Visualisation hyporhéique Flow Through bedforms utilisant des expériences de colorant et Simulation

1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College
Published 11/18/2015
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Engineering

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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).

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Abstract

Advection échange entre l'espace des pores de sédiments et la colonne d'eau recouvrant, appelé échange hyporhéique dans des environnements fluviaux, entraîne le transport de soluté dans les rivières et de nombreux processus biogéochimiques importants. Pour améliorer la compréhension de ces processus par la démonstration visuelle, nous avons créé une simulation d'écoulement hyporhéique dans la plate-forme multi-agent de modélisation informatique NetLogo. La simulation montre traceur virtuelle circulant dans un cours d'eau recouvert de bedforms deux dimensions. Sédiments, écoulement, formes de relief et les caractéristiques sont utilisés comme variables d'entrée pour le modèle. Nous illustrons comment ces simulations correspondent à des observations expérimentales à partir d'expériences de laboratoire en canal basé sur des paramètres d'entrée mesurées. Colorant est injecté dans les sédiments en canal de visualiser l'écoulement de l'eau interstitielle. A titre de comparaison particules de traceur virtuelles sont placés aux mêmes endroits dans la simulation. Cette expérience de simulation et de laboratoire couplé a été utilisé avec succès dans de premier cycle et Gradualaboratoires te de visualiser directement les interactions fleuve-eau interstitielle et montrent comment des simulations de flux à base physique peuvent se reproduire les phénomènes environnementaux. Les étudiants ont pris des photographies du lit à travers les murs en canal transparentes et les ont comparés à des formes de la teinture à la même heure dans la simulation. Il en est résulté des tendances très similaires, ce qui a permis aux étudiants de mieux comprendre à la fois les régimes d'écoulement et le modèle mathématique. Les simulations permettent également à l'utilisateur de visualiser rapidement l'impact de chaque paramètre d'entrée en exécutant plusieurs simulations. Ce processus peut également être utilisé dans des applications de recherche pour illustrer des processus fondamentaux, concernent les flux d'interface et le transport de l'eau interstitielle, et de soutenir la modélisation quantitative basée sur les processus.

Introduction

À mesure que l'eau de surface dans un ruisseau, une rivière ou zone de marée, il crée des gradients de tête qui conduisent l'eau dans et hors des sédiments 1. Dans les systèmes fluviaux de la partie des sédiments lit fluvial où se produit cet échange est connu comme la zone hyporhéique 2,3. Cette zone est important parce que beaucoup de nutriments et de polluants sont stockés, déposés ou transformés au sein de la zone hyporhéique 4-9. La quantité de temps un traceur passe dans les sédiments est appelé un temps de séjour. Les deux temps de séjour et les emplacements des chemins d'écoulement affectent les processus de transformation. Une meilleure compréhension des processus qui affectent l'écoulement à travers les sédiments est nécessaire pour prévoir le transport de soluté dans les rivières et aborder les grands problèmes environnementaux résultant de la propagation de matériaux tels que des nutriments (par exemple, l'hypoxie côtière 10,11). En dépit de l'importance de l'échange hyporhéique, il est souvent décrit en cours de premier cycle en hydrologie,mécanique des fluides, hydraulique, etc. éducateurs qui souhaitent ajouter échange hyporhéique à leurs cours pourraient trouver utile d'avoir des visualisations expérimentales et numériques qui montrent clairement ce processus.

Canal sinuosité de Stream, les niveaux d'eaux souterraines environnantes, et la topographie cours d'eau (à savoir, des bars, des ondulations, et des monticules biogènes) affectent tous échange hyporhéique à des degrés divers 12-17. Cette étude a porté sur les formes de lit, comme les dunes et les ondulations, qui sont généralement des caractéristiques géomorphologiques clés affectant l'écoulement hyporhéique 14,15. Nous avons créé une simulation et de laboratoire expérience numérique de visualiser l'écoulement à travers une série régulière d'ondulations. Cette simulation est basée sur un ensemble de recherches antérieures concernant des voies d'écoulement hyporhéiques caractéristiques du système pour facilement observables 15,18-21. Comme cette recherche constitue la base scientifique pour la simulation, un bref résumé des principaux aspects de la théorie suit. La forme du lit topographie, T (x),est donné par:

Equation 1:
Equation 1

H est le double de l'amplitude de la forme du lit, k est le nombre d'onde, et x est la dimension longitudinale parallèle à la surface cours d'eau moyenne. Un exemple de cette forme du lit topographie est représenté sur la Figure 1.

Figure 1
Figure 1. Définitions des grandeurs et paramètres contrôlés par l'utilisateur. Dans l'interface, particules de traceur sont libérés de façon flux pondérée à la / interface des sédiments d'eau et suivis par les sédiments. Si show-chemins? Est "sur" la marque des traceurs d'eau où ils ont été, montrent leurs chemins. Lorsqu'un traceur renvoie à la surface de l'eau, cela change til nombre total de traceurs dans le système, lors d'une nouvelle baisse? est réglé sur "off". La courbe de distribution cumulative des temps de séjour montre ce changement en traçant le rapport entre le nombre de traceurs restants dans le lit de sédiment au nombre initial comme une fonction du temps. Si re-chute? Est "on" puis traceurs qui quittent le système sont remplacés de la même manière flux pondérés comme des particules d'origine, et l'intrigue cumulatif est désactivé. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Nom du paramètre Unités Définition Interface Mousedrop
Lambda (λ) cm Longueur d'onde de la forme du lit (voir Figure 1) </ td> cochecoche
BedformHeight (H) cm Deux fois l'amplitude des formes de relief (voir Figure 1) cochecoche
BedDepth (D) cm Profondeur des sédiments (voir la figure 1) cochecoche
HydrCond (K) cm / s Conductivité hydraulique cochecoche
Porosité (θ) Porosité cochecoche
ChannelVelocity (U) cm / s Vitesse moyenne dans l'eau de surface ou d'un canal cochecoche
Profondeur (d) cm La profondeur d'eau (voir la figure 1) cochecoche
Pente (S) Pente des ondulations et surface de l'eau coche
NumParticles Le nombre de particules libérées dans le système. coche
Timex (Time1, Time2 ..) min Heure à laquelle chaque changement de couleur se produit coche
Simulation Boutons Définition Interface Mousedrop
Installer Set de la simulation à l'aide de paramètres montré cochecoche
GO / STOP Démarre et arrête la simulation cochecoche
Marche d'escalier Étape cliquant provoque un pas de temps à passer. Cela permet aux utilisateurs de ralentir le code et voir exactement ce qui se passe en 100 sec. coche
chemins clairs Efface tout ce qu'il chemins de particules bleues de l'écran cochecoche
Avancez jusqu'à la prochaine fois Cela provoque le programme à exécuter jusqu'à la prochaine fois de changement de couleur (Timex)coche
souris-goutte Ce bouton doit être cliqué avant particules peuvent être placés dans le sous-sol en cliquant sur les lieux dans le sous-sol. coche
show-chemins? Si show-chemins? est "sur" les particules d'eau laissent une trace de bleu montrant où ils ont été (voir la figure 1). cochecoche
re-déposer? Si re-chute? est "sur" les particules sont remplacés de manière pondérée de flux pour chaque particule, qui sort du système, et l'intrigue cumulatif ne fonctionne pas. Quand un partiarticle sort de la zone hyporhéique le nombre de particules dans le système diminue si re-chute? est "off" (voir Figure 1). coche

Tableau 1. Paramètres hyporhéiques et simulation contrôles. Chaque bouton de paramètre, et curseur qui peuvent être ajustés par l'utilisateur est donné dans ce tableau avec une définition.

Dans cette simulation, deux processus induisent la vitesse du fluide dans le lit de sable. La première est due aux interactions de l'écoulement des cours d'eau avec des ondulations. La tête de la vitesse à l'interface eau / sédiment induite par bedforms est également approximativement sinusoïdale, et déplacé par un quart d'onde de la forme du lit lui-même 22. L'amplitude de la fonction de tête de la vitesse à l'interface surface-sous-sol a été approchée à partir des mesures 16:

GE = "always"> Équation 2:
Equation 2

U est la vitesse de l'eau de surface moyenne, g est la constante gravitationnelle, et d est la profondeur de l'eau (représenté sur la figure 1). La fonction de la tête de vitesse est alors donnée par:

Équation 3:
Équation 3

Cette fonction de tête peut ensuite être utilisé pour calculer la forme du lit-composant à base des fonctions de la vitesse du sous-sol en résolvant l'équation de Laplace avec une profondeur de lit de sable 20 constante. La seconde composante de la vitesse de l'eau interstitielle est déterminée par la pente du système, S, ce qui correspond à un gradient gravitationnel de la tête que les rendements circulent dans la direction en aval proportionnelle às / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Les fonctions finales pour la vitesse de l'eau interstitielle sont.:

Equation 4:
Equation 4

Equation 5:
Equation 5

u est la composante longitudinale de la vitesse, v est la composante verticale de vitesse, K est la conductivité hydraulique moyenne du sédiment, est la porosité moyenne des sédiments, y est la coordonnée verticale, et D est la profondeur des sédiments.

Simulations de suivi de particules ont été créés, qui utilisent le langage de modélisation de NetLogo et plateforme de simulation 23. Les deux implémentations (Mousedrop.nlogo et Interface.nlogo) utilisent ces équations pour modéliser Hyporheic flux avec le même noyau de simulation. La principale différence est l'emplacement de départ des particules de traceur. Mousedrop permet à l'utilisateur de placer n'importe où traceur simulé sous la surface. Les équations de vitesse de sous-sol 4 et 5 sont utilisées pour déplacer le traceur de simuler des expériences d'injection de colorant. Dans l'interface, traceur est toujours placé le long de la frontière surface / souterrain d'une manière flux pondérés. Cela imite la livraison de matières dissoutes et en suspension de l'eau de surface dans le l'eau interstitielle, qui est cruciale pour comprendre l'échange hyporhéique. Le traceur se déplace ensuite dans le sous-sol jusqu'à ce qu'il atteigne à nouveau l'eau du ruisseau. Traçage des chemins de colorant dans le canal et simulant les chemins à l'aide NetLogo donne les lignes de courant du champ d'écoulement, pourvu que les conditions d'écoulement et de forme du lit morphologie restent stables au cours de la période d'observation. Interface.nlogo crée une distribution de temps de séjour cumulé, qui montre le rapport du nombre departicules de traceur restant dans les sédiments au nombre initial de particules de traceur temps mis à 0 en fonction du temps.

Comme indiqué dans une étude récente de la littérature 24, il reste un débat considérable au sein de la communauté de la recherche en éducation sur les mérites relatifs de mains sur les expériences de laboratoire par rapport à des laboratoires de simulation et des modèles informatiques. D'une part, certains estiment que "l'expérience pratique est au cœur de l'apprentissage" 25, et la prudence que les arguments d'économies peuvent être alimentent le remplacement de mains sur les activités de laboratoire par des simulations sur ordinateur, au détriment des la compréhension des élèves 26. D'autre part, certains chercheurs en sciences de l'éducation / d'ingénierie font valoir que les simulations sont au moins aussi efficaces que les traditionnels ateliers pratiques 27, ou de discuter des avantages de la simulation par ordinateur dans la promotion centrée sur l'étudiant "apprentissage par la découverte" 28. Alors que le consensus n'a pas été relui faisait mal, de nombreux chercheurs ont conclu que, dans l'idéal, des simulations informatiques devraient compléter, plutôt que remplacer, les mains sur les expériences de laboratoire 29,30. Il ya également eu des initiatives au sein de la science et de l'éducation d'ingénierie pour coupler simultanément l'expérimentation physique et de détection avec des simulations informatiques de phénomènes du monde réel; voir, par exemple, "la modélisation bifocale" 31.

Les étudiants peuvent acquérir une connaissance conceptuelle plus profonde et une meilleure compréhension du processus de la recherche scientifique en interagissant avec à la fois un système physique, et une simulation par ordinateur de ce système. Cette procédure implique d'avoir des étudiants réaliser une expérience de transport de soluté qui démontre flux d'échange hyporhéique gravitationnelle et induite par la forme du lit, et correspondent à leur propre dispositif expérimental et les résultats d'une simulation informatique des mêmes phénomènes. Cette comparaison facilite les résultats des élèves-apprentissage importants, et une discussion plus approfondie de til la méthode scientifique, et l'interaction entre la théorie bâtiment-modèle / et validation empirique à travers la collecte de données. Après avoir effectué cette comparaison, les étudiants peuvent également profiter des avantages de la simulation sur ordinateur pour explorer rapidement une multitude de scénarios alternatifs en changeant les paramètres du modèle.

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Protocol

1. Logiciel de simulation

  1. Utilisez le logiciel décrit dans cette section.
    1. Téléchargez et installez l'open-source multi-agent langue libre / de modélisation et de plateforme de simulation, NetLogo (Disponible: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, la version 5.1 ou ultérieure).
      Remarque: Ce logiciel est disponible sans frais et fonctionne sur tous les principaux systèmes d'exploitation (Windows / Mac / Linux).
    2. Téléchargez les deux fichiers de script de simulation spécifiques (mousedrop.nlogo et interface.nlogo) qui accompagnent cette procédure de laboratoire. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      REMARQUE: Une fois la plate-forme de simulation est installé et ces fichiers ont été téléchargés, double-cliquant sur ces fichiers ouvre automatiquement til simulations, prêt à fonctionner.

2. Flume démonstration

  1. Mettre en place le canal de laboratoire afin que tous les paramètres (Tableau 1) relèvent de la simulation de mousedrop contraintes de la gamme de paramètres.
    Remarque: Les contraintes peuvent être ajustées en mousedrop, si nécessaire pour le système physique en modifiant les curseurs.
    1. Verser une couche d'environ 15-25 cm de sable dans le canal. Mesurer et enregistrer la conductivité hydraulique et la porosité du sable suivant les méthodes standard 32,33.
    2. Remplissez le canal à environ 20-30 cm d'eau.
    3. Démarrez le canal et d'augmenter le débit à un niveau qui est suffisamment rapide pour déplacer des grains de sable et de créer ainsi ondulations.
      Remarque: Le débit peut être ajusté en outre d'affiner les caractéristiques de la forme du lit avec la pratique. Tailles forme du lit sont le résultat de débit, la profondeur de l'eau et des propriétés de sable.
    4. Autoriser les ondulations de développer foR 12-24 h pour former dune naturelle / morphologie d'ondulation. Pour accélérer ce processus, manuellement façonner dunes réguliers, puis permettre le transport des sédiments pour 4-12 h. Sinon, constituer manuellement dunes triangulaires réguliers.
      Remarque: dunes triangulaires régulières donneront des motifs réguliers de change hyporhéique, mais ne seront pas montrer autant la complexité comme dune naturelle / bedforms ondulation.
    5. Une fois les ondulations souhaités sont atteints, réduire le débit d'eau jusqu'à ralentit de transport lit de sédiments et les caractéristiques de la forme du lit arrêter de changer.
      1. Observer visuellement le mouvement des grains de sédiments comprenant le lit, et réduire le débit jusqu'à ce que le mouvement cesse.
        Remarque: Cela permettra de préserver la morphologie de lit pour la durée de l'expérience.
      2. Pour confirmer que lent, mouvement épisodique ne se produit pas, les positions de marque ou de la photographie et la forme du lit alors observer à un moment ultérieur.
        Remarque: Il est seulement important que bedforms ne se déplacent pas de façon significative au cours de la période de l'expérience, de sorte que fournitun temps d'observation suffisante pour confirmer que bedforms sont stables.
    6. Ajustez la pente canal et / ou la profondeur de l'eau pour obtenir un écoulement uniforme dans le cadre du débit réduit.
      1. La pente du chenal de contrôle à travers un équipement construit dans le canal, typiquement soit une prise motorisé ou une manivelle. Ajuster la profondeur d'eau en ajoutant ou en éliminant l'eau du canal.
        Remarque: dans le montage expérimental utilisé ici, l'ensemble de buse est monté sur un pivot sur l'extrémité aval, et la pente est réglée par un vérin motorisé à l'extrémité amont.
      2. Pendant que la pompe est en marche, sélectionner deux emplacements longitudinaux marqués avec des lignes perpendiculaires au fond du canal. A ces endroits, utiliser une règle pour mesurer la distance le long de ces lignes perpendiculaires, entre la surface de l'eau et le fond du canal.
        Remarque: Selon la configuration de canal, le fond du canal peut servir de ligne de référence de mieux en pente que le fond du canal. Sélection d'une larger distance longitudinale donnera une plus grande précision.
      3. Ajuster l'inclinaison de la goulotte et / ou la profondeur de l'eau et re-mesure jusqu'à ce que les mesures de distances verticales sont les mêmes pour obtenir un écoulement uniforme. Mesurer la distance horizontale en pente le long du fond du canal entre ces deux emplacements longitudinaux.
    7. Arrêtez la pompe et attendre que l'eau cesse de bouger; ce qui fournira une surface plane. Re-mesurer la distance entre la partie supérieure du canal et la surface de l'eau à chaque emplacement longitudinal.
      Remarque: La pente de canal est égale à la différence entre ces mesures, divisée par la distance horizontale en pente entre elles.
    8. Re-démarrer la pompe.
    9. Sélectionnez une section d'essai, qui devrait être un emplacement près de la fin du Moyen ou en aval du canal où les dunes ont formé un motif régulier. Assurez-vous que cette section comprend au moins une forme du lit plein.
    10. Mesurer et enregistrer la profondeur moyenne de sédiments (D) dans esection d'essai de e avec un legs de mesure de la main (dirigeants transparentes sont idéales). Pour plus de simplicité, utilisez la distance moyenne d'une crête et le creux à bas canal.
    11. Mesurer et enregistrer la hauteur moyenne des formes de relief dans la section d'essai, défini comme la différence entre la profondeur des sédiments à une crête et la profondeur des sédiments à un creux avec une règle. Mesurer plusieurs ondulations d'obtenir une bonne estimation de la moyenne.
    12. Encore une fois en utilisant la règle, et enregistrer la mesure de la profondeur moyenne de l'eau (d) dans la section de mesure, définie comme la distance moyenne de la surface de l'eau dans le lit de sable. Encore une fois, utiliser la profondeur moyenne de l'eau au crêtes des dunes et des creux pour plus de simplicité.
    13. Noter le débit de canal (Q) à partir du débitmètre, et calculer la vitesse moyenne comme Q / (d * p),w est la largeur du canal et d est la profondeur de l'eau.
      Note: Notre débitmètre est inséré dans la boucle de recirculation du canal.
    14. Mesureet enregistrer la longueur d'onde moyenne des formes de relief dans la section de mesure. Typiquement, mesurer la longueur d'onde que la distance entre les crêtes des dunes successives.
    15. Ouvrez la simulation Mousedrop (dans la plate-forme NetLogo) et vérifier que toutes les mesures sont dans les plages variables spécifiées dans l'interface utilisateur de simulation. Si un paramètre mesuré tombe en dehors de la plage de contrainte, d'ajuster la plage de paramètres de simulation en cliquant-droit sur le paramètre "curseur", en sélectionnant "Modifier", et en ajustant les valeurs min / max.
  2. Visualisez échange hyporhéique.
    1. Réglez l'appareil photo dans un lieu fixe (de préférence sur un trépied) fait perpendiculairement à la paroi du canal avec une seule forme du lit dans la section de test centrée dans l'image.
      Note: Ceci permettra d'éviter les problèmes de la perspective oblique.
    2. Prenez une photo de test pour vérifier les conditions. Réglez l'éclairage si réflexions sont un problème.
    3. Utilisation de la seringue et l'aiguille, faire 2-3 petites colorant injections près de la paroi du canal. Assurez-vous que ces injections forment ~ 2 cm taches rondes de couleur de l'eau interstitielle à une variété d'endroits verticaux et horizontaux. Faire attention à minimiser la perturbation du lit de sable au cours de l'injection.
      Remarque: Les injections de plus petits volumes de colorant permettent à l'utilisateur voir plus de détails et voir les chemins de flux individuels.
    4. Notez l'heure de début des injections de colorant et de prendre une photo initiale.
      Facultatif: Il peut être éducatif pour tracer les fronts de colorants initiales avec des marqueurs sur le papier de la transparence, de sorte que le mouvement de colorant est facilement observable en laboratoire, mais ces contours bloquera également de petites portions des fronts de colorants dans les images, donc il est un arbitrage de.
    5. Capturez les positions colorant avant à des intervalles de temps appropriés. Pour photographie laps de temps, utiliser des intervalles de 30 sec pour donner des résultats lisses.

3. Simulation

  1. Exécutez Simulation 1: Mousedrop et comparer avec le transport de colorant observée.
    1. Ouvrez le script de simulation nommé Mousedrop.nlogo.
      Figure 3
      Figure 2. Mousedrop. Cela montre où traceurs sont à 7 instances différentes dans le temps. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
    2. Réglez les paramètres physiques du système indiqués dans le tableau 1 en fonction des conditions expérimentales canal (spécifiquement: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, porosité, ChannelVelocity, la profondeur et la pente). Assurez-vous de porter une attention particulière aux unités lors de la saisie des paramètres d'entrée.
    3. Réglez les curseurs Time1, TIME2, etc. pour indiquer des moments où la simulation de suivi couleur changera. Définissez ces changements de couleur pour correspondre à des temps d'observation dans le but de faciliter la comparaison des résultats de la simulation avec les observations.
      Note: Si les paramètres de temps sont tous mis à 0, la simulation affiche une seule couleur partout.
    4. Après tous les paramètres sont définis, cliquez sur le bouton d'installation.
      Remarque: La forme du lit devrait apparaître dans la vue de simulation.
    5. Cliquez sur le bouton de la souris-goutte pour indiquer les emplacements à partir de traceurs virtuelles. Notez que plusieurs endroits dans le lit peuvent être cliqués. Maintenez la souris vers le bas pour libérer traceur plus virtuel. Lors de la simulation mouvement de colorant, utiliser la souris pour tracer soit fronts de colorants (la frontière autour de la teinture) ou de remplir toute la surface de la région de teint.
      Remarque: Présentation plus traceur virtuel va provoquer la simulation de fonctionner plus lentement. Les meilleurs résultats visuels varient en fonction des performances de l'ordinateur.
    6. Une fois tous les traceurs virtuelles ont été placés, vous pouvez soit cliquer sur le bouton Avance à la prochaine fois, qui va commencer la simulation, puis l'arrêter à la première fois ou vous pouvez cliquer sur le bouton Go / arrêt pour commencer le simulation indéfiniment. Ne pas re-cliquez sur le bouton de configuration, ou les traceurs devront être replacé.
      Note: Une fois la simulation démarre, la vitesse est calculée pour l'emplacement de chaque traceur en fonction des paramètres de simulation dans les équations 4 et 5. Les traceurs se déplace en fonction du champ de vitesse pendant 100 secondes simulées puis la vitesse au nouvel emplacement est calculé et la procédure est répétée jusqu'à ce que le palpeur quitte le système.
    7. Eventuellement, cliquez sur le bouton / d'arrêt d'aller à plusieurs reprises pour mettre en pause / reprendre la simulation. Comparez les distributions de colorant simulées et mesurées à différents points dans le temps.
  2. Simulation de 2: Interface.
    1. Ouvrez le script intitulé Interface.
      Figure 3
      Figure 3. Interface. Cela montre 370 traceurs qui coule à travers le sous-sol en utilisant la simulation de l'interface. Le traceur paTHS indiquent où chaque traceur a été depuis qu'il a été lancé à l'interface surface eau souterraine. Finalement, tous les chemins d'écoulement devraient retourner à l'eau de surface. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
      Remarque: Ce script introduit traceurs virtuels sur la surface cours d'eau d'une manière flux pondérés en fonction des vitesses de subsurface calculées. Ceci fournit une représentation visuelle des quantités relatives de l'eau qui se jettent dans (et sur) du cours d'eau à des endroits différents.
    2. Commencez par cliquer sur l'installation suivi par GO / STOP.
      Remarque: Ce sera exécuté la simulation avec les paramètres par défaut. Le commutateur re-chute? Est initialement désactivée, de sorte que la distribution des temps de séjour cumulé sera tracée comme le temps passe.
    3. Après avoir observé la simulation avec les paramètres par défaut, cliquez sur GO / STOP pour arrêter la simulation.
    4. puis cliquez sur Configuration suivie par GO / STOP.
      Remarque: Cela va redémarrer la simulation avec les paramètres qui ont été sélectionnés.

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Representative Results

L'utilisation d'une simulation en conjonction avec des expériences permet aux élèves d'observer les similitudes et les différences entre les modèles mathématiques idéalisés et des systèmes réels plus complexes. La figure 4 montre un exemple comparant colorant photographies d'injection avec des simulations Mousedrop. La photographie initiale est utilisée pour déterminer l'emplacement du traceur de colorant simulée au temps zéro, puis la simulation est exécutée pour 34,2 min et par rapport à une photographie prise à ce moment-là. Globalement, le modèle fait un excellent travail de capturer le mouvement de l'eau colorée sur cet intervalle de temps. La première goutte de colorant, situé sur le côté sous le vent de la forme du lit, quitte les sédiments dans les deux systèmes expérimentaux et simulés. Les deuxième et allonge déplace vers le bas formant une forme en croissant comme il se déploie, de sorte qu'une partie du traceur sort en aval de l'emplacement d'origine et certains en amont. Le blob dernière de colorant se propage en amont et une partie du traceur se déplace plus profond dans les sédiments. Cela démontre que l'échange se produit sous hyporhéique ondulations et que les modèles de flux d'échange hyporhéique se rapportent à la forme du lit géométrie. La forte accord entre la simulation et l'expérience valide les équations du modèle à un niveau de premier ordre. Cette procédure montre également clairement que l'échange hyporhéique est un processus important qui évolue avec la taille des formes de relief, et que près de la moitié de l'eau interstitielle flux amont sous ondulations. Sur près, cependant, de petites différences peuvent être observées entre le transport de colorant observation et de simulation. La simulation est plus lisse que le motif de colorant réelle et ne se prolonge pas aussi profondément dans les sédiments. Ces écarts résultent d'une combinaison d'erreurs de mesure et les effets physiques du second ordre résultant de la géométrie des formes de relief irrégulier, la variabilité dans l'emballage des sédiments, etc., comme décrit dans le tableau 2.

4 "src =" / files / ftp_upload / 53285 / 53285fig4.jpg "/>
Figure 4. Comparaison canal colorant fronts à des simulations. Dye a été injecté dans le canal et une photo a été prise au moment 0. Tracers ont été placés dans le sous-sol à l'aide Mousedrop aux mêmes endroits que le colorant. Traceurs alors déplacés pour 34,2 minutes simulation et la simulation est alors comparée à une photo prise 34,2 min après l'image initiale. Les motifs de colorant observés et les simulations comparent bien à la date ultérieure. Il ya quelques divergences dues à des variations spatiales dans le domaine des flux qui ne sont pas capturés par le modèle. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Sources courantes de divergences Le résultat attendu
Tête réelle profil diffERS de la courbe sinusoïdale assumé Asymétrie dans l'écoulement de l'eau interstitielle sous la forme du lit
Série irrégulière de bedforms Écarts potentiels dans le champ d'écoulement à l'emplacement de l'observation
Sédiments insuffisant profondeur du lit Compression verticale du profil de l'eau interstitielle
Non uniforme (ie variant dans le temps) circuler sur le lit D'autres composants de la tête d'élévation qui se superposent une composante supplémentaire de l'écoulement de l'eau interstitielle (par exemple, augmenté asymétrie de la cellule de circulation de l'eau interstitielle sous la forme du lit).
Hétérogénéité dans les sédiments emballage Variabilité spatiale des flux de l'eau interstitielle (taches de sédiments avec une vitesse supérieure et inférieure)
Perturbation importante de sédiments lors de l'injection de colorant La libération du colorant verticalement through de l'orifice d'injection
Utilisation d'un colorant insoluble dans l'eau ou dissolution insuffisant ou de mélange du colorant avant l'injection La mise en commun de colorant dans l'eau interstitielle, non uniforme le transport de l'eau interstitielle ou lente mobilisation de colorant à partir d'emplacements d'injection.
Des mesures inexactes (souvent dues à des unités) Cela peut entraîner des résultats considérablement mauvaises
Absence supposée de dispersion dans la simulation Certaines formes expansion est de colorants

Tableau 2. Sources de divergence entre l'observation et de simulation. Une liste des principales sources d'erreurs sont énumérés dans ce tableau.

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Discussion

Conjointement, la démonstration et le suivi de particules simulations flume fournissent une introduction complète à l'écoulement hyporhéique pour un éventail d'auditoires. Les participants de tous les niveaux sont fournies des preuves visuelles de l'apparition de l'échange hyporhéique induite par ondulations, et la forte variabilité des voies d'écoulement de subsurface sous ondulations. Ces procédures peuvent être utilisées comme une simple démonstration de débit de l'eau interstitielle pour les étudiants ou les étudiants K-12, ou il peut être utilisé dans les cours de troisième cycle en conjonction avec une présentation plus en profondeur de l'hydraulique fluviale, le transport des sédiments, et les mécanismes de l'échange hyporhéique . Peu importe le niveau, l'utilisation de ce modèle de visualisation simple que la technologie interactive permet aux élèves de former une meilleure compréhension de ces phénomènes complexes et importantes que celle qui serait obtenue par la théorie abstraite et la discussion.

Tout en utilisant ces méthodes, les différences entre le système physique et le simulatisur ne devraient pas être considérés comme des «erreurs», mais plutôt comme un «moment d'enseignement», à savoir, le point de départ pour une discussion qui aboutira à un meilleur apprentissage. Les élèves devraient être amenés à examiner un certain nombre de questions, notamment: Quelles sont toutes les sources d'erreur (dans le modèle, les mesures et la procédure de laboratoire)? Lequel de ces pourraient potentiellement contribuer à l'écart entre simulations et observations? Quelles hypothèses simplification ont été faites dans la formulation du modèle? Quelle est l'importance de petites différences, et ne font-ils le modèle «mauvais»? Comme le statisticien George Box a dit «Essentiellement, tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles." 34 Un bon modèle scientifique capte certaines caractéristiques essentielles d'un système, conduisant ainsi à une meilleure compréhension, alors qu'il néglige des détails qui sont moins pertinents à la question à portée de main. Cette expérience de laboratoire de canal et d'accompagnement simulation fournir une excellente étude de cas pour les étudiants à comprendre les forces et les faiblesses d'un modèle et d'une méthode expérimentale. Ainsi, non seulement les étudiants à acquérir une plus grande maîtrise des concepts de base de l'échange hyporhéique et le transport de soluté, mais ils ont appris à propos de la relation de complémentarité (et l'interaction parfois complexe) entre la création de la théorie et de la collecte de données, entre la modélisation informatique et de laboratoire d'expérimentation. En outre, ce couplage de laboratoire et de simulation favorise le développement des compétences métacognitives importants 35 sur la façon dont la connaissance est acquise à travers le processus de la recherche scientifique, en posant des questions que nous savons et comment nous le savons. Un nombre croissant de recherches témoigne de l'efficacité de l'enseignement métacognitif (aka réflexion d'ordre supérieur) compétences 36-38.

Il existe de nombreuses causes pour écarts entre trajectoires traceurs observées et simulées. Mouvement latéral excessif de laune aiguille pendant l'injection va créer un trajet d'écoulement préférentiel dans le sable, ce qui permet d'échapper à colorant directement dans la colonne d'eau. Nos équations de vitesse ne comprennent pas dispersion latérale ou longitudinale. Dans un canal, la géométrie des formes de relief est plus asymétrique de la sinusoïde idéalisée défini dans les simulations. Sédiments ne sont jamais entièrement homogène; les variations dans l'emballage et sédiments tailles auront une incidence sur la conductivité hydraulique et la porosité locale. Alors il est préférable de minimiser la migration des formes de relief en réduisant la vitesse de la pompe canal avant de faire des injections de colorant, certaines migrations peuvent encore se produire. Migration modifie la forme du lit de la forme du lit position de crête par rapport au colorant injecté, ce qui modifie l'hydrodynamique du sous-sol. Voies d'écoulement expérimentales seront donc toujours différer des simulations, mais la tendance générale du mouvement du traceur ne devraient pas changer. Dans les conditions expérimentales utilisées ici, il ya un accord solide entre les simulations du modèle et le flux de colorant observée. Additio complexités Nal, tels que l'hétérogénéité des sédiments, fractale formes de relief topographie, écoulement des eaux souterraines, la topographie trois dimensions, flux cross-canal, et les variations temporelles de l'écoulement des cours d'eau se produisent dans de nombreux systèmes naturels. Les méthodes colorant traceurs décrites ici peuvent être utilisés pour explorer les effets de ces processus par une modification appropriée de la configuration du test canal. Cette approche peut être utilisée pour la recherche ainsi qu'à des fins d'enseignement, comme la visualisation de flux est couramment utilisé pour tester des hypothèses de gouverner les processus, et peut également être utilisée pour calculer les flux de matières et les bilans de masse, par exemple hyporhéiques flux d'échange entre le flux et le lit de sédiments 21. Dye traceurs des méthodes similaires à celles décrites ici ont été utilisées pour déterminer les effets de la morphologie cours d'eau, les sédiments hétérogénéité, écoulement des eaux souterraines, et de recharger sur l'échange hyporhéique, ainsi que pour évaluer les processus connexes tels que l'eau interstitielle écoulements induits par les vagues 39-42.

contenu "> Alors que le modèle de flux simple utilisé ici a démontré une reproduction assez fidèle de l'écoulement hyporhéique dans des conditions de laboratoire soigneusement contrôlées, son utilisation dans la modélisation des systèmes naturels complexes est limitée. Nos scripts ont été écrits dans le langage de programmation NetLogo ici principalement comme un outil d'enseignement parce il fournit un moyen simple, gratuit et open-source basé sur un agent plateforme de simulation, et parce qu'il soutient excellents visualisations et manipulation de l'utilisateur facile des paramètres d'entrée, qui facilitent l'apprentissage. D'autres approches ont été développées pour simuler l'échange hyporhéique avec la géométrie du système plus complexe 14 , 20 et les sédiments structure de 43,44. Une variété d'outils / open-source (par exemple, MODFLOW) et des logiciels commerciaux (par exemple, COMSOL) utiliser différences finies et méthodes d'éléments finis qui peuvent être utiles dans la modélisation de l'écoulement hyporhéique dans plus complexe géométries et de subsurface hétérogénéité 15,45-48.

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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

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References

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