Visualiseren Hyporheic Flow Through bedforms behulp Dye Experimenten en Simulation

Het algemene doel van deze procedure is om hypo-EIC-stroming experimenteel aan te tonen met behulp van modelleringssoftware die een simulatie creëert die sterk overeenkomt met het fysieke experiment. Deze methode kan helpen bij het demonstreren van kernconcepten op het gebied van hydrologie door te laten zien hoe de waterstroming door sedimenten onder een beek wordt beïnvloed door het sediment, de topografie en de eigenschappen van het oppervlaktewater. Hoewel deze methode kan worden gebruikt om hyper-IC-stroming te onderzoeken, kan deze in educatieve laboratoria ook worden ingezet om hyper-IC-stroming aan studenten van alle niveaus te demonstreen.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het fysieke laboratoriumexperimenten koppelt aan interactieve computersoftware die hetzelfde fenomeen simuleert. De visuele demonstratie toont de ruimtelijke overeenkomsten en verschillen tussen de fysieke experimenten en de simulaties, wat bijdraagt aan de ontwikkeling van een dieper begrip van hyper-principes. Begin met het installeren van de benodigde software, namelijk NetLogo en twee scripts om in NetLogo uit te voeren.

Logo, muisval en interface. Stel vervolgens, volgens de instructies in het tekstprotocol, de laboratoriumgeul zo in dat alle parameters binnen de beperkingen van het simulatiebereik voor de muisval vallen. Laat de geul 12 tot 24 uur lopen om een bedvorm met de gewenste kenmerken te creëren.

Stel de helling van de geul en de waterdiepte in om een uniforme stroming over de bedvorm te verkrijgen. Het doel is dat de sedimentkorrels in de bedvormen niet lijken te bewegen, hoewel een kleine beweging onvermijdelijk kan zijn. Maak eerst de stroming uniform terwijl de pomp draait.

Selecteer twee punten aan de onderzijde van de geul en noteer voor elke lijn de afstand tot het wateroppervlak. Pas vervolgens de helling van de geul of de waterdiepte aan totdat deze verticale afstandmetingen gelijk zijn. Stop daarna de pomp en wacht tot het water niet meer in beweging is.

Meet vervolgens op dezelfde locaties als voorheen de afstand van de bodem van de geul tot het wateroppervlak en meet de afstand tussen deze verticale metingen. Bereken het kanaalverval als het verschil tussen deze metingen gedeeld door de hellende horizontale afstand ertussen. Start nu de pomp opnieuw en selecteer een testsectie.

Kies een locatie nabij het midden of het stroomafwaartse uiteinde van de geul waar duinen een regelmatig patroon hebben gevormd. Dit gedeelte moet ten minste één volledige bodemvorm omvatten. In het testgedeelte.

Voer enkele metingen uit met een transparante liniaal. Bepaal eerst de gemiddelde sedimentdiepte door metingen te verrichten in een duiktrog en op een duinkam. Het verschil tussen deze metingen is de bedvormhoogte.

Bepaal vervolgens de gemiddelde waterdiepte, wat de gemiddelde afstand is van het wateroppervlak tot het oppervlak van de zandbedlaag. Meet daarna de gemiddelde golflengte van de bedvorm door de afstand tussen opeenvolgende duinkammen te meten. Noteer vervolgens de debiet van het kanaal via een debietmeter in de recirculatielus en bereken de gemiddelde stroomsnelheid.

Open nu de simulatie van de muisval en controleer of al deze metingen binnen de bereiken vallen die in de gebruikersinterface zijn gespecificeerd. Als een gemeten parameter buiten het beperkingsbereik valt, pas dan het parameterbereik aan door met de rechtermuisknop op de schuifregelaar te klikken, 'bewerken' te selecteren en de minimale en maximale waarden aan te passen. Stel vervolgens een camera op een statief op, gericht loodrecht op de wand van de geul.

De afbeelding moet gecentreerd zijn op één enkele bedvorm in het testgedeelte. Als reflecties een probleem vormen, fixeer dan de positie van de camera en pas de verlichting aan; het opnemen van een liniaal in de afbeelding kan helpen bij de schaalbepaling. Maak vervolgens met een injectiespuit en naald twee of drie kleine kleurstofinjecties nabij de wand van de geul.

Deze injecties moeten vlekken van gekleurd water van twee centimeter vormen, die op diverse verticale en horizontale posities moeten worden geplaatst. Noteer het starttijdstip van de kleurstofinjecties en maak een beginfoto. Het kan leerzaam zijn om transparant papier te gebruiken om de initiële D-fronten en de grenzen rond de kleurstof over te trekken.

Hierdoor is het eenvoudiger om hun bewegingen in het laboratorium te observeren, maar deze methode kent zijn eigen nadelen. Gebruik de camera om de posities van de D-fronten vast te leggen met de juiste tijdsintervallen. Gebruik voor time-lapse-fotografie intervallen van 32 seconden voor vloeiende resultaten.

Voor een simulatie. Voer eerst een mouse drop uit en vergelijk de resultaten met het waargenomen transport van de kleurstof. Pas bij de mouse drop de parameters van het fysieke systeem aan om overeen te komen met de experimentele condities van de flumes.

Let goed op de eenheden bij het invoeren van deze parameters. Pas vervolgens de schuifregelaars aan om aan te geven op welke tijdstippen de kleur van de simulatievolging zal veranderen. Stel deze kleurveranderingen zo in dat ze overeenkomen met de waargenomen tijdstippen.

Als alle tijdparameters op nul zijn ingesteld, zal de simulatie overal één enkele kleur weergeven. Nadat alle parameters zijn ingesteld, klikt u op de setup-knop. De vorm van het bed zou nu in het simulatievenster moeten verschijnen.

Klik vervolgens op de knop van de muis om de startlocaties van de virtuele tracers aan te geven. Er kan op meerdere locaties in het bed worden geklikt. Houd de muis ingedrukt om meer virtuele tracer vrij te laten.

Zodra alle virtuele tracers zijn geplaatst, kunt u op de knop voor het volgende tijdstip klikken om de simulatie te starten. Klik tot tijdstip één niet opnieuw op de setup-knop, anders moeten de tracers opnieuw worden geplaatst. U kunt ook op de start/stop-knop klikken om de simulatie uit te voeren.

De tracers blijven bewegen totdat alle virtuele tracers het systeem hebben verlaten, tenzij u op de stopknop drukt. Opnieuw kan dit worden gebruikt om de simulatie te pauzeren, zodat vergelijkingen kunnen worden gemaakt tussen de gesimuleerde en gemeten kleurstofdistributies. Zodra de simulatie start, wordt de snelheid berekend voor de locatie van elke tracer.

Op basis van de simulatieparameters verplaatst de tracer zich naar een nieuwe locatie met behulp van die snelheid, waarna de procedure wordt herhaald tot de tracer het systeem verlaat. Voer vervolgens de interfacesimulatie uit door op 'setup' te klikken, gevolgd door 'go stop'. Hiermee wordt de simulatie met de standaardinstellingen uitgevoerd.

De interfacesimulatie introduceert virtuele tracers op het oppervlak van de rivierbedding op een flux-gewogen manier op basis van de berekende ondergrondse snelheden; standaard laten de deeltjes paden achter die aangeven waar ze zijn geweest. Zet de knop 'paden tonen' uit om deze paden te verwijderen. Door de schakelaar 'rode druppel' aan te zetten, wordt de cumulatieve verblijftijdverdelinggrafiek uitgeschakeld en wordt er elke keer een nieuw deeltje vrijgegeven.

Men verlaat het systeem. Nadat de simulatie met de standaardparameters is geobserveerd, klikt u op go stop om de simulatie te stoppen. Pas vervolgens één of meer parameters aan en start de simulatie opnieuw met de nieuwe parameters door op setup te klikken, gevolgd door go stop. Hier hebben we de hoogte van de bedvorm aangepast, de simulatie uitgevoerd en vervolgens het proces herhaald door de beddiepte aan te passen om de simulatie te vergelijken met de experimentele resultaten.

De initiële foto werd gebruikt om de plaatsing van de gesimuleerde D-tracer op tijdstip nul te bepalen. Vervolgens werd de simulatie gedurende 34,2 minuten uitgevoerd en vergeleken met een foto die op dat moment was genomen. Over het algemeen presteerde het model uitstekend.

Elke D-blob beweegt in dezelfde algemene richtingen als het model en vervormt op een vergelijkbare manier als de gesimuleerde D-blobs. Een zorgvuldige inspectie laat echter enkele discrepanties zien. Zo vormt de D-blob aan de rechterkant meer een boonvorm dan in de simulatie.

Dit is waarschijnlijk te wijten aan de waarneembare dip in de topografie van de bedvorm direct boven deze blob, die ontstond tijdens de injectie in het sediment. Een andere veelvoorkomende discrepantie is de timing, die eventueel ook niet perfect was. Dit is waarschijnlijk het gevolg van kleine fouten in de metingen van de sedimenteigenschappen.

Veelvoorkomende afwijkingen ontstaan door een combinatie van meetfouten en fysische effecten van tweede orde als gevolg van onregelmatige geometrische variabiliteit van de bedvorm, sedimentpakking en dergelijke. Zodra men deze techniek beheerst, kan deze binnen 24 uur worden uitgevoerd. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om de bedvorm te laten stabiliseren, geduldig te zijn en nauwkeurig op de eenheden te letten bij het uitvoeren en invoeren van metingen.

Na deze procedure kunnen andere experimenten worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden over de invloed van topografie, hydraulische conductiviteit en oppervlaktewatereigenschappen op hyperflow. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe hyperflow experimenteel gevisualiseerd kan worden en hoe onze computersimulaties kunnen worden gebruikt.