Visualisering Hyporheic Flow Through Bedforms Bruke 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

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:

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. 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>

Parameter navn	Enheter	Definisjon			Grensesnitt	Mousedrop
Lambda (λ)	cm	Bølgelengde bedform (se figur 1) </ td>
BedformHeight (H)	cm	Dobbelt så bedform amplitude (se figur 1)
BedDepth (D)	cm	Dybde av sedimentene (se figur 1)
HydrCond (K)	cm / s	Hydraulisk konduktivitet
Porøsitet (θ)		Porøsitet
ChannelVelocity (U)	cm / s	Midlere hastighet i overflatevann eller kanal
Dybde (d)	cm	Vanndypet (se figur 1)
Slope (S)		Skråningen av bedforms og vannoverflaten
NumParticles		Antall partikler slippes inn i systemet.
Timex (Time1, Time2 ..)	min	Tid på noe som skjer hvert fargebytte
Simulering Knapper		Definisjon			Grensesnitt	Mousedrop
Setup		Satt er opp simuleringen ved hjelp av parametre vist
gå / stopp		Starter og stopper simuleringen
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.
tydelige stier		Fjerner alle han blå partikkelbaner fra skjermen
Avansere til neste gang		Dette fører til at programmet til å kjøre til neste fargeendring tid (Timex)
mus-slipp		Denne knappen skal klikkes før partiklene kan plasseres i undergrunnen ved å klikke på steder i undergrunnen.
show-baner?		Hvis show-baner? er "på" vannpartiklene forlate en sti av blå viser hvor de har vært (se figur 1).
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).

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:

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:

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 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…

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