Summary

Visualisering Hyporheic Flow Through Bedforms Bruke Dye Eksperimenter og simulering

Published: November 18, 2015
doi:

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

Advective utveksling mellom porerommet av sedimenter og overliggende vannsøylen, kalt hyporheic utveksling i fluviale miljøer, driver oppløst stoff transport i elver og mange viktige biogeokjemiske prosesser. Å bedre forståelsen av disse prosessene gjennom visuell demonstrasjon, opprettet vi en hyporheic flyt simulering i multi-agenten datamodellering plattform NetLogo. Simuleringen viser virtuelle tracer som strømmer gjennom en streambed dekket med todimensjonale bedforms. Sediment, flyt, og bedform kjennetegn blir brukt som input variabler for modellen. Vi illustrere hvordan disse simuleringene matche eksperimentelle observasjonene fra laboratoriet flume eksperimenter basert på målte inngangsparametere. Fargestoff injiseres i rennen sedimentene for å visualisere porewater strømmen. For sammenligning virtuelle tracer partikler er plassert på de samme steder i simuleringen. Dette kombinert simulering og lab eksperiment har vært brukt med hell i lavere og graduate laboratorier for å direkte visualisere elve porewater interaksjoner og viser hvordan fysisk-basert strømningssimuleringer kan reprodusere miljømessige fenomener. Studentene tok bilder av sengen gjennom de gjennomsiktige flume vegger og sammenlignet dem med figurer av fargestoffet på samme tidspunkt i simuleringen. Dette resulterte i svært lignende trender, som tillot elevene å bedre forstå både strømningsmønstrene og den matematiske modellen. Simuleringene også tillate brukeren å raskt visualisere virkningen av hver input parameter ved å kjøre flere simuleringer. Denne fremgangsmåte kan også brukes i forskningsanvendelser for å illustrere grunnleggende prosesser, forholder grenseflate flussmidler og porewater transport, og støtter kvantitativ prosessbasert modellering.

Introduction

Som underlag vann beveger seg i en bekk, elv eller tidevannssonen skaper hode gradienter som driver vann inn og ut av sedimentene 1. I fluviale systemer hvor stor andel av streambed sedimenter der denne utvekslingen skjer er kjent som hyporheic sone 2,3. Denne sonen er viktig fordi mange næringsstoffer og forurensende stoffer er lagret, avsatt eller transformert innenfor hyporheic sone 4-9. Den tid som en tracer tilbringer i sedimentet kalles en oppholdstid. Både oppholdstider og plasseringen av strømningsbanene påvirke transformasjonsprosesser. Bedre forståelse av de prosesser som påvirker strømningen gjennom sedimentene er nødvendig for å forutsi oppløsningsmaterialet transport i elver og adresse store miljømessige problemer som følge av spredning av materialer slik som næringsstoffer (f.eks kyst hypoksi 10,11). Til tross for betydningen av hyporheic utveksling, er det ofte ikke er beskrevet i lavere kurs i hydrologi,fluidmekanikk, hydraulikk, etc. Lærere som ønsker å legge hyporheic utveksling til sine kurs kunne finne det nyttig å ha eksperimentelle og numeriske visualiseringer som tydelig viser denne prosessen.

Stream kanal sinuosity, omkringliggende grunnvannsnivå, og streambed topografi (dvs. barer, bedforms og biogene hauger) alle påvirke hyporheic utveksling i varierende grad 12-17. Denne studie fokuserte på bedforms, såsom dyner og krusninger, som vanligvis er viktige egenskaper som påvirker hyporheic geomorphic strømnings 14,15. Vi skapte en numerisk simulering og laboratorieeksperiment for å visualisere flyten gjennom en vanlig serie bedforms. Denne simuleringen er basert på en kropp av tidligere forskning knyttet hyporheic strømningsbaner til lett observersystemegenskaper 15,18-21. Som denne forskningen danner vitenskapelig bakgrunn for simuleringen, følger en kort oppsummering av de viktigste aspektene av teorien. Bedform topografi, T (x),er gitt ved:

Ligning 1:
Ligning 1

hvor H er to ganger amplituden av bedform, k er bølgetallet, og x er den langsgående dimensjon parallelt med den gjennomsnittlige streambed overflaten. Et eksempel på dette bedform topografi er vist i figur 1.

Figur 1
Figur 1. Parameter definisjoner og innstillinger kontrolleres av brukeren. I Interface, er tracer partikler frigis i en fluks-vektet måte ved vann / sediment-grensesnitt og sporet gjennom sedimentet. Hvis show-banene? ​​Er "på" vanntracere mark hvor de har vært, viser deres veier. Når en tracer returnerer til overflaten vann, endrer dette than totalt antall tracere i systemet, når re-slipp? er satt til "off". Den kumulative fordelingen oppholdstiden plottet viser endringen ved avsetting av forholdet mellom antall tracere som er igjen i sedimentet sengen til den opprinnelige antallet som en funksjon av tiden. Hvis re-slipp? Er "på" da sporstoff som forlater systemet erstattes i samme flux vektet måte som original partikler, og den kumulative Tomten er deaktivert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

<td> hake
Parameter navn Enheter Definisjon Grensesnitt Mousedrop
Lambda (λ) cm Bølgelengde bedform (se figur 1) </ td> hakehake
BedformHeight (H) cm Dobbelt så bedform amplitude (se figur 1) hakehake
BedDepth (D) cm Dybde av sedimentene (se figur 1) hakehake
HydrCond (K) cm / s Hydraulisk konduktivitet hakehake
Porøsitet (θ) Porøsitet hakehake
ChannelVelocity (U) cm / s Midlere hastighet i overflatevann eller kanal hakehake
Dybde (d) cm Vanndypet (se figur 1) hakehake
Slope (S) Skråningen av bedforms og vannoverflaten hake
NumParticles Antall partikler slippes inn i systemet. hake
Timex (Time1, Time2 ..) min Tid på noe som skjer hvert fargebytte hake
Simulering Knapper Definisjon Grensesnitt Mousedrop
Setup Satt er opp simuleringen ved hjelp av parametre vist hakehake
gå / stopp Starter og stopper simuleringen hakehake
Skritt Klikke trinn fører én gang skritt å passere. Dette tillater brukere å bremse ned koden og se nøyaktig hva som skjer i 100 sek. hake
tydelige stier Fjerner alle han blå partikkelbaner fra skjermen hakehake
Avansere til neste gang Dette fører til at programmet til å kjøre til neste fargeendring tid (Timex)hake
mus-slipp Denne knappen skal klikkes før partiklene kan plasseres i undergrunnen ved å klikke på steder i undergrunnen. hake
show-baner? Hvis show-baner? er "på" vannpartiklene forlate en sti av blå viser hvor de har vært (se figur 1). hakehake
re-slipp? Hvis re-slipp? er "på" partiklene blir erstattet i et flussmiddel veid måte for hver partikkel, som kommer ut fra systemet, og den kumulative plottet ikke fungerer. Når et particle kommer ut av sonen hyporheic antall partikler i systemet reduseres hvis re-dråpe? er "av" (se figur 1). hake

Tabell 1. Hyporheic Parametere og Simulering Controls. Hver parameter, knappen og glidebryter som kan justeres av brukeren er gitt i denne tabellen sammen med en definisjon.

I simuleringen, to prosesser indusere fluidhastighet i sandsjiktet. Den første er på grunn av interaksjoner av strømmen flyt med bedforms. Hastigheten hodet på vann / sediment-grensesnitt indusert av bedforms også er tilnærmet sinusformet, og som er forskjøvet med en kvart bølgelengde fra den bedform selv 22. Amplituden av hastigheten hodet ikke fungerer ved overflaten undergrunns-grensesnittet er tilnærmes ut fra målinger som 16:

<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "always"> Ligning 2:
Ligning 2

hvor U er den midlere overflaten av vannhastigheten, g er gravitasjonskonstanten, og d er dybden av vannet (vist i figur 1). Hastigheten hode funksjon er da gitt ved:

Ligning 3:
Ligning 3

Dette hode funksjonen kan deretter brukes til å beregne bedform-baserte komponent i undergrunnen hastighets-funksjoner ved å løse den Laplace-ligningen med et konstant sandsjiktdybde 20. Den andre komponenten av porewater hastigheten bestemmes av hellingen av systemet, S, som tilsvarer et gravitasjonshode gradient som gir strømme i nedstrømsretningen proporsjonals / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De endelige funksjoner for porewater hastigheten er.:

Ligning 4:
Ligning 4

Ligning 5:
Ligning 5

hvor u er den langsgående hastighetskomponent, v er den vertikale hastighetskomponent, er K den gjennomsnittlige hydrauliske ledningsevnen til sedimentet, er den gjennomsnittlige porøsitet av sedimentene, y er den vertikale koordinaten, og D er dybden av sedimentene.

Partikkel sporing simuleringer ble opprettet, som bruker NetLogo modellering språk og simulering plattform 23. De to implementasjoner (Mousedrop.nlogo og Interface.nlogo) bruker disse ligningene til å modellere HYPorheic strømning med samme simulering kjernen. Hovedforskjellen er den innledende plassering av sporstoffpartiklene. Mousedrop gjør det mulig for brukeren å plassere simulert tracer hvor som helst i undergrunnen. Subsurface hastighet ligningene 4 og 5 blir brukt for å bevege sporstoffet for å simulere fargestoff injeksjonseksperimenter. I Interface, er spor alltid plasseres langs overflaten / dybdegrense i en flux vektet måte. Dette etterligner levering av oppløst og suspendert materiale fra overflatevann inn i porewater, noe som er avgjørende for å forstå hyporheic utveksling. Tracer beveger seg deretter i undergrunnen før det igjen når strømmen vann. Følge fargestoff stier i rennen og simulere banene bruker NetLogo gir strømlinjene i Flowfield, så lenge strømningsforholdene og bedform morfologi forbli stødig under observasjonsperioden. Interface.nlogo skaper en kumulativ oppholdstid distribusjon, som viser forholdet mellom antalltracer partikler igjen i sedimentene til det opprinnelige antall av tracer partikler som er lagt inn ved tiden 0 som en funksjon av tid.

Som omtalt i en fersk litteraturstudie 24, det er fortsatt betydelig debatt i det pedagogiske forskningsmiljøet om den relative verdien av hands-on laboratorieforsøk kontra simulerte laboratorier og datamodeller. På den ene siden, noen føler at "hands-on erfaring er i hjertet av læring" 25, og forsiktighet at kostnadsbesparelser argumenter kan fyre opp under utskifting av hands-on lab aktiviteter ved databaserte simuleringer, til skade for elevenes forståelse 26. På den annen side, noen forskere i naturfag / ingeniørutdanning hevder at simuleringer er minst like effektivt som tradisjonelle hands-on labs 27, eller diskutere fordelene med datasimulering i å fremme student-sentrert "oppdagelsen læring" 28. Mens konsensus ikke har blitt reverket, har mange forskere konkludert med at ideelt sett bør datasimuleringer supplere, snarere enn fortrenge, hands-on laboratorieforsøk 29,30. Det har også vært tiltak innenfor realfag og ingeniørutdanning samtidig par fysiske eksperimentering og real-world sensing med datasimuleringer av fenomener; se, for eksempel "bifokale modellering" 31.

Studenter kan få en dypere konseptuell kunnskap og en bedre forståelse av den vitenskapelige forskningsprosessen ved å samhandle med både et fysisk system, og et databasert simulering av det systemet. Denne prosedyren innebærer å ha studentene utføre et oppløst stoff transport eksperiment som demonstrerer gravitasjons og bedform-indusert hyporheic utveksling flyt, og matche sin egen eksperimentelle oppsett og resultater med en datasimulering av de samme fenomenene. Denne sammenligningen forenkler viktige studentlæringsutbytte, og en dypere diskusjon av tHan vitenskapelig metode, og samspillet mellom modell / teori bygging og empirisk validering gjennom innsamling av data. Etter å ha utført denne sammenligningen, kan elevene også dra nytte av fordelene med databasert simulering for å raskt oppdage et mangfold av alternative scenarier ved å endre modellparametere.

Protocol

1. Simulering Programvare Bruk programvaren som er beskrevet i denne delen. Last ned og installere gratis / open-source multi-agenten modellering språk og simulering plattform, NetLogo (Tilgjengelig: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versjon 5.1 eller senere). Merk: Denne programvaren er tilgjengelig uten kostnad og kjører på alle store operativsystemer (Windows / Mac / Linux). Last ned de to spesifikke simulering skriptfiler …

Representative Results

Bruken av en simulering i forbindelse med eksperimenter tillater elevene å observere likheter og forskjeller mellom idealiserte matematiske modeller og mer komplekse virkelige systemer. Figur 4 viser et eksempel sammenligne dye injeksjons fotografier med Mousedrop simuleringer. Den opprinnelige bilde blir brukt til å bestemme plasseringen av den simulerte fargestoff tracer ved tid null, og deretter kjøres simuleringen for 34,2 minutter og sammenlignet med et fotografi tatt ved det tidspunkte…

Discussion

I forbindelse, The Flume demonstrasjons- og partikkel sporing simuleringer gir en omfattende innføring i hyporheic flyt for en rekke målgrupper. Deltakere på alle nivåer er gitt visuelt bevis for forekomsten av hyporheic utveksling indusert av bedforms, og den sterke variasjon i undergrunnsstrømningsveier i henhold bedforms. Disse prosedyrene kan brukes som en enkel demonstrasjon av porewater flyt for studenter eller K-12 studenter, eller den kan brukes i graduate kurs i forbindelse med en mer dyptgående presentas…

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Jones, J. B., Mulholland, P. J. . Streams and Ground Waters. , (1999).
  7. 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).
  8. Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
  9. Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
  13. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
  23. Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
  24. Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
  25. Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students’ understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
  26. 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).
  27. Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
  28. Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
  29. Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
  30. 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).
  31. Freeze, R. A., Cherry, J. A. . Groundwater. , (1979).
  32. Todd, D. K., Mays, L. W. . Groundwater Hydrology. , (2005).
  33. Box, G. E., Draper, N. R. . Empirical Model-Building and Response Surfaces. , (1987).
  34. Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906 (1979).
  35. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. . How People Learn. , (2000).
  36. Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
  37. 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).
  38. 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).
  39. Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
  40. Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
  41. Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
  42. 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).
  43. Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
  44. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  45. Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
  46. 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).
  47. 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).

Play Video

Cite This Article
Stonedahl, S. H., Roche, K. R., Stonedahl, F., Packman, A. I. Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation. J. Vis. Exp. (105), e53285, doi:10.3791/53285 (2015).

View Video