Visualisere Hyporheic Flow Gennem Bedforms Brug Dye Eksperimenter og Simulering

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

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Advektiv udveksling mellem pore plads af sedimenter og overliggende vandsøjle, kaldet hyporheic udveksling i højvande miljøer, driver stoftransport i floder og mange vigtige biogeokemiske processer. At forbedre forståelsen af ​​disse processer gennem visuel demonstration, vi skabt en hyporheic flow simulering i multi-agent computermodeller platform NetLogo. Simuleringen viser virtuelle sporstof strømmer gennem en streambed dækket med todimensionale bedforms. Sediment, flow, og bedform egenskaber bruges som input variabler for modellen. Vi viser, hvordan disse simuleringer matcher eksperimentelle observationer fra laboratoriet flume eksperimenter baseret på målte input parametre. Farvestof indsprøjtes i renden sedimenter at visualisere porevandet flow. Til sammenligning virtuelle sporstof partikler er placeret på samme steder i simuleringen. Dette kombineret simulering og lab eksperiment har været anvendt med succes i bachelor og graduate laboratorier til direkte at visualisere flod-porevandet interaktioner og vise, hvordan fysisk-baserede flow simuleringer kan gengive miljømæssige fænomener. Studerende tog fotografier af sengen gennem de transparente flume vægge og sammenlignet dem til figurer af farvestoffet på de samme tidspunkter i simuleringen. Dette resulterede i meget lignende tendenser, som tillod de studerende til bedre at forstå både strømningsmønstre og den matematiske model. Simuleringerne også gøre det muligt for brugeren hurtigt visualisere effekten af ​​hver indgang parameter ved at køre flere simuleringer. Denne proces kan også anvendes i forskningsansøgninger at illustrere grundlæggende processer, vedrører kontaktflader, flusmidler og porevandet transport og støtte kvantitative procesbaseret modellering.

Introduction

Som overfladevand bevæger sig i en strøm, floden eller tidevandszonen det skaber hoved gradienter, der driver vand ind og ud af de sedimenter 1. I højvande systemer den del af strømlejer sedimenter, hvor denne udveksling sker er kendt som den hyporheic zone 2,3. Denne zone er vigtigt, fordi mange næringsstoffer og forurenende stoffer er gemt, deponeret eller omdannet i den hyporheic zone 4-9. Den tid, et sporstof tilbringer i sedimentet kaldes en opholdstid. Både opholdstider og beliggenhed for strømningsvejene påvirker forandringsprocesser. Forbedret forståelse af de processer, der påvirker gennemstrømningen sedimentet er nødvendig for at forudsige stoftransport i floder og adresse store miljømæssige problemer som følge af udbredelsen af materialer, såsom næringsstoffer (f.eks kystnære hypoxi 10,11). På trods af betydningen af ​​hyporheic udveksling, er det ofte ikke er beskrevet i bachelor kurser i hydrologi,fluid mekanik, hydraulik mv Undervisere, der ønsker at tilføje hyporheic udveksling til deres kurser kunne finde det nyttigt at have eksperimentelle og numeriske visualiseringer, der klart viser denne proces.

Stream kanal bugtning, omgivende grundvandsstand, og streambed topografi (dvs., barer, bedforms og biogene gravhøje) alle påvirke hyporheic udveksling i varierende grad 12-17. Denne undersøgelse fokuserede på bedforms, som klitter og krusninger, der normalt centrale geomorfiske funktioner påvirker hyporheic flow 14,15. Vi skabte en numerisk simulering og laboratorium eksperiment for at visualisere strømmen gennem en række regelmæssige bedforms. Denne simulering er baseret på et legeme af tidligere forskning vedrørende hyporheic strømningsveje til let observerbare systemegenskaber 15,18-21. Da denne forskning danner den videnskabelige baggrund for simulation, et kort resumé af de vigtigste aspekter af teorien følger. Bedform topografi, T (x),er givet ved:

Ligning 1:
Ligning 1

hvor H er det dobbelte af amplituden af bedform, k er bølgetallet, og x er den langsgående dimension parallelt med den gennemsnitlige streambed overflade. Et eksempel på denne bedform topografi er vist i figur 1.

Figur 1
Figur 1. definitioner og indstillinger styres af brugeren. I interface, er sporstof partikler frigives på en flux-vægtet måde på vand / sediment grænseflade og spores gennem sedimentet. Hvis show-stier? Er "på" vandet sporstoffer mærket, hvor de er blevet, viser deres stier. Når et sporstof vender tilbage til overfladevandet, dette ændrer tHan samlede antal sporstoffer i systemet, når re-drop? er sat til "off". Den kumulative opholdstidsfordeling plot viser denne ændring ved at afbilde forholdet mellem antallet af sporstoffer resterende i sedimentet sengen med det oprindelige antal som funktion af tiden. Hvis re-drop? Er "på" så sporstoffer, der forlader systemet udskiftes i samme flux-vægtede måde som originale partikler, og den kumulative plottet er deaktiveret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Parameter navn Enheder Definition Grænseflade Mousedrop
Lambda (λ) cm Bølgelængde på bedform (se figur 1) </ td> afkrydsningafkrydsning
BedformHeight (H) cm Dobbelt så bedform amplitude (se figur 1) afkrydsningafkrydsning
BedDepth (D) cm Dybden af ​​sedimenter (se figur 1) afkrydsningafkrydsning
HydrCond (K) cm / s Hydraulisk ledningsevne afkrydsningafkrydsning
Porøsitet (θ) Porøsitet afkrydsningafkrydsning
ChannelVelocity (U) cm / s Mean hastighed i overfladevand eller kanal afkrydsningafkrydsning
Dybde (d) cm Vanddybde (se figur 1) afkrydsningafkrydsning
Hældning (S) Hældningen af ​​bedforms og vandoverfladen afkrydsning
NumParticles Antallet af partikler ind i systemet. afkrydsning
Timex (Time1, Tid2 ..) min Tidspunkt, hvor hver farve forekommer ændringer afkrydsning
Simulation Knapper Definition Grænseflade Mousedrop
Opsætning Sæt os op simuleringen ved hjælp af parametre vist afkrydsningafkrydsning
gå / stop Starter og stopper simuleringen afkrydsningafkrydsning
Trin Hvis du klikker skridt forårsager en gang skridt til at passere. Dette giver brugerne mulighed for at bremse den kode og se præcis, hvad der sker i 100 sek. afkrydsning
klare stier Rydder alle han blå partikel stier fra skærmen afkrydsningafkrydsning
Videre til næste gang Dette bevirker, at programmet til at køre indtil næste farveskift gang (Timex)afkrydsning
mus-drop Denne knap skal klikkes før partikler kan placeres i undergrunden ved at klikke på steder i undergrunden. afkrydsning
show-stier? Hvis show-stier? er "on" vandpartiklerne efterlade et spor af blåt viser, hvor de har været (se figur 1). afkrydsningafkrydsning
re-drop? Hvis re-drop? er "on" partiklerne udskiftes i en flux vægtet måde for hver partikel, der kommer ud af systemet, og den kumulative plot virker ikke. Når en partikel forlader hyporheic zone antallet af partikler i systemet falder, hvis Re-drop? er "off" (se figur 1). afkrydsning

Tabel 1. Hyporheic Parametre og Simulation Controls. Hver parameter, knap og slider, der kan justeres af brugeren er givet i denne tabel sammen med en definition.

I denne simulering, to processer inducere fluidhastigheden i sandunderlaget. Den første skyldes de interaktioner af åen flow med bedforms. Hastigheden hoved på vandet / sediment-grænsefladen induceret af bedforms er også tilnærmelsesvis sinusformet, og forskydes med en kvart bølgelængde fra bedform selv 22. Amplituden af hastigheden hovedet funktion på overfladen undergrunden interfacet er tilnærmet målinger som 16:

ge = "altid"> ligning 2:
Ligning 2

hvor U er den gennemsnitlige overfladevand hastighed, g er gravitationskonstanten, og d er dybden af vandet (vist i figur 1). Hastigheden hoved funktion er da givet ved:

Ligning 3:
Ligning 3

Dette hoved funktion kan så anvendes til at beregne bedform-komponent af undergrunden velocity funktioner ved at løse Laplace ligning med en konstant sand bed-dybde 20. Den anden komponent i porevandet hastighed bestemmes af hældningen af systemet, S, hvilket svarer til et tyngdefelt hoved gradient, at udbyttet flow i nedstrøms retning i forhold tils / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De endelige funktioner til porevandet hastighed er.:

Ligning 4:
Ligning 4

Ligning 5:
Ligning 5

hvor u er længdehastigheden komponent, v er den vertikale hastighedskomponent, K er den gennemsnitlige hydrauliske ledningsevne af sedimentet, er den gennemsnitlige porøsitet af sedimenter, y er den lodrette koordinat, og D er dybden af sedimenter.

Partikel sporing simuleringer blev skabt, som bruger den NetLogo modellering sprog og simulering platform 23. De to implementeringer (Mousedrop.nlogo og Interface.nlogo) bruge disse ligninger til model HYPorheic flow med det samme simulering kerne. Den primære forskel er de oprindelige placeringer af sporstof partikler. Mousedrop tillader brugeren at placere simuleret tracer overalt i undergrunden. Undergrunden hastighed ligninger 4 og 5 anvendes til at flytte sporstof for at simulere farvestof injektion eksperimenter. I interface, er sporstof altid placeres langs overfladen / undergrunden grænse i en flux-vægtet måde. Dette efterligner levering af opløst og suspenderet materiale fra overfladen vand i porevandet, hvilket er afgørende for at forstå hyporheic udveksling. Sporstoffet bevæger sig derefter i undergrunden, indtil den igen når strømmen vand. Sporing farvestoffet stier i renden og simulering stierne ved hjælp NetLogo giver strømningslinierne af FlowField, så længe strømningsforhold og bedform morfologi forbliver stabil under observationsperioden. Interface.nlogo skaber en kumulativ opholdstid distribution, som viser forholdet mellem antallet afsporstof partikler forbliver i sedimenterne med det oprindelige antal af sporstof partikler tilføjet til tiden 0 som en funktion af tiden.

Som omtalt i en nylig litteratur-undersøgelse 24, er der stadig en betydelig debat inden for uddannelsesforskning samfund om de relative fordele ved hands-on laboratorieforsøg versus simulerede laboratorier og computermodeller. På den ene side, nogle føler, at "hands-on erfaring er kernen i læring" 25, og forsigtighed, at cost-opsparing argumenter kan næring udskiftning af hands-on lab aktiviteter ved computerbaserede simuleringer, til skade for studerendes forståelse 26. På den anden side, nogle forskere inden for naturvidenskab / ingeniøruddannelse hævder, at simuleringer er mindst lige så effektiv som traditionelle hands-on labs 27, eller diskutere fordelene ved edb-simulering i at fremme elevcentreret "discovery learning" 28. Mens konsensus ikke er blevet resmertede, har mange forskere konkluderet, at ideelt set bør computersimuleringer supplere snarere end erstatte, hands-on laboratorieforsøg 29,30. Der har også været initiativer inden for videnskab og teknik uddannelse til samtidigt par fysiske eksperimenter og virkelige verden sensing med computersimuleringer af de fænomener; se, fx "bifokale modellering" 31.

Studerende kan få en dybere begrebsmæssig viden og en bedre forståelse af den videnskabelige forskning ved at interagere med både et fysisk system, og en computer-baseret simulering af dette system. Denne procedure indebærer at have eleverne udføre en stoftransport eksperiment, der demonstrerer tyngdekraften og bedform-induceret hyporheic udveksling flow, og matche deres egen forsøgsopstilling og resultater med en computer simulering af de samme fænomener. Denne sammenligning letter vigtige elev-læringsresultater, og en dybere diskussion af tHan videnskabelig metode, og samspillet mellem model / teori-bygning og empirisk validering gennem dataindsamling. Efter udførelse af denne sammenligning, kan de studerende også drage fordel af fordelene ved computerbaseret simulering til hurtigt at udforske et væld af alternative scenarier ved at ændre modelparametre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Simulering Software

  1. Brug software, der beskrives i dette afsnit.
    1. Hent og installer den gratis / open source multi-agent modellering sprog og simulation platform, NetLogo (Tilgængelig: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ version 5.1 eller nyere).
      Bemærk: Denne software er tilgængelig uden omkostninger og kører på alle større operativsystemer (Windows / Mac / Linux).
    2. Hent de to specifikke simulering script filer (mousedrop.nlogo og interface.nlogo), der ledsager dette laboratorium procedure. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      Bemærk: Når simuleringen platformen er installeret, og disse filer er blevet hentet, åbnes t dobbeltklikke på disse filer automatiskhan simuleringer op, klar til at køre.

2. Flume Demonstration

  1. Opsætning laboratoriet renden, så alle parametre (tabel 1) falder inden for de mousedrop simulation parameter range begrænsninger.
    Bemærk: De begrænsninger kan justeres i mousedrop, hvis det kræves for det fysiske system ved at redigere skyderne.
    1. Hæld et lag på ca. 15-25 cm sand i renden. Mål og registrere den hydrauliske ledningsevne og porøsitet af sandet efter standardmetoder 32,33.
    2. Fyld renden med ca. 20-30 cm vand.
    3. Start rende og øge strømningshastigheden til et niveau, der er hurtig nok til at flytte sandkorn og dermed at skabe bedforms.
      Bemærk: Flowet kan justeres yderligere at forfine bedform egenskaber med praksis. Bedform størrelser er et resultat af strømningshastighed, vanddybde og sand egenskaber.
    4. Tillad bedforms at udvikle sig foR 12-24 timer at danne naturlige klit / ripple morfologi. For at fremskynde denne proces, manuelt forme regelmæssige klitter, og derefter give sedimenttransport i 4-12 timer. Alternativt manuelt danne regelmæssige trekantede klitter.
      Bemærk: Regelmæssige trekantede klitter vil give regelmæssige mønstre af hyporheic udveksling, men vil ikke vise så meget kompleksitet som naturlige klit / ripple bedforms.
    5. Når de ønskede bedforms opnås, reducere vandmængden, indtil sengen sediment transport forsinker og bedform egenskaber stopper forandring.
      1. Visuelt observere bevægelse af sediment kerner omfatter sengen, og reducere flow indtil bevægelse ophører.
        Bemærk: Dette vil bevare sengen morfologi for varigheden af ​​eksperimentet.
      2. For at bekræfte at langsom, episodisk bevægelse ikke forekommende, mærke eller fotografi bedform positioner, og derefter observere på et senere tidspunkt.
        Bemærk: Det er kun vigtigt, at bedforms ikke bevæger sig betydeligt i løbet af den tidsramme af eksperimentet, så giveren tilstrækkelig observationstid at bekræfte, at bedforms er stabile.
    6. Juster rende hældning og / eller vanddybde for at opnå ensartet strømning under reduceret strømningshastighed.
      1. Styrekanal hældning gennem udstyr konstrueret i renden, typisk enten en motoriseret donkraft eller håndsving. Juster vanddybden ved at tilføje eller fjerne vand fra renden.
        Bemærk: I forsøgsopstillingen anvendes her, er hele renden er monteret på en drejetap på den nedstrøms ende, og hældningen er indstillet af en motoriseret stik ved opstrømsenden.
      2. Mens pumpen kører, vælge to langsgående steder markeret med streger vinkelret på bunden af ​​renden. På disse steder, bruge en lineal til at måle afstanden langs disse vinkelrette linjer, mellem overfladen af ​​vandet og bunden af ​​renden.
        Bemærk: Afhængigt af renden opsætning, kan bunden af ​​rendens tjene som en bedre skrå referencelinje end bunden af ​​rendens. Valg af larGER langsgående afstand vil give større nøjagtighed.
      3. Juster hældningen af ​​rende og / eller vanddybde og re-foranstaltning, indtil de lodrette afstandsmålinger er de samme for at opnå ensartet strømning. Mål den skrå vandrette afstand langs bunden af ​​rendens mellem disse to langsgående placeringer.
    7. Stop pumpen og vente på vandet til at stoppe flytte; Dette vil give en plan overflade. Re-måle afstanden mellem toppen af ​​renden og vandoverfladen ved hver langsgående placering.
      Bemærk: Kanalen hældningen er lig med forskellen mellem disse målinger divideret med den skrå vandrette afstand mellem dem.
    8. Re-starte pumpen.
    9. Vælg en test sektion, som bør være et sted nær midten eller nedstrøms ende af renden, hvor klitterne har dannet et regelmæssigt mønster. Sørg for, at dette afsnit omfatter mindst en hel bedform.
    10. Mål og registrere den gennemsnitlige sediment dybde (D) i the test sektion med enhver hånd måling udtænke (gennemsigtige herskere er ideelle). For nemheds skyld bruge den gennemsnitlige afstand af et våbenskjold og trug til flume bund.
    11. Mål og registrer gennemsnitlige bedform højde i testsektionen, defineret som forskellen mellem sedimentet dybde ved en crest og dybden sediment ved et trug med en lineal. Mål flere bedforms at opnå et godt skøn over gennemsnittet.
    12. Igen ved hjælp af lineal, måle og registrere den gennemsnitlige vanddybde (d) i testsektionen, defineret som den gennemsnitlige afstand fra vandoverfladen til sand seng. Igen, brug den gennemsnitlige vanddybde på klit toppene og dalene til enkelhed.
    13. Optag kanalen (Q) fra flowmåleren, og beregne den gennemsnitlige hastighed som Q / (d * w), hvor W er bredden af renden, og d er vanddybden.
      Bemærk: Vores flowmåler indsættes i recirkulationssløjfen målekanalens.
    14. Måleog registrere den gennemsnitlige bedform bølgelængde i testsektionen. Typisk måle bølgelængden som afstanden mellem successive klit Kamme.
    15. Åbn Mousedrop simulering (i NetLogo platform), og kontrollere, at alle målinger ligger inden for de variable intervaller er angivet i simuleringen brugergrænseflade. Hvis en målt parameter falder uden for den begrænsning rækkevidde, justere simuleringen parameteren område ved at højreklikke på parameteren "slider", vælge "Rediger", og justering af min / max værdier.
  2. Visualiser hyporheic udveksling.
    1. Indstil kameraet på et fast sted (helst på et stativ) pegede vinkelret på renden væggen med en enkelt bedform i testsektionen centreret i billedet.
      Bemærk: Dette vil undgå problemer med skrå perspektiv.
    2. Tag et testbillede at kontrollere betingelserne. Juster belysning, hvis refleksioner er et problem.
    3. Brug af sprøjte og nål, gør 2-3 lille farvestof injections nær renden væggen. Sørg for, at disse injektioner danner ~ 2 cm runde pletter af farvet porevandet ved en række lodrette og vandrette steder. Vær forsigtig for at minimere forstyrrelse af sandet seng under injektionen.
      Bemærk: Injektioner af mindre mængder af farvestof giver brugeren se flere detaljer og se individuelle stream stier.
    4. Optag starttidspunktet af farvestoffet injektioner og tage en indledende billede.
      Valgfrit: Det kan være lærerigt at spore de første farvestof fronter med markører på gennemsigtighed papir, således at farvestoffet bevægelse er let observerbare i laboratoriet, men disse konturer vil også blokere små portioner af farvestoffet fronter i billeder, så der er en handels- slukket.
    5. Fang farvefronten stillinger på passende tidsintervaller. For tid bortfalder fotografering, bruge 30 sek intervaller for at give flotte resultater.

3. Simulering

  1. Kør Simulation 1: Mousedrop og sammenligne med observerede farvestof transport.
    1. Åbn simuleringen script ved navn Mousedrop.nlogo.
      Figur 3
      Figur 2. Mousedrop. Dette viser, hvor sporstoffer er i 7 forskellige instanser i tiden. Klik her for at se en større version af dette tal.
    2. Juster de fysiske systemparametre vist i tabel 1 for at matche flume eksperimentelle betingelser (konkret: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, porøsitet, ChannelVelocity, dybde og hældning). Vær sikker på at være meget opmærksom på enheder, når du indtaster inputparametre.
    3. Juster skyderne Time1, Time2 osv at angive tidspunkter, hvor simuleringen sporing farve vil ændre sig. Sæt disse farveskift til at matche observation gange for at lette sammenligningen af ​​simulering resultater med observationer.
      Note: Hvis tiden parametre alle er sat til 0, vil simuleringen vise en enkelt farve hele vejen igennem.
    4. Når alle parametre er indstillet, skal du klikke knappen Opsætning.
      Bemærk: bedform skal vises i simuleringen visningen.
    5. Klik med musen-drop-knappen for at angive de startende placeringer af virtuelle sporstoffer. Bemærk, at flere steder i sengen kan klikkes. Hold musen nede for at frigøre mere virtuel sporstof. Når simulerer farvestof bevægelse, bruge musen til enten spore farvestof fronter (grænsen omkring farvestof) eller udfyld den fulde område af farvet område.
      Bemærk: Introduktion mere virtuel sporstof vil medføre simuleringen kører langsommere. De bedste visuelle resultater vil variere med computerens ydeevne.
    6. Når alle de virtuelle sporstoffer er blevet placeret, kan du enten klikke Advance til næste gang knap, som vil starte simuleringen og derefter stoppe det på første gang, eller du kan klikke på go / stop-knappen for at starte simultion på ubestemt tid. Må ikke re-Klik på knappen Opsætning, eller sporstoffer skal placeres igen.
      Bemærk: Når simuleringen begynder at køre, er hastigheden beregnes for placeringen af ​​hver sporstof baseret på simuleringsparametrene i ligningerne 4 og 5. sporstoffet flyttes i overensstemmelse med det område, for 100 sekunder simulerede hastighed og derefter hastigheden på den nye placering beregnes og proceduren gentages, indtil sporstoffet forlader systemet.
    7. Du kan også klikke på go / stop-knappen gentagne gange for at holde pause / fortsætte simuleringen. Sammenlign simulerede og målte farvestof distributioner på forskellige tidspunkter.
  2. Kør Simulation 2: Interface.
    1. Åbn scriptet titlen Interface.
      Figur 3
      Figur 3. Interface. Dette viser 370 sporstoffer strømmer gennem undergrunden ved hjælp af grænsefladen simulering. Tracer paths viser, hvor hver sporstof har været siden den blev startet på overfladevandet-undergrunden interface. Til sidst alle strømningsveje bør vende tilbage til overfladevandet. Klik her for at se en større version af dette tal.
      Bemærk: Dette script introducerer virtuelle sporstoffer på streambed overflade i en flux-vægtet måde på grundlag af beregnede underjordiske hastigheder. Dette giver en visuel repræsentation af de relative mængder af vand, der flyder ind i (og ud af) den streambed på forskellige steder.
    2. Begynd med at klikke opsætning efterfulgt af go / stop.
      Bemærk: Dette vil køre simuleringen med standardindstillingerne. Re-drop? Kontakten er oprindeligt indstillet til off, så den kumulative opholdstid fordeling vil blive afbildet som tiden går.
    3. Efter observere simuleringen med standardparametre, skal du klikke på gå / stop for at standse simuleringen.
    4. opsætning efterfulgt af go / stop.
      Bemærk: Dette vil genstarte simulering med de parametre, der er blevet udvalgt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Brugen af en simulering i forbindelse med eksperimenter giver eleverne mulighed for at observere de ligheder og forskelle mellem idealiserede matematiske modeller og mere komplekse virkelige systemer. Figur 4 viser et eksempel sammenligner farvestof injektion fotografier med Mousedrop simuleringer. Den oprindelige fotografi anvendes til at bestemme placeringen af ​​den simulerede farvestof sporstof til tiden nul, og derefter kører simuleringen 34,2 min og sammenlignes med et fotografi taget på dette tidspunkt. Samlet modellen gør et fremragende stykke arbejde med at fange bevægelsen af ​​det farvede vand over dette tidsinterval. Den første farvestof klat, som ligger på læsiden af ​​bedform, afslutter sedimenter i både de simulerede og eksperimentelle systemer. Den anden forlænges og bevæger sig ned danne en halvmåneformet, der spreder sig, således at nogle af sporstoffet forlader nedstrøms for den oprindelige placering og nogle opstrøms. Den sidste farvestof blob udbreder opstrøms og nogle af sporstoffet bevæger dybere i sedimenterne. Dette viser, at hyporheic udveksling sker under bedforms og at mønstre af hyporheic udveksling flow vedrører bedform geometri. Den stærke aftale mellem simuleringen og forsøget validerer model ligninger til en første ordens niveau. Denne procedure også tydeligt viser, at hyporheic udveksling er en væsentlig proces, der skalerer med bedform størrelse, og at næsten halvdelen af ​​porevandet flyder opstrøms under bedforms. På tæt inspektion, kan dog ses små forskelle mellem de observerede og simulerede farvestof transport. Simuleringen er glattere end den faktiske farve mønster og ikke strækker sig så dybt ind i sedimentet. Disse uoverensstemmelser skyldes en kombination af målefejl og anden ordens fysiske virkninger af uregelmæssig bedform geometri, variation i sediment pakning osv, som beskrevet i tabel 2.

4 "src =" / files / ftp_upload / 53285 / 53285fig4.jpg "/>
Figur 4. Sammenligning rende farvestof fronter til simuleringer. Dye blev injiceret i renden og et billede blev taget på tidspunktet 0. Røbestoffer blev anbragt i undergrunden ved hjælp Mousedrop på samme steder som farvestoffet. Sporstoffer derefter flyttet til 34,2 simulation minutter og simuleringen sammenlignes derefter med et billede taget 34,2 minutter efter den oprindelige billede. De observerede farvestof mønstre og simuleringerne sammenligne godt på senere tidspunkt. Der er nogle uoverensstemmelser på grund af rumlige variationer i flow felt, der er ikke fanget af modellen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Almindelige kilder til Uoverensstemmelser Forventet resultat
Selve hovedet profil diffERS fra antaget sinusformet kurve Asymmetri i porevandet strømmen under bedform
Uregelmæssig række bedforms Potentielle afvigelser i FlowField på placeringen af ​​observation
Utilstrækkelig sediment seng dybde Lodret kompression af porevandet profil
Ikke-uniform (dvs. tid varierende) flyde over sengen Yderligere elevation hoved komponenter, der oven en ekstra komponent i porevandet flow (f.eks, øget asymmetri i porevandet omløb celle under bedform.)
Heterogenitet i pakning sedimenter Rumlig variation i porevandet flow (pletter af sedimenter med højere og lavere hastighed)
Væsentlige forstyrrelser af sedimenter, når injektion farvestof Dye frigivelse lodret through injektionen hul
Anvendelse af et ikke-vandopløseligt farvestof eller utilstrækkelig opløsning eller blanding af farvestoffet før injektion Pooling af farvestof i porevandet, uensartet porevandet transport eller langsom mobilisering af farvestof fra injektion steder.
Unøjagtige målinger (ofte på grund af enheder) Dette kan resultere i drastisk forkerte resultater
Antaget manglende dispersion i simulation Nogle ekspansion er farvestof figurer

Tabel 2. Kilder til uoverensstemmelse mellem Observation og Simulering. En liste over de almindelige fejlkilder er opregnet i denne tabel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I forbindelse, Flume demonstrations- og partikel sporing simuleringer giver en omfattende introduktion til hyporheic flow for en række målgrupper. Deltagere på alle niveauer er fastsat visuelle beviser for forekomsten af ​​hyporheic udveksling fremkaldt af bedforms, og den stærke variabilitet i undergrunden strømningsveje under bedforms. Disse procedurer kan bruges som en simpel demonstration af porevandet flow for bachelorer eller K-12 studerende, eller det kan bruges i graduate kurser i forbindelse med en mere dybdegående præsentation af floden hydraulik, sedimenttransport, og mekanikken i hyporheic udveksling . Uanset niveauet, brug af denne simple visualisering model som interaktiv teknologi giver eleverne mulighed for at danne en dybere forståelse af disse komplekse og vigtige fænomener, end det ville opnås gennem abstrakte teori og diskussion.

Mens du bruger disse metoder, forskelle mellem det fysiske system og simulatipå, bør ikke betragtes som "fejl", men i stedet som en "lærenem øjeblik", dvs., udgangspunktet for en diskussion, der i sidste ende vil føre til større indlæring. Eleverne skal ledes til at overveje en række spørgsmål, herunder: Hvad er alle de fejlkilder (i modellen, målingerne, og laboratoriet procedure)? Hvilke af disse kunne potentielt bidrage til uoverensstemmelsen mellem simuleringer og observationer? Hvad forenkling antagelser blev foretaget i formuleringen af ​​modellen? Hvor vigtige er små uoverensstemmelser, og gør de modellen "forkert"? Som statistiker George Box berømt sagde, "Væsentlige, er alle modeller forkert, men nogle er nyttige." 34 En god videnskabelig model indfanger visse væsentlige funktioner i et system, hvilket fører til en bedre forståelse, mens det forsømmer detaljer, der er mindre relevante til spørgsmålet ved hånden. Denne flume laboratorium eksperiment og tilhørende simulation giver en fremragende casestudie for studerende i at forstå både styrker og svagheder i en model og af eksperimentel metode. Således ikke kun eleverne få en større flydende med centrale begreber i hyporheic udveksling og stoftransport, men de har lært om det komplementære forhold (og til tider komplekse interaktion) mellem teori-bygning og dataindsamling, mellem computermodeller og laboratorieforsøg. Desuden er denne kobling af lab og simulering fremmer udviklingen af vigtige metakognitive færdigheder 35 om, hvordan viden er opnået gennem den videnskabelige forskningsproces, gennem spørgsmålstegn ved, hvad vi ved, og hvordan vi kender det. En voksende mængde af forskning vidner om effektiviteten af undervisningen metakognitive (alias højere ordens tænkning) færdigheder 36-38.

Der er mange årsager til afvigelser mellem observerede og simulerede tracer baner. Overdreven sideværts bevægelse afnålen under en injektion vil skabe en præferentiel strømningsbane i sandet, så farvestof at undslippe direkte i vandsøjlen. Vores velocity ligninger inkluderer ikke siden eller i længderetningen dispersion. I en rende, at bedform geometri er mere asymmetrisk end den idealiserede sinusoid defineret i simuleringerne. Sedimenter er aldrig helt homogene; variationer i emballering og sediment størrelser vil påvirke den lokale hydraulisk ledningsevne og porøsitet. Mens det er bedst at minimere bedform migration ved at reducere rendens pumpehastighed før farvestof injektioner, kan nogle migration stadig forekomme. Bedform migration ændrer positionen af ​​bedform crest forhold til den injicerede farvestof og derved ændre underjordiske hydrodynamik. Eksperimentelle strømningsveje vil derfor altid være forskellige fra simuleringer, men det generelle mønster for sporstof bevægelighed bør ikke ændres. Under de eksperimentelle betingelser her anvendte, er der en stærk aftale mellem modellens simuleringer og den observerede farvestof flow. Additio nale kompleksiteter, såsom sediment heterogenitet, fraktal bedform topografi, udledning af grundvand, tredimensionelle topografi, cross-channel flow, og tidsmæssige variationer i vandføring forekommer i mange naturlige systemer. Farvestoffet tracer metoder beskrevet her kan bruges til at udforske virkningerne af disse processer gennem passende modifikation af flume eksperiment setup. Denne fremgangsmåde kan bruges til forskning samt undervisning, som flow visualisering er almindeligt anvendt til at afprøve hypoteser om styrende processer, og kan også bruges til at beregne materielle flusmidler og massebalancer, f.eks hyporheic valutakurser fluxe mellem åen og sediment seng 21. Dye tracer fremgangsmåder svarende til de her beskrevne er blevet anvendt til at bestemme virkningerne af streambed morfologi, sediment heterogenitet, udledning grundvand, og genoplade på hyporheic udveksling, samt at vurdere relaterede processer såsom porevandet strømme induceret af bølger 39-42.

indhold "> Mens den simple flow-modellen anvendes her viste en rimelig tro gengivelse af hyporheic flow under omhyggeligt kontrollerede laboratorieforhold, dets anvendelse i modellering af komplekse naturlige systemer er begrænset. Vores scripts blev skrevet i NetLogo programmeringssproget her primært som et pædagogisk værktøj, fordi Det giver en enkel, gratis og open-source agent-baserede simulation platform, og fordi det understøtter fremragende visualiseringer og nem bruger manipulation af inputparametre, der letter læring. har andre tilgange blevet udviklet til at simulere hyporheic udveksling med mere komplekse system geometri 14 , 20 og sediment struktur 43,44. En række gratis / open source værktøjer (f.eks MODFLOW) og kommercielle softwarepakker (f.eks COMSOL) bruger finite forskel og finite element metoder, der kan være nyttige i modellering hyporheic flow under mere komplekse geometrier og med undergrunden heterogenitet 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  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. Academic Press. San Diego, CA. (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. Wilensky, U. NetLogo. Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
  24. Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
  25. Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
  26. Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
  27. 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).
  28. Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
  29. Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
  30. Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. 316-325 (2001).
  31. 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).
  32. Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
  33. Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
  34. Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. John Wiley & Sons. (1987).
  35. Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906 (1979).
  36. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. National Academy Press. Washington, DC. (2000).
  37. Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41, (4), 219-225 (2002).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
  41. Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
  42. Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
  43. 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).
  44. Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
  45. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  46. Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
  47. 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).
  48. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats