Abstract
Advectieve uitwisseling tussen de poriën van de sedimenten en de bovenliggende waterkolom, genaamd hyporheic uitwisseling in fluviatiele omgevingen, rijdt stoftransport in rivieren en vele belangrijke biogeochemische processen. Voor een beter begrip van deze processen door middel van visuele demonstratie te verbeteren, hebben we een hyporheic stroom simulatie in de multi-agent computermodellen platform NetLogo. De simulatie toont virtuele tracer stroomt door een streambed bedekt met tweedimensionale bedforms. Sediment, stroom en bodemstructuren kenmerken worden gebruikt als input variabelen voor het model. We illustreren hoe deze simulaties overeenkomen met experimentele waarnemingen van laboratoriumgoot experimenten op basis van gemeten invoerparameters. Kleurstof wordt geïnjecteerd in de goot sedimenten het poriewater stroming visualiseren. Ter vergelijking virtuele tracer deeltjes worden geplaatst op dezelfde locaties in de simulatie. Deze gekoppelde simulatie en lab-experiment is met succes gebruikt in undergraduate en gradualaboratoria om direct te visualiseren rivier-poriënwater interacties en laten zien hoe fysiek-gebaseerde stromingssimulaties milieu verschijnselen kunnen reproduceren. Studenten namen foto's van het bed door de transparante wanden goot en vergeleken met vormen van de kleurstof op dezelfde tijdstippen in de simulatie. Dit resulteerde in een zeer gelijkaardige trends, waardoor de studenten om beter te begrijpen zowel de stromingspatronen en het wiskundige model. De simulaties laten de gebruiker ook om de impact van elke parameter ingang snel visualiseren door het uitvoeren van meerdere simulaties. Deze werkwijze kan ook worden gebruikt in onderzoekstoepassingen te illustreren basisprocessen, betrekking grensvlak vloeimiddelen en poriewater transport en ondersteuning kwantitatieve procesmatige modeling.
Introduction
Als oppervlakte water beweegt in een beek, rivier of getijdenzone creëert hoofd hellingen die het water drijven in en uit de sedimenten 1. In riviersystemen het gedeelte van de streambed sedimenten waarin deze uitwisseling plaatsvindt is bekend als de hyporheic zone 2,3. Deze zone is belangrijk omdat veel voedingsstoffen en verontreinigende stoffen worden opgeslagen, gestort of getransformeerd binnen de hyporheic zone 4-9. De tijd die een tracer doorbrengt in het sediment wordt een verblijfstijd. Beide verblijftijden en de locaties van de stromingswegen invloed op de transformatie processen. Beter begrip van de processen die stroming door het sediment nodig is om opgeloste stoffen te voorspellen in rivieren en pakken grote milieuproblemen gevolg van propagatie van stoffen zoals nutriënten (bijv kust hypoxie 10,11). Ondanks het belang van hyporheic uitwisseling, is het vaak niet in undergraduate cursussen in hydrologie beschreven,stromingsleer, hydrauliek, etc. Opvoeders die willen hyporheic ruil voor hun cursussen toe kon vinden het nuttig zijn om de experimentele en numerieke visualisaties die duidelijk laten zien dit proces.
Stroom kanaal bochtigheid, omgeving grondwaterstanden en streambed topografie (dat wil zeggen, bars, bedforms en biogene terpen) allemaal van invloed hyporheic uitwisseling in verschillende mate 12-17. Dit onderzoek richtte zich op bedforms, zoals duinen en rimpelingen, die meestal zijn de belangrijkste geomorfologische kenmerken die hyporheic stroom 14,15. We hebben een numerieke simulatie en laboratorium experiment om stroom te visualiseren door middel van een regelmatige reeks van bodemstructuren. Deze simulatie is gebaseerd op een reeks eerder onderzoek inzake hyporheic stroompaden gemakkelijk waarneembare systeemkenmerken 15,18-21. Aangezien dit onderzoek vormt de wetenschappelijke achtergrond voor de simulatie, een korte samenvatting van de belangrijkste aspecten van de theorie volgt. Bodemstructuren topografie, T (x),is gegeven door:
Vergelijking 1: 
waarbij H tweemaal de amplitude van de bodemstructuren, k het golfgetal en x is de longitudinale afmeting evenwijdig aan het gemiddelde rivierbedding oppervlak. Een voorbeeld hiervan bodemstructuren topografie wordt getoond in figuur 1.
Figuur 1. Parameter definities en instellingen gecontroleerd door de gebruiker. In Interface, worden tracer deeltjes uitgebracht in een flux-gewogen wijze in het water / sediment interface en bijgehouden door het sediment. Als Show-paden? Wordt "aan" het water tracers merk waar ze zijn, met hun paden. Wanneer een tracer terugkeert naar het oppervlaktewater, verandert dit thij totaal aantal tracers in het systeem, bij het opnieuw neerzetten? is ingesteld op "off". De cumulatieve verblijftijd verdelingsgrafiek geeft deze verandering door het uitzetten van de verhouding van het aantal tracers nog in het sediment bed om het oorspronkelijke aantal als functie van de tijd. Als re-drop? "Aan" dan tracers dat het systeem te laten vervangen in dezelfde flux-gewogen wijze als origineel deeltjes, en de cumulatieve plot is uitgeschakeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Parameter Naam | Eenheden | Definitie | Interface | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Golflengte van bodemstructuren (zie figuur 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | Tweemaal de bodemstructuren amplitude (zie figuur 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | Diepte van de sedimenten (zie figuur 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / s | Doorlatendheid | | | ||
| Porositeit (θ) | Poreusheid | | | |||
| ChannelVelocity (U) | cm / s | Gemiddelde snelheid in het oppervlaktewater of het kanaal | | | ||
| Diepte (d) | cm | Waterdiepte (zie figuur 1) | | | ||
| Helling (S) | Helling van de bodemstructuren en wateroppervlak | | ||||
| NumParticles | Het aantal deeltjes in het systeem vrijgelaten. | | ||||
| Timex (Tijd1, Time2 ..) | min | Tijdstip waarop elke kleur verandering optreedt | | |||
| Simulatie Knoppen | Definitie | Interface | Mousedrop | |||
| Opstelling | Stel van de simulatie met behulp van parameters getoond | | | |||
| go / stop | Start en stopt de simulatie | | | |||
| Stap | Klikken stap veroorzaakt eenmalige stap te gaan. Dit stelt gebruikers in staat te vertragen de code en precies zien wat er gebeurt in 100 sec. | | ||||
| duidelijke paden | Wist alle hij blauw deeltje paden van het scherm | | | |||
| Vooruit naar volgende keer | Dit zorgt ervoor dat het programma te draaien tot de volgende kleurverandering keer (Timex) | | ||||
| mouse-drop | Deze knop moet worden geklikt voor deeltjes in de ondergrond kan worden gebracht door op plaatsen in de ondergrond. | | ||||
| Show-paden? | Als Show-paden? "aan" het water deeltjes laat een spoor van blauwe tonen waar ze zijn geweest (zie figuur 1). | | | |||
| opnieuw laten vallen? | Als re-drop? "aan" de deeltjes worden vervangen in een flux gewogen manier voor elk deeltje, die het systeem verlaat, en de cumulatieve plot niet werkt. Wanneer een partikel verlaat de hyporheic zone het aantal deeltjes in het systeem neemt af als re-drop? is "uit" (zie figuur 1). | | ||||
Tabel 1. Hyporheic Parameters en Simulatie Controls. Elke parameter, knop en schuif die kunnen worden aangepast door de gebruiker wordt gegeven in deze tabel samen met een definitie.
In deze simulatie twee processen induceren vloeistofsnelheid in het zandbed. De eerste is te wijten aan de interactie van de stroming met bedforms. De snelheid hoofd op het water / sediment-interface veroorzaakt door bedforms is ook ongeveer sinusvormige en verschoven door een kwart van de golflengte van de bodemstructuren zelf 22. De amplitude van de snelheidshoogte functie op het oppervlak ondergrond interface is benaderd uit metingen als 16:
ge = "always"> Vergelijking 2: 
waarbij U is de gemiddelde oppervlakte watersnelheid, g de gravitatieconstante, en d is de diepte van het water (figuur 1). De snelheidshoogte functie wordt dan gegeven door:
Vergelijking 3: 
Deze kop functie kan dan worden gebruikt om de bodemstructuren gebaseerde component van de ondergrond velocity functies berekenen door het oplossen van de Laplace vergelijking met een beddiepte constant zand 20. De tweede component van het poriewater snelheid wordt bepaald door de helling van het systeem S, wat overeenkomt met een zwaartekracht head gradiënt dat de rendementen stroomt in stroomafwaartse richting evenredigs / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De laatste functies voor het poriënwater snelheid zijn.:
Vergelijking 4: 
Vergelijking 5: 
waarbij U de longitudinale snelheidscomponent, v de verticale snelheidscomponent, K is de gemiddelde doorlatendheid van het sediment, de gemiddelde porositeit van de sedimenten, y de verticale coördinaat en D de diepte van de sedimenten.
Deeltje volgen simulaties werden gecreëerd, waarin de NetLogo modelleertaal en simulatie platform 23 te gebruiken. De twee implementaties (Mousedrop.nlogo en Interface.nlogo) gebruiken deze vergelijkingen te modelleren hyporheic stroom met dezelfde simulatie kern. Het belangrijkste verschil is de initiële locatie van de tracer deeltjes. Mousedrop kan de gebruiker gesimuleerde tracer overal plaatsen onder het oppervlak. Ondergrondse snelheid vergelijkingen 4 en 5 worden gebruikt om de tracer naar kleurstof injectie experimenten te simuleren. In Interface, is tracer altijd langs het oppervlak / ondergrond grens geplaatst in een flux-gewogen manier. Deze bootst de levering van opgeloste en zwevende materiaal van het oppervlaktewater in het poriënwater, die cruciaal is voor het begrip van hyporheic uitwisseling. De tracer gaat dan onder het oppervlak, totdat het weer de stroom water bereikt. Het opsporen van de kleurstof paden in de goot en de paden via NetLogo nabootsen geeft de stroomlijnen van de FlowField, mits de stroomomstandigheden en bodemstructuren morfologie stabiel blijven tijdens de observatieperiode. Interface.nlogo creëert een cumulatieve verblijftijdspreiding, die toont verhouding van het aantaltracer deeltjes blijven in de sedimenten tot het oorspronkelijke aantal tracer deeltjes geplaatst op tijdstip 0 als functie van de tijd.
Zoals besproken in een recent literatuuronderzoek 24, blijft er veel discussie binnen het onderwijsonderzoek gemeenschap over de relatieve voordelen van hands-on laboratoriumexperimenten versus gesimuleerde laboratoria en computermodellen. Aan de ene kant, wat het gevoel dat "hands-on ervaring in het hart van het leren" 25, en voorzichtigheid die argumenten kostenbesparingen kan het stimuleren van de vervanging van de hands-on lab activiteiten van computer-based simulaties, ten koste van de student inzicht 26. Aan de andere kant, sommige onderzoekers in de wetenschap / techniek onderwijs beweren dat simulaties zijn minstens zo effectief als de traditionele hands-on labs 27, of discussiëren over de voordelen van computer-simulatie in het bevorderen van de student centraal "ontdekkend leren" 28. Hoewel consensus niet opnieuwdeed pijn, hebben vele onderzoekers geconcludeerd dat, idealiter, computer simulaties moeten aanvullen, in plaats van verdringen, hands-on laboratoriumexperimenten 29,30. Er zijn ook initiatieven binnen de wetenschap en techniek onderwijs gelijktijdig paar fysieke experimenten en real-world-sensing met computersimulaties van de verschijnselen; zie bijvoorbeeld "bifocale modeling" 31.
Studenten kunnen een diepere conceptuele kennis en een beter begrip van het wetenschappelijk onderzoeksproces door interactie met zowel een fysieke systeem en een computer-based simulatie van dat systeem te krijgen. Deze procedure houdt in dat studenten het uitvoeren van een opgeloste transport experiment dat aantoont zwaartekracht en bodemstructuren-geïnduceerde hyporheic uitwisseling flow, en overeenkomen met hun eigen experimentele opzet en resultaten met een computersimulatie van dezelfde verschijnselen. Deze vergelijking vergemakkelijkt belangrijke student-leerresultaten, en een diepere bespreking van tHij wetenschappelijke methode, en de wisselwerking tussen model / de theorie-gebouw en empirische validatie door middel van het verzamelen van gegevens. Na het uitvoeren van deze vergelijking, kunnen de studenten ook gebruik maken van de voordelen van computer-based simulatie te nemen om snel een groot aantal alternatieve scenario's te ontdekken door het veranderen van model parameters.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Simulatie Software
- Gebruik de in dit hoofdstuk beschreven software.
- Download en installeer de gratis / open-source multi-agent modelleertaal en simulatie platform, NetLogo (beschikbaar: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versie 5.1 of hoger).
Opmerking: Deze software is beschikbaar zonder kosten en draait op alle belangrijke besturingssystemen (Windows / Mac / Linux). - Download de twee specifieke simulatie script bestanden (mousedrop.nlogo en interface.nlogo) dat dit laboratorium procedure te begeleiden. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
Opmerking: Zodra de simulatie platform is geïnstalleerd en deze bestanden zijn gedownload, te dubbelklikken op deze bestanden automatisch geopend tHij simulaties up, klaar om te draaien.
- Download en installeer de gratis / open-source multi-agent modelleertaal en simulatie platform, NetLogo (beschikbaar: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versie 5.1 of hoger).
2. Flume Demonstratie
- Het opzetten van het laboratorium goot, zodat alle parameters (tabel 1) binnen de mousedrop simulatie parameter range beperkingen vallen.
Opmerking: De beperkingen kunnen worden aangepast mousedrop, indien nodig voor het fysieke systeem door het bewerken van de schuiven.- Giet een laagje van ongeveer 15-25 cm zand in de goot. Meet en registreer de doorlatendheid en de porositeit van het zand volgende standaardmethoden 32,33.
- Vul de goot met ongeveer 20-30 cm water.
- Start de goot en verhoging van de stroomsnelheid naar een niveau snel genoeg om zandkorrels bewegen en aldus bedforms creëren.
Opmerking: Het debiet kan verder worden aangepast om bodemstructuren kenmerken te verfijnen met de praktijk. Bodemstructuren maten zijn een gevolg van de stroomsnelheid, waterdiepte en zand eigenschappen. - Sta bedforms te ontwikkelen for 12-24 uur tot natuurlijke duin / rimpel morfologie vormen. Om dit proces te versnellen, handmatig vorm regelmatige duinen, en laat vervolgens sediment transport voor 4-12 uur. U kunt ook handmatig reguliere driehoekige duinen vormen.
Opmerking: Regelmatig driehoekig duinen regelmatige patronen van hyporheic uitwisseling opleveren, maar zal zo veel complexiteit als natuurlijke duin / rimpel bedforms niet tonen. - Zodra de gewenste bodemstructuren worden bereikt, verminderen het waterdebiet tot bed sedimenttransport vertraagt en bodemstructuren kenmerken stoppen veranderen.
- Visueel waarnemen beweging van sediment korrels bestaande uit het bed, en het verminderen van stroom totdat beweging ophoudt.
Opmerking: Dit zal het bed morfologie behouden gedurende de duur van het experiment. - Om te bevestigen dat traag, episodische beweging wordt niet optreedt, merk of foto bodemstructuren posities en dan te observeren op een later tijdstip.
Opmerking: Het is alleen belangrijk dat bedforms niet significant bewegen over het tijdskader van het experiment, dat voorzieteen voldoende observatie tijd om te bevestigen dat bedforms stabiel.
- Visueel waarnemen beweging van sediment korrels bestaande uit het bed, en het verminderen van stroom totdat beweging ophoudt.
- Pas goot helling en / of waterdiepte tot uniforme stroming onder het verlaagde debiet te bereiken.
- Controle kanaal helling door middel van apparatuur gebouwd in de goot, meestal ofwel een gemotoriseerde aansluiting of een hand-crank. Pas waterdiepte door het toevoegen of verwijderen van water uit de goot.
Opmerking: In de experimentele opstelling hier gebruikt, wordt de gehele goot gemonteerd op een spil op het stroomafwaartse einde, en de helling wordt door een gemotoriseerde aansluiting aan het stroomopwaartse uiteinde stellen. - Terwijl de pomp draait, selecteert twee longitudinale plaatsen gemarkeerd met lijnen loodrecht op de bodem van de goot. Op deze locaties gebruikt een liniaal om de afstand langs deze loodlijn te meten tussen het oppervlak van het water en de onderkant van de goot.
Opmerking: Afhankelijk van de goot opstelling, kan de bodem van de goot een betere hellend referentielijn dan de onderkant van de goot te dienen. Het selecteren van een LARger longitudinale afstand zal een grotere nauwkeurigheid opleveren. - Stel de helling van de goot en / of de waterdiepte en opnieuw meten totdat de verticale afstandsmetingen zijn dezelfde uniforme stroming te bereiken. Meet de schuine horizontale afstand langs de bodem van de goot tussen de twee longitudinale plaatsen.
- Controle kanaal helling door middel van apparatuur gebouwd in de goot, meestal ofwel een gemotoriseerde aansluiting of een hand-crank. Pas waterdiepte door het toevoegen of verwijderen van water uit de goot.
- Stop de pomp en wacht tot het water om te stoppen met bewegen; dit zal een vlakke ondergrond te bieden. Opnieuw meet de afstand tussen de bovenzijde van de goot en het wateroppervlak op elke longitudinale locatie.
Opmerking: Het kanaal helling is gelijk aan het verschil tussen deze metingen, gedeeld door de gehelde horizontale afstand tussen hen. - Re-start de pomp.
- Selecteer een test sectie, die een locatie in de buurt van het midden of stroomafwaarts einde van de goot waar de duinen hebben gevormd een regelmatig patroon moet zijn. Ervoor te zorgen dat dit deel omvat ten minste één volledige bodemstructuren.
- Meet en noteer de gemiddelde sediment diepte (D) in the proefvak met iedere hand meten devise (transparante linialen zijn ideaal). Voor de eenvoud, gebruik dan de gemiddelde afstand van een kuif en dal naar de goot bodem.
- Meet en noteer de gemiddelde bodemstructuren hoogte in de test sectie, gedefinieerd als het verschil tussen het sediment diepte een kuif en het sediment diepte een trog met een liniaal. Meet meerdere bedforms om een goede schatting van de gemiddelde te verkrijgen.
- Weer met de liniaal, meten en noteer de gemiddelde waterdiepte (d) in de test sectie, gedefinieerd als de gemiddelde afstand van het wateroppervlak tot het zandbed. Nogmaals, gebruik dan de gemiddelde waterdiepte bij duin toppen en dalen voor eenvoud.
- Noteer het kanaal debiet (Q) van de flowmeter, en het berekenen van de gemiddelde snelheid als Q / (d * w), waarbij w de breedte van de goot en d de waterdiepte.
Let op: Onze flowmeter is in de recirculatielus van de goot geplaatst. - Maatregelen noteer de gemiddelde bodemstructuren golflengte in de test sectie. Typisch meet de golflengte als de afstand tussen opeenvolgende duin kammen.
- Open de Mousedrop simulatie (in het NetLogo platform) en controleer of alle metingen binnen de variabele bereik opgegeven in de simulatie-gebruikersinterface. Als een gemeten parameter valt buiten het bereik beperking, passen de simulatie parameter range door rechts te klikken op de parameter "slider", selecteren "bewerken", en het aanpassen van de min / max-waarden.
- Visualiseren hyporheic uitwisseling.
- Zet de camera op een vaste locatie (bij voorkeur op een statief) wezen orthogonaal aan de goot wand met een enkele bodemstructuren in het sectietest midden van het beeld.
Opmerking: Dit zal de problemen van de schuine perspectief te voorkomen. - Neem een test foto om voorwaarden te controleren. Pas de verlichting als reflecties zijn een probleem.
- Met behulp van de spuit en naald, maken 2-3 kleine kleurstof injections buurt van de goot muur. Zorg ervoor dat deze injecties vormen ~ 2 cm door flarden van gekleurde poriënwater op verschillende verticale en horizontale locaties. Met zorg aan de verstoring van het zandbed tijdens de injectie te minimaliseren.
Opmerking: Injecties met kleinere hoeveelheden kleurstof, zodat de gebruiker meer detail te zien en te bekijken individuele stroom paden. - Noteer de starttijd van de kleurstof injecties en neem een eerste beeld.
Optioneel kan het leerzaam om de oorspronkelijke kleurstof fronten sporen met tellers transparantie papier, zodat de kleurstof beweging gemakkelijk waarneembaar in lab, maar deze lijnen zal ook blokkeren kleine gedeelten van de kleurstof fronten in beelden, zodat er een handels- off. - Leg de kleurstof voorste posities op de juiste tijdstippen. Voor time lapse fotografie, gebruiken 30 sec intervallen voor gladde resultaten te geven.
- Zet de camera op een vaste locatie (bij voorkeur op een statief) wezen orthogonaal aan de goot wand met een enkele bodemstructuren in het sectietest midden van het beeld.
3. Simulatie
- Run Simulatie 1: Mousedrop en vergelijken met de waargenomen kleurstof vervoer.
- Open de simulatie script genaamd Mousedrop.nlogo.
Figuur 2. Mousedrop. Dit laat zien waar tracers zijn 7 verschillende instanties in de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. - Stel het fysieke systeem parameters in tabel 1 getoond goot experimentele omstandigheden overeenkomen (in het bijzonder: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, de poreusheid, ChannelVelocity, diepte en helling). Zorg ervoor dat u aandacht te besteden aan eenheden bij het invoeren van invoerparameters.
- Pas sliders Tijd1, Time2, etc. om tijden aan te geven wanneer de simulatie bijhouden kleur zal veranderen. Stel deze kleurveranderingen aan observatie keer overeenkomen met het oog op de vergelijking van simulatieresultaten met de waarnemingen vergemakkelijken.
AantekeningAls de Time parameters alle zijn ingesteld op 0, zal de simulatie van een enkele kleur hele tonen. - Nadat alle parameters zijn ingesteld, klikt u op de setup-knop.
Opmerking: De bodemstructuren moeten in de simulatie weergave verschijnen. - Klik op de muis-drop-knop om de start locaties van virtuele tracers geven. Merk op dat meerdere locaties in het bed kan worden geklikt. Houd de muis naar beneden om meer virtuele tracer vrij te geven. Bij het simuleren van kleurstof beweging, de muis gebruiken om ofwel traceren kleurstof fronten (de grens rond de kleurstof), of in het volledige gebied van de geverfde regio te vullen.
Opmerking: Invoering van meer virtuele tracer zal de simulatie om langzamer draaien. De beste visuele resultaten zullen variëren met de prestaties van de computer. - Zodra alle van de virtuele tracers zijn geplaatst, kunt u klikt u op de Advance om de volgende keer knop, die de simulatie zal beginnen en dan stoppen bij de eerste keer of u klikt op de go / stop-knop om de simul beginnenatie voor onbepaalde tijd. Niet opnieuw op de setup-knop, of de tracers zal opnieuw worden geplaatst.
Opmerking: Als de simulatie begint te lopen, wordt de snelheid berekend voor de locatie van elk tracer gebaseerd op simulatie parameters in de vergelijkingen 4 en 5. De tracer beweegt volgens het snelheidsveld van 100 gesimuleerde seconden en de snelheid op de nieuwe locatie wordt berekend en de procedure wordt herhaald totdat de tracer verlaat het systeem. - Optioneel, klikt u op de go / stop-toets om te pauzeren / voortzetten van de simulatie. Vergelijk de gesimuleerde en gemeten kleurstof distributies op verschillende punten in de tijd.
- Open de simulatie script genaamd Mousedrop.nlogo.
- Run Simulatie 2: Interface.
- Open het script getiteld Interface.
Figuur 3. Interface. Dit geeft 370 tracers die door de ondergrond via de interface simulatie. De tracer paTHS tonen waar elke tracer is sinds het werd begonnen aan de oppervlakte water-ondergrond interface. Uiteindelijk alle stromingstrajecten moeten terugkeren naar het oppervlaktewater. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Opmerking: Dit script introduceert virtuele tracers op het streambed oppervlak in een flux-gewogen wijze op basis van berekende ondergrond snelheden. Dit verschaft een visuele weergave van de relatieve hoeveelheden water stroomt in (en buiten) het streambed op verschillende locaties. - Begin door te klikken setup gevolgd door go / stop.
Opmerking: Dit zal de simulatie met de standaardinstellingen lopen. De schakelaar opnieuw neerzetten? Aanvankelijk uitgeschakeld, zodat de cumulatieve verblijftijd distributie zal worden uitgezet als de tijd verstrijkt. - Na het observeren van de simulatie met de standaard parameters, klik op go / stoppen om de simulatie te stoppen.
Opmerking: Dit zal de simulatie herstarten met de parameters die zijn geselecteerd. - Open het script getiteld Interface.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het gebruik van een simulatie in combinatie met experimenten kunnen studenten van de overeenkomsten en verschillen tussen geïdealiseerde wiskundige modellen en meer complexe echte systemen te observeren. Figuur 4 toont een voorbeeld vergelijken kleurstof injectie foto's met Mousedrop simulaties. De eerste foto wordt gebruikt om de plaatsing van gesimuleerde kleurstof tracer bepaald op tijdstip nul en daarna wordt de simulatie uitgevoerd voor 34,2 min en vergeleken met een foto op dat moment. Algehele het model heeft een uitstekende werk van het vastleggen van de beweging van de geverfde water over dit tijdsinterval. De eerste kleurstof blob, gelegen aan de lijzijde van de bodemstructuren, verlaat de sedimenten in zowel de gesimuleerde en experimentele systemen. De tweede verlengt en reist die een toenemende vorm zoals spreidt, zodat een deel van de tracer verlaat stroomafwaarts van de oorspronkelijke locatie en sommige upstream. De laatste kleurstof blob propageert stroomopwaarts en een aantal van de tracer reist diepere in de sedimenten. Dit toont aan dat hyporheic uitwisseling plaatsvindt onder bodemstructuren en dat de patronen van hyporheic uitwisseling stroom hebben betrekking op geometrie bodemstructuren. De sterke overeenkomst tussen de simulatie en het experiment valideert het model vergelijkingen om een eerste-orde-niveau. Deze procedure ook duidelijk zien dat hyporheic uitwisseling is een belangrijk proces dat schalen met bodemstructuren grootte, en dat bijna de helft van het poriënwater stroomt stroomopwaarts onder bedforms. Op nadere inspectie, echter kleine verschillen te zien tussen de waargenomen en gesimuleerde kleurstof vervoer. De simulatie is gladder dan de eigenlijke kleurstof patroon en niet zo diep tot in de sediment. Deze verschillen resulteren uit een combinatie van meetfouten en tweede orde fysieke effecten van bodemstructuren onregelmatige geometrie variabiliteit in sediment verpakking, etc., zoals beschreven in tabel 2.
4 "src =" / files / ftp_upload / 53.285 / 53285fig4.jpg "/>
Figuur 4. Vergelijking goot kleurstof fronten simulaties. Dye werd geïnjecteerd in de goot en een foto is genomen op tijdstip 0. Tracers werden in de ondergrond via Mousedrop op dezelfde locaties als kleurstof geplaatst. Tracers vervolgens verplaatst voor simulatie 34,2 minuten en de simulatie wordt dan vergeleken met een foto genomen 34,2 min na de eerste afbeelding. De waargenomen kleurstof patronen en de simulaties te vergelijken en in de latere tijd. Er zijn een aantal verschillen te wijten aan ruimtelijke variaties in het veld stroom die niet door het model. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Gemeenschappelijke bronnen van Verschillen | verwacht resultaat | |
| Werkelijke hoofd profiel differs van veronderstelde sinusvormige curve | Asymmetrie in de poriënwater stroming onder de bodemstructuren | |
| Onregelmatige reeks bedforms | Mogelijke afwijkingen in het FlowField ter plaatse van waarneming | |
| Beddiepte onvoldoende sediment | Verticale compressie van het poriewater profiel | |
| Niet-uniforme (dat wil zeggen, de tijd variërende) stroom over het bed | Extra verhoging hoofd componenten die een extra component van poriënwater stroom over elkaar (bijvoorbeeld verhoogde asymmetrie van de poriënwater circulatie cel onder de bodemstructuren.) | |
| Heterogeniteit van het verpakken van de sedimenten | Ruimtelijke variabiliteit in poriënwater stroom (flarden van sedimenten met hogere en lagere snelheid) | |
| Aanzienlijke verstoring van sedimenten bij het injecteren kleurstof | Kleurstofvrijmaking verticaal through de injectie gat | |
| Toepassing van een niet in water oplosbare kleurstof of onvoldoende oplossing of mengen van de kleurstof voor injectie | Pooling van de kleurstof in poriënwater, niet-uniforme poriënwater vervoer of langzame mobilisatie van kleurstof uit injectie locaties. | |
| Onnauwkeurige metingen (vaak te wijten aan eenheden) | Dit kan resulteren in een drastisch verkeerde resultaten | |
| Veronderstelde gebrek aan spreiding in de simulatie | Sommige uitbreiding kleurstof vormen | |
Tabel 2. Bronnen van discrepantie tussen waarneming en simulatie. Een lijst van de gemeenschappelijke bronnen van fouten is in deze tabel opgesomd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In combinatie, de goot demonstratie en deeltjes volgen simulaties bieden een uitgebreide inleiding op hyporheic stroom voor een scala aan doelgroepen. Deelnemers aan alle niveaus worden voorzien visueel bewijs voor het optreden van hyporheic uitwisseling geïnduceerd door bodemstructuren en de sterke variabiliteit in ondergrondse stroompaden onder bedforms. Deze procedures kunnen worden gebruikt als een eenvoudige demonstratie van poriewater stroom voor studenten of K-12 studenten of het kan worden gebruikt in graduate vakken in combinatie met een meer diepgaande presentatie rivier hydraulica, sediment transport en de mechanica van hyporheic uitwisseling . Ongeacht het niveau, het gebruik van deze eenvoudige visualisatie model zoals interactieve technologie geeft studenten de mogelijkheid om een dieper begrip van deze complexe en belangrijke verschijnselen dan zou worden bereikt door middel van abstracte theorie en discussie vormen.
Tijdens het gebruik van deze werkwijzen verschillen tussen het fysieke systeem en simulaop moet niet worden gezien als "fouten", maar in plaats daarvan als een "leermoment", dat wil zeggen, het uitgangspunt voor een discussie die uiteindelijk zal leiden tot meer leren. Studenten moeten worden geleid tot een aantal vragen, met inbegrip van overwegen: Wat zijn alle van de bronnen van fouten (in het model, de afmetingen en het laboratorium procedure)? Welke van deze potentieel kunnen bijdragen aan het verschil tussen simulaties en waarnemingen? Wat vereenvoudigende veronderstellingen werden gemaakt in de formulering van het model? Hoe belangrijk zijn kleine verschillen, en maken ze het model "verkeerde"? Als statisticus George Box beroemde zei: "In wezen, alle modellen verkeerd zijn, maar sommige zijn nuttig." 34 Een goed wetenschappelijk model vangt bepaalde essentiële kenmerken van een systeem, hetgeen leidt tot een beter begrip, terwijl het verwaarloost details die minder relevant zijn om het probleem bij de hand. Deze goot laboratoriumexperiment en bijbehorende simulation bieden een uitstekende case studie voor studenten in het begrijpen van zowel de sterke en zwakke punten van een model en een experimentele methode. Dus niet alleen de studenten krijgen een grotere vlotheid met kernbegrippen van hyporheic uitwisseling en transport van opgeloste stoffen, maar ze hebben geleerd over de complementaire relatie (en de soms complexe interactie) tussen theorie-gebouw en het verzamelen van gegevens, tussen de computermodellen en laboratorium experimenten. Verder is deze koppeling van het lab en simulatie bevordert de ontwikkeling van belangrijke metacognitieve vaardigheden 35 over de manier waarop kennis wordt opgedaan door het wetenschappelijk onderzoek proces, door middel van vragen wat we weten en hoe we het weten. Een groeiende hoeveelheid onderzoek getuigt van de effectiviteit van het onderwijs metacognitieve (aka hogere-orde denken) vaardigheden 36-38.
Er zijn tal van oorzaken voor afwijkingen tussen de waargenomen en gesimuleerde tracer trajecten. Overmatige zijdelingse beweging van denaald tijdens een injectie zal een preferentiële stromingspad in het zand te creëren, waardoor kleurstof direct in de waterkolom te ontsnappen. Onze snelheid vergelijkingen bevatten geen zijdelingse of longitudinale dispersie. In een goot, de bodemstructuren geometrie is asymmetrisch dan de geïdealiseerde sinusoid gedefinieerd in de simulaties. Sedimenten zijn nooit helemaal homogeen; variaties in de verpakking en sediment maten zal de lokale doorlatendheid en porositeit beïnvloeden. Hoewel het het beste om bodemstructuren migratie te minimaliseren door het verminderen van de goot pompsnelheid alvorens kleurstof injecties kunnen sommige migratie nog steeds optreden. Bodemstructuren migratie verandert de positie van de bodemstructuren kam ten opzichte van de geïnjecteerde kleurstof, waardoor subsurface hydrodynamica veranderen. Experimentele stroombanen zal dus altijd afwijken van simulaties, maar het algemene patroon van de tracer beweging moet niet veranderen. Onder de experimentele omstandigheden die hier gebruikt, is er een sterke overeenkomst tussen de simulaties en de waargenomen kleurstof flow. Additio interne complexiteit, zoals sediment heterogeniteit, fractal bodemstructuren topografie, grondwater kwijting, driedimensionale topografie, cross-channel flow, en temporele variaties in de stroming komen in vele natuurlijke systemen. De kleurstof tracer werkwijzen hierin beschreven kunnen worden gebruikt om de effecten van deze processen onderzoeken door geschikte modificatie van de goot experimentinstellingen. Deze benadering kan worden gebruikt voor onderzoek en onderwijs doeleinden, zoals stroom visualisatie vaak wordt gebruikt om te testen hypotheses over de betreffende processen, en kan ook worden gebruikt om materiaal te stromen en massabalansen te berekenen, bijvoorbeeld hyporheic uitwisseling stromen tussen de beek en sediment bed 21. Dye tracer werkwijzen vergelijkbaar met die beschreven werden gebruikt om de effecten van streambed morfologie, sediment heterogeniteit kwelgebieden bepalen, en laad op hyporheic uitwisseling, alsmede op verwante processen zoals poriënwater stromen geïnduceerd door golven 39-42 beoordelen.
content "> Terwijl de eenvoudige flow model hier gebruikt toonde een redelijk getrouwe reproductie van hyporheic stroom onder zorgvuldig gecontroleerde laboratorium omstandigheden, het gebruik ervan in het modelleren van complexe natuurlijke systemen is beperkt. Onze scripts werden in de NetLogo programmeertaal geschreven hier in de eerste plaats als een pedagogisch hulpmiddel omdat het biedt een eenvoudige, gratis en open-source-agent-based simulatie platform, en omdat het ondersteunt uitstekende visualisaties en eenvoudige gebruikersinterface manipulatie van de input parameters, die vergemakkelijken het leren. zijn andere benaderingen zijn ontwikkeld voor de simulatie van hyporheic uitwisseling met meer complex systeem geometrie 14 , 20 en sediment structuur 43,44. Een verscheidenheid aan gratis / open-source tools (bijvoorbeeld, MODFLOW) en commerciële software pakketten (bijv COMSOL) gebruiken eindige verschil en eindige elementen methodes die nuttig kan zijn in het modelleren hyporheic stroom onder meer complexe geometrieën en ondergrondse heterogeniteit 15,45-48.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Flume | Engineering Laboratory Design | Custom | Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours. Alternatively a small teaching flume can be constructed for under 300 dollars following the guidelines provided in our supplementary materials. |
| 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. 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).
