Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar experimentalmente o fluxo hiporreico utilizando um software de modelagem que cria uma simulação compatível com o experimento físico. Este método pode auxiliar na demonstração de conceitos fundamentais na área de hidrologia, mostrando como o fluxo de água através dos sedimentos sob um curso d'água é influenciado pelos sedimentos, pela topografia e pelas propriedades da água superficial. Embora este método possa ser usado para investigar o fluxo hiporreico, ele também pode ser aplicado em laboratórios educacionais para demonstrar o fluxo hiporreico a estudantes de todos os níveis.

A principal vantagem dessa técnica é que ela combina experimentos laboratoriais físicos com um software interativo de computador que simula o mesmo fenômeno. A demonstração visual mostra as semelhanças e discrepâncias espaciais entre os experimentos físicos e as simulações, o que estimula o desenvolvimento de uma compreensão mais profunda dos princípios hiper. Comece instalando o software necessário, que é o NetLogo e dois scripts para executar no Net.

Em seguida, queda do camundongo e interface. Depois, seguindo as instruções no protocolo textual, configure o canal de laboratório de modo que todos os parâmetros estejam dentro das restrições do intervalo de parâmetros da simulação de queda do camundongo. Execute o canal por 12 a 24 horas para criar uma forma de leito com as características desejadas.

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

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

Em seguida, nos mesmos locais de antes, meça as distâncias da base do canal até a superfície da água e meça a distância entre essas medições verticais. Calcule a declividade do canal como a diferença entre essas medições 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 final do canal onde as dunas tenham formado um padrão regular. Esta seção deve abranger pelo menos uma forma completa do leito. Na seção de teste.

Realize algumas medições utilizando uma régua transparente. Primeiro, determine a profundidade média do sedimento realizando medições em um vale de dunas e em um cume de dunas. A diferença entre essas medições é a altura da forma do leito.

Em seguida, determine a profundidade média da água, que é a distância média entre a superfície da água e a superfície do leito de areia. Depois, meça e registre o comprimento de onda médio das formas do leito, medindo a distância entre cristas sucessivas de dunas. Em seguida, registre a vazão do canal a partir 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 medidas estão dentro dos intervalos especificados na interface do usuário. Se um parâmetro medido estiver fora do intervalo estipulado, ajuste o intervalo do parâmetro clicando com o botão direito no controle deslizante, selecionando editar e ajustando os valores mínimo e máximo. Primeiro, posicione uma câmera em um tripé apontada ortogonalmente para a parede do canal.

A imagem deve ser centralizada em uma única forma de leito na seção de teste. Se reflexos forem um problema, fixe a posição da câmera e ajuste a iluminação; incluir uma régua na imagem pode ajudar na escala. Em seguida, utilizando uma seringa e uma agulha, faça duas ou três pequenas injeções de corante próximo à parede do canal.

Essas injeções devem formar manchas de dois centímetros de água colorida, que devem ser colocadas em diversas posições verticais e horizontais. Registre o horário inicial das injeções do corante e tire uma foto inicial. Pode ser instrutivo usar papel vegetal para rastrear os frentes iniciais de D e os contornos ao redor do corante.

Assim, é mais fácil observar seus movimentos no laboratório, mas esse método apresenta suas compensações. Com a câmera, capture as posições das frentes de D nos intervalos de tempo apropriados. Para a fotografia com lapso de tempo, utilize intervalos de 1/32 para resultados suaves.

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

Certifique-se de prestar atenção cuidadosa às unidades ao inserir esses parâmetros. Em seguida, ajuste os controles deslizantes para indicar em quais momentos a cor de rastreamento da simulação mudará. Defina essas mudanças de cor para corresponder aos tempos observados.

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

Em seguida, clique no botão de soltar do mouse para indicar as posições iniciais dos traçadores virtuais. Vários pontos no leito podem ser clicados. Mantenha o botão do mouse pressionado para liberar mais traçadores virtuais.

Depois que todos os traçadores virtuais tiverem sido posicionados, você pode clicar no botão avançar para o próximo tempo para executar a simulação. Até o tempo um, não clique novamente no botão de configuração, ou os traçadores terão que ser posicionados novamente. Você também pode clicar no botão ir parar para executar a simulação.

Os traçadores continuarão se movendo até que todos os traçadores virtuais tenham saído do sistema, a menos que você pressione o botão de parada. Novamente, isso pode ser usado para pausar a simulação, permitindo que comparações sejam feitas entre as distribuições de corante simulada e medida. Assim que a simulação começar a rodar, a velocidade é calculada para a posição de cada traçador.

Com base nos parâmetros da simulação, o traçador se move para uma nova localização usando essa velocidade, e então o procedimento é repetido até que o traçador deixe o sistema. Em seguida, execute a simulação da interface clicando em configuração seguido por ir parar. Isso executará a simulação com as configurações padrão.

A simulação da interface introduz traçadores virtuais sobre a superfície do leito do curso d'água de forma ponderada pelo fluxo, com base nas velocidades subsuperficiais calculadas. Por padrão, as partículas deixam trajetórias indicando os locais por onde passaram. Desative o botão mostrar trajetórias para eliminar esses traços. Ao ligar a chave da gota vermelha, o gráfico da distribuição acumulada do tempo de residência é desativado e uma nova partícula é liberada a cada vez.

Um sai do sistema. Após observar a simulação com os parâmetros padrão, clique em go stop para interromper a simulação. Em seguida, altere um ou mais parâmetros e reinicie a simulação com os novos parâmetros clicando em setup, seguido por go stop. Aqui, ajustamos a altura da forma do leito, executamos a simulação e depois repetimos o processo, ajustando a profundidade do leito para comparar a simulação com os resultados experimentais.

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

Cada blob D se move nas mesmas direções gerais do modelo e se deforma de maneira semelhante aos blobs D simulados. No entanto, uma inspeção cuidadosa revela algumas discrepâncias. Por exemplo, o blob D à direita forma mais uma forma de feijão do que a simulação.

Isso provavelmente se deve à depressão observável na topografia da forma do leito imediatamente acima desse agregado, que foi criada durante sua injeção no sedimento. Outra discrepância comum é o cronograma, que também não foi perfeito. Isso provavelmente ocorre devido 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 na geometria irregular das formas do leito e ao empacotamento do sedimento, entre outros fatores. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em 24 horas. Ao realizar este procedimento, é importante permitir que a forma do leito se estabilize, ser paciente e prestar atenção às unidades ao fazer e inserir as medições.

Após este procedimento, outros experimentos podem ser realizados para responder perguntas adicionais sobre a influência da topografia, da condutividade hidráulica e das propriedades da água superficial no fluxo hiper. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como visualizar experimentalmente o fluxo hiper e de como utilizar nossas simulações computacionais.