Wizualizacja przepływu hiporheicznego przez formy łóżka za pomocą eksperymentów i symulacji barwników

Susa H. Stonedahl; Kevin R. Roche; Forrest Stonedahl; Aaron I. Packman

doi:10.3791/53285

Artykuł metodologiczny

Wizualizacja przepływu hiporheicznego przez formy łóżka za pomocą eksperymentów i symulacji barwników

11.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53285

⸱

18 listopada 2015

Susa H. Stonedahl¹ , Kevin R. Roche² , Forrest Stonedahl³ , Aaron I. Packman²

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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten manuskrypt opisuje, jak tworzyć regularne formy podłoża w korycie, wizualizować przepływ przez formy łóżka i używać symulacji komputerowych do symulacji przepływu hiporetycznego. Symulacje komputerowe wypadają dobrze w porównaniu z obserwacjami eksperymentalnymi. Ta sprzężona symulacja i eksperyment doskonale nadaje się zarówno do celów badawczych, jak i edukacyjnych.

Streszczenie

Wymiana adwektywna między przestrzenią porów osadów a leżącym nad nią słupem wody, zwana wymianą hiporeiczną w środowiskach rzecznych, napędza transport substancji rozpuszczonych w rzekach i wiele ważnych procesów biogeochemicznych. Aby lepiej zrozumieć te procesy poprzez demonstrację wizualną, stworzyliśmy symulację przepływu hiporeicznego na wieloagentowej platformie modelowania komputerowego NetLogo. Symulacja pokazuje wirtualny znacznik przepływający przez koryto strumienia pokrytego dwuwymiarowymi formami podłoża. Charakterystyka osadu, przepływu i kształtu podłoża jest używana jako zmienne wejściowe dla modelu. Pokazujemy, w jaki sposób symulacje te pasują do obserwacji eksperymentalnych z laboratoryjnych eksperymentów na kanałach wodnych opartych na zmierzonych parametrach wejściowych. Barwnik jest wstrzykiwany do osadów korytowych w celu uwidocznienia przepływu wody porowej. Dla porównania, wirtualne cząstki znacznikowe są umieszczane w tych samych miejscach symulacji. Ta sprzężona symulacja i eksperyment laboratoryjny został z powodzeniem wykorzystany w laboratoriach licencjackich i magisterskich do bezpośredniej wizualizacji interakcji między rzeką a wodą porową i pokazania, w jaki sposób symulacje przepływu oparte na fizyce mogą odtwarzać zjawiska środowiskowe. Studenci zrobili zdjęcia łóżka przez przezroczyste ścianki koryta i porównali je z kształtami barwnika w tym samym czasie w symulacji. Doprowadziło to do powstania bardzo podobnych trendów, co pozwoliło studentom lepiej zrozumieć zarówno wzorce przepływu, jak i model matematyczny. Symulacje pozwalają również użytkownikowi szybko zwizualizować wpływ każdego parametru wejściowego poprzez przeprowadzenie wielu symulacji. Proces ten może być również wykorzystany w zastosowaniach badawczych do zilustrowania podstawowych procesów, powiązania strumieni międzyfazowych z transportem wody porowej oraz wsparcia ilościowego modelowania opartego na procesach.

Wprowadzenie

Wraz z ruchem wód powierzchniowych w strumieniu, rzece lub strefie pływów powstają gradienty hydrauliczne, które wymuszają przepływ wody do osadów i z nich na zewnątrz¹. W systemach rzecznych część osadów koryta, w której zachodzi ta wymiana, nazywana jest strefą hyporeiczną^2,3. Strefa ta jest istotna, ponieważ w jej obrębie magazynowane, osadzane lub przekształcane są liczne substancje odżywcze i zanieczyszczenia^4-9. Czas, przez który znacznik przebywa w osadzie, określa się mianem czasu rezydencji. Zarówno czasy rezydencji, jak i lokalizacja dróg przepływu wpływają na procesy transformacji. Lepsze zrozumienie procesów wpływających na przepływ przez osady jest niezbędne do przewidywania transportu substancji rozpuszczonych w rzekach oraz rozwiązywania poważnych problemów środowiskowych wynikających z rozprzestrzeniania się materiałów, takich jak biogeny (np. hipoksja przybrzeżna^10,11). Pomimo znaczenia wymiany hyporeicznej, często nie jest ona omawiana w ramach studiów licencjackich z hydrologii, mechaniki płynów, hydrauliki itp. Dla dydaktyków pragnących włączyć zagadnienie wymiany hyporeicznej do swoich kursów, przydatne mogą okazać się wizualizacje eksperymentalne i numeryczne, które w jasny sposób obrazują ten proces.

Sinuozity koryta strumienia, poziomy wód gruntowych w otoczeniu oraz topografia koryta (tj. łachy, formy dna i kopce biogeniczne) wpływają w różnym stopniu na wymianę hiporeiczną^12-17. Niniejsze badanie skoncentrowano na formach dna, takich jak wydmy i zmarszczki, które zazwyczaj są kluczowymi cechami geomorfologicznymi wpływającymi na przepływ hiporeiczny^14,15. Stworzyliśmy symulację numeryczną oraz eksperyment laboratoryjny w celu wizualizacji przepływu przez regularną serię form dna. Symulacja ta opiera się na wcześniejszych badaniach wiążących ścieżki przepływu hiporeicznego z łatwo obserwowalnymi charakterystykami systemu^15,18-21. Ponieważ badania te stanowią naukowe podstawy symulacji, poniżej znajduje się krótkie podsumowanie kluczowych aspektów teorii. Topografia form dna, T(x), jest określona wzorem:

Równanie 1:
$Równanie fali $ T(x)=\frac{H}{2}\sin(kx) $; wzór do analizy ruchu harmonicznego.$

gdzie H to dwukrotność amplitudy formy dennej, k to liczba falowa, a x to wymiar podłużny równolegle do średniej powierzchni koryta strumienia. Przykład takiej topografii form dennych przedstawiono na Rysunku 1.

Schemat transportu osadów z analizą prędkości w kanale, wysokości form dna i głębokości.
Rycina 1. Definicje parametrów i ustawienia kontrolowane przez użytkownika. W Interface cząstki znacznika są uwalniane w sposób ważony strumieniem na styku woda/osad i śledzone w obrębie osadu. Jeśli opcja show-paths? jest ustawiona na „on”, znaczniki wody zaznaczają miejsca, w których przebywały, wskazując ich ścieżki. Gdy znacznik powraca do wody powierzchniowej, zmienia to całkowitą liczbę znaczników w systemie, jeżeli opcja re-drop? jest ustawiona na „off”. Wykres skumulowanego rozkładu czasu przebywania obrazuje tę zmianę, przedstawiając stosunek liczby znaczników pozostałych w warstwie osadu do liczby początkowej jako funkcję czasu. Jeśli opcja re-drop? jest ustawiona na „on”, znaczniki opuszczające system są zastępowane w ten sam sposób ważony strumieniem, co cząstki pierwotne, a wykres skumulowany zostaje wyłączony. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Nazwa parametru	Jednostki	Definicja	Interfejs	Mousedrop
Lambda (λ)	cm	Długość fali formy dna (patrz Ryc. 1)
Wysokość formy dna (H)	cm	Dwukrotność amplitudy formy dna (patrz Rysunek 1)
Głębokość złoża (D)	cm	Głębokość osadów (patrz Ryc. 1)
HydrCond (K)	cm/s	Przewodność hydrauliczna
Porowatość (θ)		Porowatość
Prędkość w kanale (U)	cm/s	Średnia prędkość w wodzie powierzchniowej lub w kanale
Głębokość (d)	cm	Głębokość wody (patrz Rysunek 1)
Nachylenie (S)		Nachylenie form dna i powierzchni wody
LiczbaCząsteczek		Liczba cząstek wprowadzonych do systemu.
CzasX (Czas1, Czas2..)	min	Czas, w którym następuje każda zmiana barwy
Przyciski symulacji		Definicja	Interfejs	Mousedrop
Konfiguracja		Konfiguracja symulacji przy użyciu przedstawionych parametrów
start/stop		Uruchamia i zatrzymuje symulację
Krok		Kliknięcie przycisku „krok” powoduje upływ jednego kroku czasowego. Pozwala to użytkownikom spowolnić działanie kodu i dokładnie zaobserwować, co dzieje się w ciągu 100 s.
wyraźne ścieżki		Usuwa z ekranu wszystkie ścieżki niebieskich cząsteczek
Przejdź do następnego punktu czasowego		Powoduje to uruchomienie programu aż do następnego czasu zmiany koloru (TimeX)
upadek myszy		Należy kliknąć ten przycisk, zanim będzie można umieścić cząstki w warstwie podpowierzchniowej poprzez klikanie w wybranych lokalizacjach w tej warstwie.
pokaż-ścieżki?		Jeśli opcja show-paths? jest ustawiona na „on”, cząsteczki wody pozostawiają niebieski ślad wskazujący miejsce, w którym się znajdowały (patrz Rysunek 1).
ponowne naniesienie?		Jeśli opcja „re-drop?” jest ustawiona na „on”, cząstki opuszczające system są zastępowane w sposób zależny od strumienia dla każdej takiej cząstki, a wykres skumulowany nie działa. Gdy cząstka opuszcza strefę hiporeiczną, liczba cząstek w systemie zmniejsza się, jeśli opcja „re-drop?” jest ustawiona na „off” (patrz Rysunek 1).

Tabela 1. Parametry hiporeiczne i elementy sterujące symulacją. W poniższej tabeli przedstawiono każdy parametr, przycisk i suwak, które mogą być dostosowane przez użytkownika, wraz z ich definicjami.

W tej symulacji dwa procesy indukują prędkość płynu w złożu piaskowym. Pierwszy z nich wynika z oddziaływań przepływu strumienia z formami wyniesienia dna. Prędkość charakterystyczna na granicy woda/osad indukowana przez formy wyniesienia dna ma również charakter w przybliżeniu sinusoidalny i jest przesunięta o jedną czwartą długości fali względem samej formy wyniesienia dna²². Amplituda funkcji prędkości na granicy powierzchni i podpowierzchni została określona na podstawie pomiarów w następujący sposób¹⁶:

Równanie 2:
Równanie skoku hydraulicznego, warunki przepływu, schemat matematyczny, wzór dynamiki płynów.

gdzie U to średnia prędkość wody powierzchniowej, g to przyspieszenie grawitacyjne, a d to głębokość wody (pokazana na Rysunku 1). Funkcja wysokości dynamicznej jest zatem określona wzorem:

Równanie 3:
Równanie przepływu wód podziemnych: wzór Head(x)=hm*cos(kx)(e^y+e^(ξ-2D-y))/(1+e^(ξ-2D)).

Tę funkcję naporu można następnie wykorzystać do obliczenia komponentu funkcji prędkości podpowierzchniowych opartego na formach dna, poprzez rozwiązanie równania Laplace'a przy stałej głębokości dna piaszczystego²⁰. Drugi komponent prędkości wody porowej jest określany przez nachylenie systemu, S, które odpowiada gradientowi naporu grawitacyjnego generującemu przepływ w kierunku dolnego biegu, proporcjonalny do Wzór na równowagę statyczną: S/√(1+S²). . Ostateczne funkcje prędkości wody porowej to:

Równanie 4:
Równanie ruchu falowego z komponentami wykładniczymi i sinusoidalnymi, wzór matematyczny.

Równanie 5:
Równanie przewodności cieplnej, wzór przedstawiający współczynnik przewodności i gradient temperatury.

gdzie u jest podłużną składową prędkości, v jest pionową składową prędkości, K jest średnią przewodnością hydrauliczną osadów, jest średnią porowatością osadów, y jest współrzędną pionową, a D jest głębokością osadów.

Stworzono symulacje śledzenia cząstek, wykorzystujące język modelowania i platformę symulacyjną NetLogo²³. Dwie implementacje (Mousedrop.nlogo oraz Interface.nlogo) wykorzystują te same równania do modelowania przepływu hyporeicznego w ramach tego samego rdzenia symulacyjnego. Główną różnicą jest początkowe rozmieszczenie cząstek znacznika. Mousedrop umożliwia użytkownikowi umieszczenie symulowanego znacznika w dowolnym miejscu pod powierzchnią. Równania prędkości podpowierzchniowej 4 i 5 są wykorzystywane do przemieszczania znacznika w celu symulacji doświadczeń z wstrzykiwaniem barwnika. W Interface znacznik jest zawsze rozmieszczany wzdłuż granicy powierzchni i warstwy podpowierzchniowej w sposób ważony strumieniem. Odzwierciedla to dostarczanie materiału rozpuszczonego i zawieszonego z wody powierzchniowej do wody porowej, co jest kluczowe dla zrozumienia wymiany hyporeicznej. Następnie znacznik przemieszcza się w warstwie podpowierzchniowej, aż ponownie dotrze do wody w strumieniu. Śledzenie ścieżek barwnika w kanale oraz symulowanie tych ścieżek za pomocą NetLogo pozwala wyznaczyć linie prądu pola przepływu, pod warunkiem, że warunki przepływu i morfologia dna pozostają stabilne w okresie obserwacji. Interface.nlogo tworzy skumulowany rozkład czasu przebywania, który przedstawia stosunek liczby cząstek znacznika pozostałych w osadach do początkowej liczby cząstek znacznika umieszczonych w czasie 0 jako funkcję czasu.

Jak omówiono w niedawnym przeglądzie literatury²⁴, w społeczności badawczej zajmującej się edukacją wciąż trwa dyskusja na temat względnych zalet praktycznych eksperymentów laboratoryjnych w porównaniu z laboratoriami symulacyjnymi i modelami komputerowymi. Z jednej strony niektórzy uważają, że „doświadczenie praktyczne leży w centrum procesu uczenia się”²⁵ i ostrzegają, że argumenty dotyczące oszczędności kosztów mogą napędzać zastępowanie aktywności laboratoryjnych symulacjami komputerowymi, co odbywa się kosztem zrozumienia materiału przez studentów²⁶. Z drugiej strony badacze w dziedzinie edukacji naukowej i inżynieryjnej argumentują, że symulacje są co najmniej tak skuteczne jak tradycyjne laboratoria praktyczne²⁷ lub wskazują na korzyści płynące z symulacji komputerowych w promowaniu zorientowanego na studenta „uczenia się przez odkrywanie”²⁸. Choć nie osiągnięto konsensusu, wielu badaczy doszło do wniosku, że w idealnym modelu symulacje komputerowe powinny uzupełniać, a nie zastępować praktyczne eksperymenty laboratoryjne^29,30. Podejmowano również inicjatywy w ramach edukacji naukowej i inżynieryjnej, aby jednocześnie łączyć eksperymenty fizyczne i pomiary w świecie rzeczywistym z symulacjami komputerowymi tych zjawisk; zobacz np. „modelowanie dwuogniskowe” (bifocal modeling)³¹.

Studenci mogą poszerzyć swoją wiedzę koncepcyjną i lepiej zrozumieć proces badań naukowych, wchodząc w interakcję zarówno z systemem fizycznym, jak i z symulacją komputerową tego systemu. Niniejsza procedura polega na przeprowadzeniu przez studentów eksperymentu transportu substancji rozpuszczonej, który demonstruje grawitacyjny oraz indukowany formami dna przepływ wymiany hyporeicznej, a następnie dopasowaniu własnej konfiguracji doświadczalnej i wyników do symulacji komputerowej tych samych zjawisk. Takie porównanie sprzyja osiągnięciu istotnych efektów uczenia się oraz pogłębionej dyskusji nad metodą naukową oraz współzależnością między budowaniem modeli i teorii a walidacją empiryczną poprzez gromadzenie danych. Po przeprowadzeniu tego porównania studenci mogą również skorzystać z zalet symulacji komputerowej, aby szybko zbadać szereg alternatywnych scenariuszy poprzez zmianę parametrów modelu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Oprogramowanie do symulacji

Należy użyć oprogramowania opisanego w tej sekcji.
1. Pobrać i zainstalować bezpłatną platformę symulacyjną i język modelowania wieloagentowego o otwartym kodzie źródłowym, NetLogo (Dostępne: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, wersja 5.1 lub nowsza).
  Uwaga: Oprogramowanie to jest dostępne bezpłatnie i działa na wszystkich głównych systemach operacyjnych (Windows/Mac/Linux).
2. Pobrać dwa konkretne pliki skryptów symulacyjnych (mousedrop.nlogo oraz interface.nlogo), które towarzyszą tej procedurze laboratoryjnej. (Dostępne: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 oraz http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258)
  Uwaga: Po zainstalowaniu platformy symulacyjnej i pobraniu tych plików, dwukrotne kliknięcie w nie automatycznie otwiera symulacje, gotowe do uruchomienia.

2. Demonstracja w kanale hydraulicznym

Przygotuj laboratoryjny kanał hydrauliczny w taki sposób, aby wszystkie parametry (Tabela 1) mieściły się w zakresach parametrów symulacji mousedrop.
Uwaga: Ograniczenia te można dostosować w mousedrop, jeśli jest to wymagane dla systemu fizycznego, poprzez edycję suwaków.
1. Wsyp do kanału warstwę piasku o grubości około 15-25 cm. Zmierz i zanotuj przewodność hydrauliczną oraz porowatość piasku zgodnie ze standardowymi metodami^32,33.
2. Napełnij kanał wodą do wysokości około 20-30 cm.
3. Uruchom kanał i zwiększ natężenie przepływu do poziomu wystarczającego do przemieszczania ziaren piasku, a tym samym do tworzenia form dna.
  Uwaga: Natężenie przepływu można dalej korygować w celu doprecyzowania charakterystyki form dna wraz z nabywaniem doświadczenia. Wielkość form dna jest wynikiem natężenia przepływu, głębokości wody i właściwości piasku.
4. Pozostaw formy dna do rozwoju przez 12-24 h, aby ukształtowała się naturalna morfologia wydm/zmarszczek. Aby przyspieszyć ten proces, uformuj ręcznie regularne wydmy, a następnie pozwól na transport osadów przez 4-12 h. Alternatywnie, uformuj ręcznie regularne wydmy trójkątne.
  Uwaga: Regularne wydmy trójkątne dadzą regularne wzorce wymiany hyporejnej, ale nie wykażą tak dużej złożoności jak naturalne formy dna w postaci wydm/zmarszczek.
5. Po uzyskaniu pożądanych form dna zmniejsz natężenie przepływu wody, aż transport osadów dennych zwolni, a charakterystyka form dna przestanie się zmieniać.
  1. Obserwuj wizualnie ruch ziaren osadu tworzących dno i zmniejszaj przepływ do momentu ustania ruchu.
    Uwaga: Pozwoli to zachować morfologię dna przez cały czas trwania eksperymentu.
  2. Aby potwierdzić, że nie zachodzi powolny, epizodyczny ruch, zaznacz lub sfotografuj pozycje form dna, a następnie zaobserwuj je w późniejszym czasie.
    Uwaga: Ważne jest jedynie, aby formy dna nie przemieszczały się znacząco w ramach czasowych eksperymentu, zatem zapewnia to wystarczający czas obserwacji do potwierdzenia stabilności form dna.
6. Dostosuj nachylenie kanału i/lub głębokość wody, aby uzyskać przepływ jednostajny przy zmniejszonym natężeniu przepływu.
  1. Kontroluj nachylenie kanału za pomocą urządzeń wbudowanych w kanał, zazwyczaj zmotoryzowanego podnośnika lub korby ręcznej. Dostosuj głębokość wody, dodając lub usuwając wodę z kanału.
    Uwaga: W zastosowanej tutaj konfiguracji eksperymentalnej cały kanał jest zamocowany na przegubie na końcu dolnym, a nachylenie jest ustawiane za pomocą zmotoryzowanego podnośnika na końcu górnym.
  2. Podczas pracy pompy wybierz dwa miejsca wzdłużne zaznaczone liniami prostopadłymi do dna kanału. W tych miejscach użyj linijki, aby zmierzyć odległość wzdłuż tych linii prostopadłych między powierzchnią wody a dnem kanału.
    Uwaga: W zależności od konfiguracji kanału, dno kanału może służyć jako lepsza pochylona linia odniesienia niż samo dno. Wybór większej odległości wzdłużnej zapewni większą dokładność.
  3. Koryguj nachylenie kanału i/lub głębokość wody i powtarzaj pomiary, aż pomiary odległości pionowej będą takie same, aby uzyskać przepływ jednostajny. Zmierz pochyloną odległość poziomą wzdłuż dna kanału między tymi dwoma miejscami wzdłużnymi.
7. Zatrzymaj pompę i poczekaj, aż woda przestanie się poruszać; zapewni to poziomą powierzchnię. Ponownie zmierz odległość między górną krawędzią kanału a powierzchnią wody w każdym miejscu wzdłużnym.
  Uwaga: Nachylenie kanału jest równe różnicy między tymi pomiarami podzielonej przez pochyloną odległość poziomą między nimi.
8. Ponownie uruchom pompę.
9. Wybierz sekcję testową, która powinna znajdować się w pobliżu środka lub końcowego odcinka kanału, gdzie wydmy utworzyły regularny wzór. Upewnij się, że sekcja ta obejmuje co najmniej jedną pełną formę dna.
10. Zmierz i zanotuj średnią głębokość osadu (D) w sekcji testowej za pomocą dowolnego ręcznego przyrządu pomiarowego (idealne są linijki przezroczyste). Dla uproszczenia zastosuj średnią odległość grzbietu i rynny od dna kanału.
11. Zmierz i zanotuj za pomocą linijki średnią wysokość formy dna w sekcji testowej, zdefiniowaną jako różnica między głębokością osadu na grzbiecie a głębokością osadu w rynnie. Zmierz kilka form dna, aby uzyskać dobrą wartość średnią.
12. Ponownie używając linijki, zmierz i zanotuj średnią głębokość wody (d) w sekcji testowej, zdefiniowaną jako średnia odległość od powierzchni wody do piaszczystego dna. Ponownie, dla uproszczenia, zastosuj średnią głębokość wody na grzbietach i w rynnach wydm.
13. Zanotuj natężenie przepływu w kanale (Q) z przepływomierza i oblicz średnią prędkość jako Q / (d *w), gdzie w to szerokość kanału, a d to głębokość wody.
  Uwaga: Nasz przepływomierz jest wbudowany w pętlę recyrkulacyjną kanału.
14. Zmierz i zanotuj średnią długość fali formy dna w sekcji testowej. Zazwyczaj długość fali mierzy się jako odległość między kolejnymi grzbietami wydm.
15. Otwórz symulację Mousedrop (na platformie NetLogo) i sprawdź, czy wszystkie pomiary mieszczą się w zakresach zmiennych określonych w interfejsie użytkownika symulacji. Jeśli zmierzony parametr wykracza poza zakres ograniczeń, dostosuj zakres parametru symulacji, klikając prawym przyciskiem myszy na „suwak” parametru, wybierając „edytuj” i korygując wartości min/max.
Wizualizacja wymiany hyporejnej.
1. Ustaw aparat w stałym miejscu (najlepiej na statywie), skierowany ortogonalnie do ścianki kanału, tak aby pojedyncza forma dna w sekcji testowej znajdowała się w centrum zdjęcia.
  Uwaga: Pozwoli to uniknąć problemów z perspektywą skośną.
2. Wykonaj zdjęcie próbne, aby zweryfikować warunki. Dostosuj oświetlenie, jeśli pojawią się odblaski.
3. Używając strzykawki i igły, wykonaj 2-3 małe wstrzyknięcia barwnika w pobliżu ścianki kanału. Upewnij się, że wstrzyknięcia te tworzą okrągłe plamy zabarwionej wody porowej o średnicy ok. 2 cm w różnych lokalizacjach pionowych i poziomych. Zachowaj ostrożność, aby zminimalizować zakłócenie piaszczystego dna podczas wstrzykiwania.
  Uwaga: Wstrzykiwanie mniejszych objętości barwnika pozwala użytkownikowi dostrzec więcej szczegółów i obserwować poszczególne ścieżki przepływu.
4. Zanotuj czas rozpoczęcia wstrzykiwania barwnika i wykonaj zdjęcie początkowe.
  Opcjonalnie: Edukacyjnie można obrysować początkowe fronty barwnika markerami na folii przezroczystej, tak aby ruch barwnika był łatwo obserwowalny w laboratorium, ale takie obrysy zasłonią również niewielkie fragmenty frontów barwnika na zdjęciach, więc jest to rozwiązanie kompromisowe.
5. Rejestruj pozycje frontu barwnika w odpowiednich odstępach czasu. W przypadku fotografii poklatkowej stosuj odstępy 30 s, aby uzyskać płynne wyniki.

3. Symulacja

Uruchom symulację 1: Upadek myszy i porównać z obserwowanym transportem barwnika.
1. Otwórz skrypt symulacji o nazwie Mousedrop.nlogo.
  
  Rycina 2. Odchody myszy. Przedstawiono tutaj rozmieszczenie znaczników w siedmiu różnych momentach czasowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
2. Dostosuj parametry fizyczne układu przedstawione w Tabela 1 aby dopasować warunki eksperymentalne w kanale hydraulicznym (w szczególności: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, Porosity, ChannelVelocity, Depth oraz Slope). Należy zwrócić szczególną uwagę na jednostki podczas wprowadzania parametrów wejściowych.
3. Dostosuj suwaki Czas1, Czas2, itd. aby wskazać momenty, w których zmieni się kolor śledzenia symulacji. Należy ustawić te zmiany kolorów tak, aby odpowiadały czasom obserwacji, co ułatwi porównanie wyników symulacji z obserwacjami.
  Uwaga: Jeśli Czas jeśli wszystkie parametry zostaną ustawione na 0, symulacja będzie wyświetlać jeden kolor w całym obszarze.
4. Po ustawieniu wszystkich parametrów kliknij przycisk konfiguracja przycisk
  Uwaga: Forma dna powinna być widoczna w widoku symulacji.
5. Kliknij upadek myszy przycisk do wskazywania początkowych lokalizacji wirtualnych znaczników. Należy pamiętać, że można kliknąć w wielu lokalizacjach w złożu. Przetrzymanie przycisku myszy pozwala na uwolnienie większej ilości wirtualnego znacznika. Podczas symulowania ruchu barwnika należy użyć myszy do obrysowania frontów barwnika (granicy wokół barwnika) lub wypełnienia całego obszaru regionu zafarbowanego.
  Uwaga: Wprowadzenie większej liczby wirtualnych znaczników spowoduje spowolnienie działania symulacji. Optymalne efekty wizualne będą zależeć od wydajności komputera.
6. Po umieszczeniu wszystkich wirtualnych znaczników można kliknąć albo Przycisk przejścia do następnego punktu czasowego, co uruchomi symulację, a następnie zatrzyma ją po pierwszym cyklu; można również kliknąć przycisk go/stop, aby rozpocząć symulację w trybie ciągłym. Nie należy ponownie klikać przycisku setup, w przeciwnym razie konieczne będzie ponowne rozmieszczenie znaczników.
  Uwaga: Po uruchomieniu symulacji prędkość dla położenia każdego znacznika jest obliczana na podstawie parametrów symulacji zawartych w równaniach 4 i 5. Znacznik przemieszcza się zgodnie z polem prędkości przez 100 symulowanych sekund, następnie obliczana jest prędkość w nowej lokalizacji i procedura jest powtarzana do momentu opuszczenia systemu przez znacznik.
7. Opcjonalnie kliknij przycisk start/stop przycisk wielokrotnie, aby wstrzymać/w resumes symulację. Porównaj symulowane i zmierzone rozkłady barwnika w różnych punktach czasowych.
Uruchom symulację 2: Interfejs.
1. Otwórz skrypt zatytułowany Interfejs.
  
  Rysunek 3. Interfejs. Przedstawiono przepływ 370 znaczników przez podłoże z wykorzystaniem interfejs symulacja. Ścieżki znaczników pokazują, gdzie znajdował się każdy znacznik od momentu jego wprowadzenia na styku wód powierzchniowych i podziemnych. Ostatecznie wszystkie ścieżki przepływu powinny powrócić do wód powierzchniowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
  Uwaga: Niniejszy skrypt wprowadza wirtualne znaczniki na powierzchni koryta strumienia w sposób ważony strumieniem, w oparciu o obliczone prędkości podpowierzchniowe. Zapewnia to wizualną reprezentację względnych ilości wody wpływającej do koryta strumienia (i wypływającej z niego) w różnych lokalizacjach.
2. Zacznij od kliknięcia konfiguracja następnie start/stop.
  Uwaga: To uruchomi symulację z ustawieniami domyślnymi. ponowne naniesienie? Przełącznik jest początkowo ustawiony w pozycji wyłączonej, dzięki czemu wraz z upływem czasu będzie nanoszony wykres skumulowanego rozkładu czasu przebywania.
3. Po zaobserwowaniu symulacji z parametrami domyślnymi, kliknij start/stop aby zatrzymać symulację.
4. Zmień jeden lub więcej parametrów, a następnie kliknij konfiguracja następnie start/stop.
  Uwaga: spowoduje to ponowne uruchomienie symulacji z wybranymi parametrami.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wykorzystanie symulacji w połączeniu z eksperymentami pozwala studentom zaobserwować podobieństwa i różnice między idealistycznymi modelami matematycznymi a bardziej złożonymi systemami rzeczywistymi. Rycina 4 przedstawia przykład porównania fotografii z wtryskiwania barwnika z symulacjami Mousedrop. Pierwsza fotografia służy do określenia rozmieszczenia symulowanego znacznika barwnego w czasie zero, a następnie symulację uruchamia się na 34,2 min i porównuje z fotografią wykonaną w tym czasie. ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W połączeniu z demonstracją koryta i symulacjami śledzenia cząstek stanowią kompleksowe wprowadzenie do przepływu hiporeicznego dla szerokiego grona odbiorców. Uczestnikom na wszystkich poziomach przedstawiono wizualne dowody na występowanie wymiany hiporeicznej indukowanej przez formy podłoża oraz silną zmienność podpowierzchniowych ścieżek przepływu pod formami podłoża. Procedury te mogą być wykorzystane jako prosta demonstracja przepływu wody porowej dla studentów studiów licencjackich lub studentów K-12 lub mogą być ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ten materiał jest oparty na pracy wspieranej przez granty National Science Foundation EAR-0810270, EAR-1215898 i EAR-1344280, a także stypendium badawcze dla absolwentów NSF.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Projekt	laboratorium inżynieryjnego	Flume	Niestandardowy kanał laboratoryjny z przezroczystymi bokami przez 24-48 godzin. Alternatywnie można zbudować mały kanał dydaktyczny za mniej niż 300 dolarów, postępując zgodnie ze wskazówkami zawartymi w naszych materiałach dodatkowych.
Przepływomierz	Rosemount	8800 wir	Znajduje się on wewnątrz pętli recyrkulacyjnej koryta
Piasek	USA. Krzemionka	F30	Piasek klasy badawczej tworzący warstwę o głębokości 10-20 cm w całym korycie
Próbki barwnika	z firm		Rozpuszczalny w wodzie barwnik spożywczy przekształcony w roztwór wodny. Najlepiej sprawdzają się ciemne kolory, takie jak czerwony, niebieski i zielony. (Unikaj barwników spożywczych w glikolu propylenowym.)
Strzykawka	HSW	4100.000V0	5-10 ml, np. HSW Norm-Ject 2-częściowa jednorazowa strzykawka
Igła do pipetowania	Cadence Science	7942	14-g, 6-calowa końcówka, do wstrzykiwania barwnika głęboko w piasek.
Aparat cyfrowy	Dowolny		aparat cyfrowy ze stabilnym statywem. (Kamery poklatkowe mogą być używane do zbierania szybkich, równomiernie rozmieszczonych danych). Użyliśmy aparatu Nikon D7000.
Linijka	Dowolna		przezroczysta jest najlepsza.
Taśma miernicza	Dowolne
oprogramowanie Netlogo	CCL		http://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogo	Netlogo Commons	4259	http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogo	Netlogo Commons	4258	http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258

spożywczych

Bibliografia

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).
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).
Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
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).
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).
Jones, J. B., Mulholland, P. J. Streams and Ground Waters. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).
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).
Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
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).
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).
Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
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).
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).
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).
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).
Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
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).
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).
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).
Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
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).
Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
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).
Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. , John Wiley & Sons. (1987).
Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906(1979).
Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).
Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
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).
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).
Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
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).
Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
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).
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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Symulacja form dna modelowanie w NetLogo eksperymenty w kanale hydraulicznym transport osad w przep yw wody porowej wirtualne znaczniki wizualizacja przep ywu symulacja komputerowa

Wizualizacja przepływu hiporheicznego przez formy łóżka za pomocą eksperymentów i symulacji barwników

W tym artykule

Podsumowanie

Streszczenie

Wprowadzenie

Protokół

Wyniki

Dyskusja

Oświadczenia

Podziękowania

Materiały

Bibliografia

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Powiązane artykuły