Visualisere Hyporheic Flow Gennem Bedforms Brug Dye Eksperimenter og Simulering
Summary
This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.
Abstract
Advektiv udveksling mellem pore plads af sedimenter og overliggende vandsøjle, kaldet hyporheic udveksling i højvande miljøer, driver stoftransport i floder og mange vigtige biogeokemiske processer. At forbedre forståelsen af disse processer gennem visuel demonstration, vi skabt en hyporheic flow simulering i multi-agent computermodeller platform NetLogo. Simuleringen viser virtuelle sporstof strømmer gennem en streambed dækket med todimensionale bedforms. Sediment, flow, og bedform egenskaber bruges som input variabler for modellen. Vi viser, hvordan disse simuleringer matcher eksperimentelle observationer fra laboratoriet flume eksperimenter baseret på målte input parametre. Farvestof indsprøjtes i renden sedimenter at visualisere porevandet flow. Til sammenligning virtuelle sporstof partikler er placeret på samme steder i simuleringen. Dette kombineret simulering og lab eksperiment har været anvendt med succes i bachelor og graduate laboratorier til direkte at visualisere flod-porevandet interaktioner og vise, hvordan fysisk-baserede flow simuleringer kan gengive miljømæssige fænomener. Studerende tog fotografier af sengen gennem de transparente flume vægge og sammenlignet dem til figurer af farvestoffet på de samme tidspunkter i simuleringen. Dette resulterede i meget lignende tendenser, som tillod de studerende til bedre at forstå både strømningsmønstre og den matematiske model. Simuleringerne også gøre det muligt for brugeren hurtigt visualisere effekten af hver indgang parameter ved at køre flere simuleringer. Denne proces kan også anvendes i forskningsansøgninger at illustrere grundlæggende processer, vedrører kontaktflader, flusmidler og porevandet transport og støtte kvantitative procesbaseret modellering.
Introduction
Som overfladevand bevæger sig i en strøm, floden eller tidevandszonen det skaber hoved gradienter, der driver vand ind og ud af de sedimenter 1. I højvande systemer den del af strømlejer sedimenter, hvor denne udveksling sker er kendt som den hyporheic zone 2,3. Denne zone er vigtigt, fordi mange næringsstoffer og forurenende stoffer er gemt, deponeret eller omdannet i den hyporheic zone 4-9. Den tid, et sporstof tilbringer i sedimentet kaldes en opholdstid. Både opholdstider og beliggenhed for strømningsvejene påvirker forandringsprocesser. Forbedret forståelse af de processer, der påvirker gennemstrømningen sedimentet er nødvendig for at forudsige stoftransport i floder og adresse store miljømæssige problemer som følge af udbredelsen af materialer, såsom næringsstoffer (f.eks kystnære hypoxi 10,11). På trods af betydningen af hyporheic udveksling, er det ofte ikke er beskrevet i bachelor kurser i hydrologi,fluid mekanik, hydraulik mv Undervisere, der ønsker at tilføje hyporheic udveksling til deres kurser kunne finde det nyttigt at have eksperimentelle og numeriske visualiseringer, der klart viser denne proces.
Stream kanal bugtning, omgivende grundvandsstand, og streambed topografi (dvs., barer, bedforms og biogene gravhøje) alle påvirke hyporheic udveksling i varierende grad 12-17. Denne undersøgelse fokuserede på bedforms, som klitter og krusninger, der normalt centrale geomorfiske funktioner påvirker hyporheic flow 14,15. Vi skabte en numerisk simulering og laboratorium eksperiment for at visualisere strømmen gennem en række regelmæssige bedforms. Denne simulering er baseret på et legeme af tidligere forskning vedrørende hyporheic strømningsveje til let observerbare systemegenskaber 15,18-21. Da denne forskning danner den videnskabelige baggrund for simulation, et kort resumé af de vigtigste aspekter af teorien følger. Bedform topografi, T (x),er givet ved:
Ligning 1: 
hvor H er det dobbelte af amplituden af bedform, k er bølgetallet, og x er den langsgående dimension parallelt med den gennemsnitlige streambed overflade. Et eksempel på denne bedform topografi er vist i figur 1.
Figur 1. definitioner og indstillinger styres af brugeren. I interface, er sporstof partikler frigives på en flux-vægtet måde på vand / sediment grænseflade og spores gennem sedimentet. Hvis show-stier? Er "på" vandet sporstoffer mærket, hvor de er blevet, viser deres stier. Når et sporstof vender tilbage til overfladevandet, dette ændrer tHan samlede antal sporstoffer i systemet, når re-drop? er sat til "off". Den kumulative opholdstidsfordeling plot viser denne ændring ved at afbilde forholdet mellem antallet af sporstoffer resterende i sedimentet sengen med det oprindelige antal som funktion af tiden. Hvis re-drop? Er "på" så sporstoffer, der forlader systemet udskiftes i samme flux-vægtede måde som originale partikler, og den kumulative plottet er deaktiveret. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Parameter navn | Enheder | Definition | Grænseflade | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Bølgelængde på bedform (se figur 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | Dobbelt så bedform amplitude (se figur 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | Dybden af sedimenter (se figur 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / s | Hydraulisk ledningsevne | | | ||
| Porøsitet (θ) | Porøsitet | | | |||
| ChannelVelocity (U) | cm / s | Mean hastighed i overfladevand eller kanal | | | ||
| Dybde (d) | cm | Vanddybde (se figur 1) | | | ||
| Hældning (S) | Hældningen af bedforms og vandoverfladen | | <td> ||||
| NumParticles | Antallet af partikler ind i systemet. | | ||||
| Timex (Time1, Tid2 ..) | min | Tidspunkt, hvor hver farve forekommer ændringer | | |||
| Simulation Knapper | Definition | Grænseflade | Mousedrop | |||
| Opsætning | Sæt os op simuleringen ved hjælp af parametre vist | | | |||
| gå / stop | Starter og stopper simuleringen | | | |||
| Trin | Hvis du klikker skridt forårsager en gang skridt til at passere. Dette giver brugerne mulighed for at bremse den kode og se præcis, hvad der sker i 100 sek. | | ||||
| klare stier | Rydder alle han blå partikel stier fra skærmen | | | |||
| Videre til næste gang | Dette bevirker, at programmet til at køre indtil næste farveskift gang (Timex) | | ||||
| mus-drop | Denne knap skal klikkes før partikler kan placeres i undergrunden ved at klikke på steder i undergrunden. | | ||||
| show-stier? | Hvis show-stier? er "on" vandpartiklerne efterlade et spor af blåt viser, hvor de har været (se figur 1). | | | |||
| re-drop? | Hvis re-drop? er "on" partiklerne udskiftes i en flux vægtet måde for hver partikel, der kommer ud af systemet, og den kumulative plot virker ikke. Når en partikel forlader hyporheic zone antallet af partikler i systemet falder, hvis Re-drop? er "off" (se figur 1). | | ||||
Tabel 1. Hyporheic Parametre og Simulation Controls. Hver parameter, knap og slider, der kan justeres af brugeren er givet i denne tabel sammen med en definition.
I denne simulering, to processer inducere fluidhastigheden i sandunderlaget. Den første skyldes de interaktioner af åen flow med bedforms. Hastigheden hoved på vandet / sediment-grænsefladen induceret af bedforms er også tilnærmelsesvis sinusformet, og forskydes med en kvart bølgelængde fra bedform selv 22. Amplituden af hastigheden hovedet funktion på overfladen undergrunden interfacet er tilnærmet målinger som 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "altid"> ligning 2:
hvor U er den gennemsnitlige overfladevand hastighed, g er gravitationskonstanten, og d er dybden af vandet (vist i figur 1). Hastigheden hoved funktion er da givet ved:
Ligning 3: 
Dette hoved funktion kan så anvendes til at beregne bedform-komponent af undergrunden velocity funktioner ved at løse Laplace ligning med en konstant sand bed-dybde 20. Den anden komponent i porevandet hastighed bestemmes af hældningen af systemet, S, hvilket svarer til et tyngdefelt hoved gradient, at udbyttet flow i nedstrøms retning i forhold tils / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De endelige funktioner til porevandet hastighed er.:
Ligning 4: 
Ligning 5: 
hvor u er længdehastigheden komponent, v er den vertikale hastighedskomponent, K er den gennemsnitlige hydrauliske ledningsevne af sedimentet, er den gennemsnitlige porøsitet af sedimenter, y er den lodrette koordinat, og D er dybden af sedimenter.
Partikel sporing simuleringer blev skabt, som bruger den NetLogo modellering sprog og simulering platform 23. De to implementeringer (Mousedrop.nlogo og Interface.nlogo) bruge disse ligninger til model HYPorheic flow med det samme simulering kerne. Den primære forskel er de oprindelige placeringer af sporstof partikler. Mousedrop tillader brugeren at placere simuleret tracer overalt i undergrunden. Undergrunden hastighed ligninger 4 og 5 anvendes til at flytte sporstof for at simulere farvestof injektion eksperimenter. I interface, er sporstof altid placeres langs overfladen / undergrunden grænse i en flux-vægtet måde. Dette efterligner levering af opløst og suspenderet materiale fra overfladen vand i porevandet, hvilket er afgørende for at forstå hyporheic udveksling. Sporstoffet bevæger sig derefter i undergrunden, indtil den igen når strømmen vand. Sporing farvestoffet stier i renden og simulering stierne ved hjælp NetLogo giver strømningslinierne af FlowField, så længe strømningsforhold og bedform morfologi forbliver stabil under observationsperioden. Interface.nlogo skaber en kumulativ opholdstid distribution, som viser forholdet mellem antallet afsporstof partikler forbliver i sedimenterne med det oprindelige antal af sporstof partikler tilføjet til tiden 0 som en funktion af tiden.
Som omtalt i en nylig litteratur-undersøgelse 24, er der stadig en betydelig debat inden for uddannelsesforskning samfund om de relative fordele ved hands-on laboratorieforsøg versus simulerede laboratorier og computermodeller. På den ene side, nogle føler, at "hands-on erfaring er kernen i læring" 25, og forsigtighed, at cost-opsparing argumenter kan næring udskiftning af hands-on lab aktiviteter ved computerbaserede simuleringer, til skade for studerendes forståelse 26. På den anden side, nogle forskere inden for naturvidenskab / ingeniøruddannelse hævder, at simuleringer er mindst lige så effektiv som traditionelle hands-on labs 27, eller diskutere fordelene ved edb-simulering i at fremme elevcentreret "discovery learning" 28. Mens konsensus ikke er blevet resmertede, har mange forskere konkluderet, at ideelt set bør computersimuleringer supplere snarere end erstatte, hands-on laboratorieforsøg 29,30. Der har også været initiativer inden for videnskab og teknik uddannelse til samtidigt par fysiske eksperimenter og virkelige verden sensing med computersimuleringer af de fænomener; se, fx "bifokale modellering" 31.
Studerende kan få en dybere begrebsmæssig viden og en bedre forståelse af den videnskabelige forskning ved at interagere med både et fysisk system, og en computer-baseret simulering af dette system. Denne procedure indebærer at have eleverne udføre en stoftransport eksperiment, der demonstrerer tyngdekraften og bedform-induceret hyporheic udveksling flow, og matche deres egen forsøgsopstilling og resultater med en computer simulering af de samme fænomener. Denne sammenligning letter vigtige elev-læringsresultater, og en dybere diskussion af tHan videnskabelig metode, og samspillet mellem model / teori-bygning og empirisk validering gennem dataindsamling. Efter udførelse af denne sammenligning, kan de studerende også drage fordel af fordelene ved computerbaseret simulering til hurtigt at udforske et væld af alternative scenarier ved at ændre modelparametre.
Protocol
Representative Results
Discussion
I forbindelse, Flume demonstrations- og partikel sporing simuleringer giver en omfattende introduktion til hyporheic flow for en række målgrupper. Deltagere på alle niveauer er fastsat visuelle beviser for forekomsten af hyporheic udveksling fremkaldt af bedforms, og den stærke variabilitet i undergrunden strømningsveje under bedforms. Disse procedurer kan bruges som en simpel demonstration af porevandet flow for bachelorer eller K-12 studerende, eller det kan bruges i graduate kurser i forbindelse med en mer…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This material is based upon work supported by National Science Foundation grants EAR-0810270, EAR-1215898, and EAR-1344280, as well as an NSF Graduate Research Fellowship.
Materials
| Flume | Engineering Laboratory Design | Custom | Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours |
| Flowmeter | Rosemount | 8800 vortex | This is located inside the recirculation loop of the flume |
| Sand | US. Silica | F30 | Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume |
| Dye | Samples from food companies | Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution. Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol) | |
| Syringe | HSW | 4100.000V0 | 5-10 mL, e.g. HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe |
| Pipetting Needle | Cadence Science | 7942 | 14-gage, 6-in blunt end, to inject the dye deep into the sand. |
| Digital Camera | Any | Digital camera with steady tripod (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.) We used a Nikon D7000. | |
| Ruler | Any | Transparent is best. | |
| Measuring Tape | Any | ||
| Netlogo Software | 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 |
References
- Huettel, M., Webster, I. T., Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. . Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. , 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. , (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).
- 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. , (1979).
- Todd, D. K., Mays, L. W. . Groundwater Hydrology. , (2005).
- Box, G. E., Draper, N. R. . Empirical Model-Building and Response Surfaces. , (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. , (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. , (2000).
