem van de goot tussen de twee longitudinale plaatsen.
    7. Stop de pomp en wacht tot het water om te stoppen met bewegen; dit zal een vlakke ondergrond te bieden. Opnieuw meet de afstand tussen de bovenzijde van de goot en het wateroppervlak op elke longitudinale locatie.
      Opmerking: Het kanaal helling is gelijk aan het verschil tussen deze metingen, gedeeld door de gehelde horizontale afstand tussen hen.
    8. Re-start de pomp.
    9. Selecteer een test sectie, die een locatie in de buurt van het midden of stroomafwaarts einde van de goot waar de duinen hebben gevormd een regelmatig patroon moet zijn. Ervoor te zorgen dat dit deel omvat ten minste één volledige bodemstructuren.
    10. Meet en noteer de gemiddelde sediment diepte (D) in the proefvak met iedere hand meten devise (transparante linialen zijn ideaal). Voor de eenvoud, gebruik dan de gemiddelde afstand van een kuif en dal naar de goot bodem.
    11. Meet en noteer de gemiddelde bodemstructuren hoogte in de test sectie, gedefinieerd als het verschil tussen het sediment diepte een kuif en het sediment diepte een trog met een liniaal. Meet meerdere bedforms om een ​​goede schatting van de gemiddelde te verkrijgen.
    12. Weer met de liniaal, meten en noteer de gemiddelde waterdiepte (d) in de test sectie, gedefinieerd als de gemiddelde afstand van het wateroppervlak tot het zandbed. Nogmaals, gebruik dan de gemiddelde waterdiepte bij duin toppen en dalen voor eenvoud.
    13. Noteer het kanaal debiet (Q) van de flowmeter, en het berekenen van de gemiddelde snelheid als Q / (d * w), waarbij w de breedte van de goot en d de waterdiepte.
      Let op: Onze flowmeter is in de recirculatielus van de goot geplaatst.
    14. Maatregelen noteer de gemiddelde bodemstructuren golflengte in de test sectie. Typisch meet de golflengte als de afstand tussen opeenvolgende duin kammen.
    15. Open de Mousedrop simulatie (in het NetLogo platform) en controleer of alle metingen binnen de variabele bereik opgegeven in de simulatie-gebruikersinterface. Als een gemeten parameter valt buiten het bereik beperking, passen de simulatie parameter range door rechts te klikken op de parameter "slider", selecteren "bewerken", en het aanpassen van de min / max-waarden.
  2. Visualiseren hyporheic uitwisseling.
    1. Zet de camera op een vaste locatie (bij voorkeur op een statief) wezen orthogonaal aan de goot wand met een enkele bodemstructuren in het sectietest midden van het beeld.
      Opmerking: Dit zal de problemen van de schuine perspectief te voorkomen.
    2. Neem een ​​test foto om voorwaarden te controleren. Pas de verlichting als reflecties zijn een probleem.
    3. Met behulp van de spuit en naald, maken 2-3 kleine kleurstof injections buurt van de goot muur. Zorg ervoor dat deze injecties vormen ~ 2 cm door flarden van gekleurde poriënwater op verschillende verticale en horizontale locaties. Met zorg aan de verstoring van het zandbed tijdens de injectie te minimaliseren.
      Opmerking: Injecties met kleinere hoeveelheden kleurstof, zodat de gebruiker meer detail te zien en te bekijken individuele stroom paden.
    4. Noteer de starttijd van de kleurstof injecties en neem een ​​eerste beeld.
      Optioneel kan het leerzaam om de oorspronkelijke kleurstof fronten sporen met tellers transparantie papier, zodat de kleurstof beweging gemakkelijk waarneembaar in lab, maar deze lijnen zal ook blokkeren kleine gedeelten van de kleurstof fronten in beelden, zodat er een handels- off.
    5. Leg de kleurstof voorste posities op de juiste tijdstippen. Voor time lapse fotografie, gebruiken 30 sec intervallen voor gladde resultaten te geven.

3. Simulatie

  1. Run Simulatie 1: Mousedrop en vergelijken met de waargenomen kleurstof vervoer.
    1. Open de simulatie script genaamd Mousedrop.nlogo.
      figure-protocol-1
      Figuur 2. Mousedrop. Dit laat zien waar tracers zijn 7 verschillende instanties in de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
    2. Stel het fysieke systeem parameters in tabel 1 getoond goot experimentele omstandigheden overeenkomen (in het bijzonder: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, de poreusheid, ChannelVelocity, diepte en helling). Zorg ervoor dat u aandacht te besteden aan eenheden bij het invoeren van invoerparameters.
    3. Pas sliders Tijd1, Time2, etc. om tijden aan te geven wanneer de simulatie bijhouden kleur zal veranderen. Stel deze kleurveranderingen aan observatie keer overeenkomen met het oog op de vergelijking van simulatieresultaten met de waarnemingen vergemakkelijken.
      AantekeningAls de Time parameters alle zijn ingesteld op 0, zal de simulatie van een enkele kleur hele tonen.
    4. Nadat alle parameters zijn ingesteld, klikt u op de setup-knop.
      Opmerking: De bodemstructuren moeten in de simulatie weergave verschijnen.
    5. Klik op de muis-drop-knop om de start locaties van virtuele tracers geven. Merk op dat meerdere locaties in het bed kan worden geklikt. Houd de muis naar beneden om meer virtuele tracer vrij te geven. Bij het simuleren van kleurstof beweging, de muis gebruiken om ofwel traceren kleurstof fronten (de grens rond de kleurstof), of in het volledige gebied van de geverfde regio te vullen.
      Opmerking: Invoering van meer virtuele tracer zal de simulatie om langzamer draaien. De beste visuele resultaten zullen variëren met de prestaties van de computer.
    6. Zodra alle van de virtuele tracers zijn geplaatst, kunt u klikt u op de Advance om de volgende keer knop, die de simulatie zal beginnen en dan stoppen bij de eerste keer of u klikt op de go / stop-knop om de simul beginnenatie voor onbepaalde tijd. Niet opnieuw op de setup-knop, of de tracers zal opnieuw worden geplaatst.
      Opmerking: Als de simulatie begint te lopen, wordt de snelheid berekend voor de locatie van elk tracer gebaseerd op simulatie parameters in de vergelijkingen 4 en 5. De tracer beweegt volgens het snelheidsveld van 100 gesimuleerde seconden en de snelheid op de nieuwe locatie wordt berekend en de procedure wordt herhaald totdat de tracer verlaat het systeem.
    7. Optioneel, klikt u op de go / stop-toets om te pauzeren / voortzetten van de simulatie. Vergelijk de gesimuleerde en gemeten kleurstof distributies op verschillende punten in de tijd.
  2. Run Simulatie 2: Interface.
    1. Open het script getiteld Interface.
      figure-protocol-2
      Figuur 3. Interface. Dit geeft 370 tracers die door de ondergrond via de interface simulatie. De tracer paTHS tonen waar elke tracer is sinds het werd begonnen aan de oppervlakte water-ondergrond interface. Uiteindelijk alle stromingstrajecten moeten terugkeren naar het oppervlaktewater. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
      Opmerking: Dit script introduceert virtuele tracers op het streambed oppervlak in een flux-gewogen wijze op basis van berekende ondergrond snelheden. Dit verschaft een visuele weergave van de relatieve hoeveelheden water stroomt in (en buiten) het streambed op verschillende locaties.
    2. Begin door te klikken setup gevolgd door go / stop.
      Opmerking: Dit zal de simulatie met de standaardinstellingen lopen. De schakelaar opnieuw neerzetten? Aanvankelijk uitgeschakeld, zodat de cumulatieve verblijftijd distributie zal worden uitgezet als de tijd verstrijkt.
    3. Na het observeren van de simulatie met de standaard parameters, klik op go / stoppen om de simulatie te stoppen.
    4. Wijzig een of meer parameters en klik op setup gevolgd door go / stop.
      Opmerking: Dit zal de simulatie herstarten met de parameters die zijn geselecteerd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Het gebruik van een simulatie in combinatie met experimenten kunnen studenten van de overeenkomsten en verschillen tussen geïdealiseerde wiskundige modellen en meer complexe echte systemen te observeren. Figuur 4 toont een voorbeeld vergelijken kleurstof injectie foto's met Mousedrop simulaties. De eerste foto wordt gebruikt om de plaatsing van gesimuleerde kleurstof tracer bepaald op tijdstip nul en daarna wordt de simulatie uitgevoerd voor 34,2 min en vergeleken met een foto op dat moment...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In combinatie, de goot demonstratie en deeltjes volgen simulaties bieden een uitgebreide inleiding op hyporheic stroom voor een scala aan doelgroepen. Deelnemers aan alle niveaus worden voorzien visueel bewijs voor het optreden van hyporheic uitwisseling geïnduceerd door bodemstructuren en de sterke variabiliteit in ondergrondse stroompaden onder bedforms. Deze procedures kunnen worden gebruikt als een eenvoudige demonstratie van poriewater stroom voor studenten of K-12 studenten of het kan worden gebruikt in graduate v...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit materiaal is gebaseerd op werk dat wordt ondersteund door National Science Foundation-subsidies EAR-0810270, EAR-1215898 en EAR-1344280, evenals een NSF Graduate Research Fellowship.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
FlumeEngineering Laboratory DesignCustomLaboratoriumstroomkanaal met doorzichtige zijden voor 24-48 uur. Alternatief kan een klein onderwijskanaal worden geconstrueerd voor minder dan 300 dollar volgens de richtlijnen in onze aanvullende materialen.
FlowmeterRosemount 8800 vortex Deze bevindt zich in de recirculatieslus van het kanaal
SandUS. SilicaF30Onderzoekskwaliteitszand om een laag van 10-20 cm diep in het hele kanaal te vormen
DyeSteekproeven van voedingsbedrijvenIn water oplosbare voedingskwaliteitskleurstof gemaakt tot een waterige oplossing. Donkere kleuren zoals rood, blauw en groen werken het beste. (Vermijd kleurstoffen in voedselpropeenglycol.)
SpuitHSW4100.000V05-10 ml, bijv. HSW Norm-Ject 2-delige wegwerpspuit
PipetteringsnaaldCadence Science794214-gauge, 6-inch stomp uiteinde,  om de kleurstof diep in het zand te injecteren.
Digitale cameraElkeDigitale camera met stabiele statief. (Tijdsverloopcamera's kunnen worden gebruikt om snel gelijkmatig verdeeld data te verzamelen.) We gebruikten een Nikon D7000.
LiniaalElkeTransparant is het beste.
MeetlintElke
Netlogo SoftwareCCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogoNetlogo Commons4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258

Referenties

  1. Huettel, M., Webster, I. T. Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).
  2. Bencala, K. E., Walters, R. A. Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream - a Transient Storage Model. Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).
  3. Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
  4. Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana. Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).
  5. Fuller, C. C., Harvey, J. W. Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona. Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).
  6. Jones, J. B., Mulholland, P. J. Streams and Ground Waters. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).
  7. McKnight, D. M., et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity. Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).
  8. Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
  9. Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
  10. Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA. Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).
  11. Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos. Coast Est S. 58, 211-240 (2001).
  12. Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
  13. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
  14. Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model. Water Resour Res. 48, (2012).
  15. Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Wörman, A., Salehin, M., Packman, A. I. A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders. Water Resour Res. 46, (2010).
  16. Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield. Geophys Res Lett. 34, (2007).
  17. Tonina, D., Buffington, J. M. A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat. Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).
  18. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
  19. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments. Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).
  20. Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  21. Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms. Wat Resour Res. 48, (2012).
  22. Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
  23. Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
  24. Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
  25. Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
  26. Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
  27. Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation. Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).
  28. Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
  29. Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
  30. Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
  31. Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning. Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).
  32. Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
  33. Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
  34. Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. , John Wiley & Sons. (1987).
  35. Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906(1979).
  36. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).
  37. Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
  38. Zohar, A., Ben David, A. Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component. Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).
  39. Fox, A., Boano, F., Arnon, S. Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms. Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).
  40. Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
  41. Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
  42. Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
  43. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange. Water Resour Res. 40, (2004).
  44. Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
  45. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  46. Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
  47. Tonina, D., Buffington, J. M. Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling. Water Resour Res. 43, (2007).
  48. Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , US Geological Survey. Reston, VA, USA. (2000).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Simulatie van bedvormenNetLogo modelleringgootexperimentensedimenttransportporiewaterstromingvirtuele tracersstromingsvisualisatiecomputersimulatie

Gerelateerde artikelen