Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar experimentalmente o fluxo de hipo EIC usando um software de modelagem que cria uma simulação que concorda fortemente com o experimento físico. Este método pode ajudar a demonstrar conceitos-chave no campo da hidrologia, mostrando como o fluxo de água através de sedimentos sob um riacho é influenciado pelas propriedades do sedimento, topografia e água superficial. Embora este método possa ser usado para investigar o fluxo de hiper IC, ele também pode ser usado em laboratório educacional para demonstrar o fluxo de hiper IC para alunos de todos os níveis.

A principal vantagem dessa técnica é que ela combina experimentos físicos de laboratório com software de computador interativo que simula o mesmo fenômeno. A demonstração visual mostra as semelhanças e discrepâncias espaciais entre os experimentos físicos e as simulações, o que incentiva o desenvolvimento de uma compreensão mais profunda dos hiperprincípios. Comece instalando o software necessário, que é o logotipo da rede e dois scripts para serem executados na rede.

Logotipo, queda do mouse e interface. Em seguida, seguindo as instruções no protocolo de texto, configure a calha do laboratório para que todos os parâmetros estejam dentro das restrições de intervalo de parâmetros de simulação de queda do mouse. Execute a calha por 12 a 24 horas para criar uma forma de canteiro com as características desejadas.

Ajuste a inclinação da calha e a profundidade da água para obter um fluxo uniforme sobre a forma do leito. O objetivo é que os grãos de sedimentos em formas de leito não pareçam estar se movendo, embora um pouco de movimento possa ser inevitável. Primeiro, uniformize o fluxo enquanto a bomba estiver funcionando.

Selecione dois pontos na parte inferior da calha e registre a distância até a superfície da água para cada linha. Em seguida, ajuste a inclinação da calha ou a profundidade da água até que essas medições de distância vertical sejam as mesmas. Em segundo lugar, pare a bomba e espere que a água pare de se mover.

Em seguida, nos mesmos locais de antes, meça as distâncias do fundo da calha até a superfície da água e meça a distância entre essas medições verticais. Calcule a inclinação do canal como a diferença entre essas medidas dividida pela distância horizontal inclinada entre elas. Agora, reinicie a bomba e selecione uma seção de teste.

Escolha um local próximo à extremidade média ou a jusante da calha onde as dunas formaram um padrão regular. Esta seção deve abranger pelo menos um formulário de cama completa. Na seção de teste.

Faça algumas medições usando uma régua transparente. Primeiro, determine a profundidade média do sedimento fazendo medições em uma calha de duna e em uma crista de duna. A diferença entre essas medidas é a altura da forma da cama.

Em seguida, encontre a profundidade média da água, que é a distância média da superfície da água à superfície do leito de areia. Em seguida, meça e registre o comprimento de onda médio da forma do leito medindo a distância entre as cristas das dunas sucessivas. Em seguida, registre a vazão do canal de um medidor de vazão no circuito de recirculação e calcule a velocidade média do fluxo.

Agora, abra a simulação de queda do mouse e verifique se todas essas medições estão dentro dos intervalos especificados na interface do usuário. Se um parâmetro medido estiver fora do intervalo de restrição, ajuste o intervalo de parâmetros clicando com o botão direito do mouse no controle deslizante, selecionando, editando e ajustando os valores mínimo e máximo. Primeiro, instale uma câmera em um tripé apontado ortogonalmente para a parede da calha.

A imagem deve ser centralizada em uma forma de cama individual na seção de teste. Se os reflexos forem um problema, corrija a posição da câmera e ajuste a iluminação, incluindo uma régua na imagem pode ajudar no dimensionamento. Em seguida, usando uma seringa e uma agulha, faça duas ou três pequenas injeções de corante perto da parede da calha.

Essas injeções devem formar manchas de dois centímetros de água colorida que devem ser colocadas em uma variedade de locais verticais e horizontais. Registre a hora de início das injeções de corante e tire uma foto inicial. Pode ser educativo usar papel transparente para traçar as frentes D iniciais e os limites ao redor do corante.

Assim, é mais fácil observar seus movimentos no laboratório, mas esse método tem suas desvantagens. Usando a câmera, capture as posições das frentes D nos intervalos de tempo apropriados. Para fotografia com lapso de tempo, use intervalos de 32 para obter resultados suaves.

Para uma simulação. Primeiro execute a queda do mouse e compare os resultados com o transporte de corante observado. Ao soltar o mouse, ajuste os parâmetros físicos do sistema para corresponder às condições experimentais dos canais.

Certifique-se de prestar muita atenção às unidades ao inserir esses parâmetros. Em seguida, ajuste os controles deslizantes para indicar em que momentos a cor de rastreamento da simulação será alterada. Defina essas alterações de cor para corresponder aos tempos observados.

Se os parâmetros de tempo estiverem todos definidos como zero, a simulação exibirá uma única cor por toda parte. Depois que todos os parâmetros forem definidos, clique no botão de configuração. A forma da cama deve aparecer na visualização de simulação.

Em seguida, clique no botão de soltar do mouse para indicar os locais de partida dos rastreadores virtuais. Vários locais na cama podem ser clicados. Mantenha o mouse pressionado para liberar mais rastreador virtual.

Depois que todos os rastreadores virtuais forem colocados, você poderá clicar no botão avançar para a próxima vez para executar a simulação. Até a primeira hora, não clique novamente no botão de configuração ou os rastreadores terão que ser colocados novamente. Você também pode clicar no botão ir parar para executar a simulação.

Os rastreadores continuarão se movendo até que todos os rastreadores virtuais tenham deixado o sistema, a menos que você aperte o botão de parada. Novamente, isso pode ser usado para pausar a simulação, para que as comparações possam ser feitas entre as distribuições de corantes simuladas e medidas. Uma vez que a simulação começa a ser executada, a velocidade é calculada para a localização de cada traçador.

Com base nos parâmetros de simulação, o rastreador se move para um novo local usando essa velocidade e, em seguida, o procedimento é repetido até que o rastreador saia do sistema. Em seguida, execute a simulação de interface clicando em setup seguido de go stop. Isso executará a simulação com as configurações padrão.

A simulação de interface introduz os traçadores virtuais na superfície do leito do rio de maneira ponderada por fluxo com base nas velocidades de subsuperfície calculadas; por padrão, as partículas deixam caminhos mostrando onde estiveram. Desative o botão mostrar caminhos para eliminar esses caminhos. Ativar o interruptor de gota vermelha desativa o gráfico de distribuição de tempo de residência cumulativo e libera uma nova partícula a cada vez.

Um sai do sistema. Depois de observar a simulação com os parâmetros padrão, clique em ir parar para parar a simulação. Em seguida, altere um ou mais parâmetros, reinicie a simulação com os novos parâmetros clicando em configuração, seguido de ir parar aqui, ajustamos a altura da forma do leito, executamos a simulação e repetimos o processo, ajustando a profundidade do leito para comparar a simulação com os resultados experimentais.

A fotografia inicial foi usada para determinar a colocação do traçador D simulado no tempo zero. Em seguida, a simulação foi executada por 34,2 minutos e comparada com uma fotografia tirada na época. No geral, o modelo fez um excelente trabalho.

Cada bolha D se move nas mesmas direções gerais que o modelo e se deforma de forma semelhante às bolhas D simuladas. No entanto, uma inspeção cuidadosa mostra algumas discrepâncias. Por exemplo, a bolha D à direita forma mais uma forma de feijão do que a simulação.

Isso provavelmente se deve ao mergulho observável na topografia da forma do leito imediatamente acima dessa bolha, que foi criada durante sua injeção no sedimento. Outra discrepância comum é o tempo, que também não foi perfeito. Isso provavelmente se deve a pequenos erros nas medições das propriedades do sedimento.

Discrepâncias comuns são formadas a partir de uma combinação de erros de medição e efeitos físicos de segunda ordem devido à variabilidade da geometria da forma irregular do leito e ao empacotamento de sedimentos, e assim por diante. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em 24 horas. Ao tentar este procedimento, é importante deixar a forma do leito se estabilizar, ser paciente e prestar atenção às unidades ao fazer e inserir medições.

Seguindo este procedimento, outros experimentos podem ser realizados para responder a perguntas adicionais sobre a influência da topografia, condutividade hidráulica e propriedades da água superficial no hiperfluxo. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como visualizar o hiperfluxo experimentalmente e como usar nossas simulações de computador.