Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

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

Advective troca entre o espaço dos poros dos sedimentos e da coluna de água que cobre, chamado de troca hyporheic em ambientes fluviais, impulsiona transporte de soluto em rios e muitos processos biogeoquímicos importantes. Para melhorar a compreensão desses processos através de manifestação visual, criamos uma simulação de fluxo hyporheic no multi-agente plataforma de modelagem de computador NetLogo. A simulação mostra marcador virtual fluindo através de um leito coberto com bedforms bidimensionais. Sedimento, de fluxo, e bedform características são usadas como variáveis ​​de entrada para o modelo. Nós ilustramos como estas simulações combinar observações experimentais obtidos em experiências flume laboratório com base em parâmetros de entrada medidos. Corante é injetado nos sedimentos flume para visualizar o fluxo água intersticial. Para efeito de comparação partículas tracer virtuais são colocados nos mesmos locais na simulação. Esta simulação e laboratório de experimentação, casada tem sido usado com sucesso em cursos de graduação e gradualaboratórios te de visualizar diretamente as interações rio-água intersticial e mostrar como simulações de fluxo baseado em física pode reproduzir fenômenos ambientais. Os alunos tiraram fotos do leito através das paredes transparentes flume e comparou-os a formas do corante no mesmo horário na simulação. Isto resultou em tendências muito semelhantes, o que permitiu aos alunos a compreender melhor tanto os padrões de fluxo e do modelo matemático. As simulações também permitem ao usuário visualizar rapidamente o impacto de cada parâmetro de entrada, executando várias simulações. Este processo também pode ser usado em aplicações de pesquisa para ilustrar os processos básicos, referem fluxos interfacial e transporte água intersticial, e apoiar modelação baseada no processo quantitativo.

Introduction

À medida que a água de superfície em um córrego, rio ou zona das marés cria gradientes de cabeça que levam a água para dentro e para fora dos sedimentos 1. Em sistemas fluviais a parte dos sedimentos Streambed onde ocorre essa troca é conhecida como a zona de 2,3 hyporheic. Esta zona é importante porque muitos nutrientes e poluentes são armazenados, depositado, ou transformado dentro da zona hyporheic 4-9. A quantidade de tempo que um marcador passa no sedimento é chamado de tempo de residência. Ambas as vezes de residência e os locais dos caminhos de fluxo afetam os processos de transformação. A melhor compreensão dos processos que afectam o escoamento através do sedimento é necessário para estimar o transporte de soluto em rios e dirigir grandes problemas ambientais resultantes da propagação de materiais tais como nutrientes (por exemplo, de hipoxia costeira 10,11). Apesar da importância do intercâmbio hyporheic, que muitas vezes não é descrita em cursos de graduação em hidrologia,mecânica dos fluidos, hidráulica, etc. educadores que desejam adicionar troca hyporheic para seus cursos poderia encontrá-lo útil para ter visualizações experimentais e numéricos que mostram claramente este processo.

Sinuosidade córrego canal, níveis freáticos circundantes, e topografia leito (ou seja, bares, bedforms, e montes biogénicas) afetam troca hyporheic em diferentes graus 12-17. Este estudo incidiu sobre bedforms, tais como dunas e ondulações, que são geralmente características geomorfológicas principais que afetam o fluxo hyporheic 14,15. Criamos uma simulação e laboratório experimento numérico para visualizar o fluxo através de uma série regular de bedforms. Esta simulação é baseado em um corpo de pesquisa anterior relativa caminhos de fluxo hyporheic características do sistema para facilmente observáveis ​​15,18-21. Como esta pesquisa constitui a base científica para a simulação, um breve resumo dos aspectos-chave da teoria segue. Bedform topografia, T (x),É dado por:

Equação 1:
Equação 1

em que H é o dobro da amplitude do bedform, k é o número de onda, e X é a dimensão longitudinal paralelo à superfície média leito. Um exemplo deste topografia bedform é mostrado na Figura 1.

figura 1
Figura 1. definições e configurações de parâmetro controlado pelo usuário. Em Interface, partículas traçadores são liberados de forma fluxo ponderada na interface água / sedimento e rastreados através do sedimento. Se show-caminhos? É "on" a marca traçadores de água onde eles foram, mostrando seus caminhos. Quando um marcador retorna para a água de superfície, isso muda tele número total de marcadores no sistema, quando re-drop? é definido como "off". A trama de distribuição cumulativa tempo de residência mostra esta mudança traçando a razão entre o número de marcadores que permanecem no leito de sedimentos para o número inicial como uma função do tempo. Se re-drop? É "on", em seguida, traçadores que deixam o sistema são substituídas da mesma maneira fluxo ponderada como partículas originais, eo enredo cumulativa está desativado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nome parâmetro Unidades Definição Interface Mousedrop
Lambda (λ) cm Comprimento de onda de bedform (ver Figura 1) </ td> marca de seleçãomarca de seleção
BedformHeight (H) cm Duas vezes a amplitude bedform (veja a Figura 1) marca de seleçãomarca de seleção
BedDepth (D) cm Profundidade dos sedimentos (ver Figura 1) marca de seleçãomarca de seleção
HydrCond (K) cm / s Condutividade hidráulica marca de seleçãomarca de seleção
Porosidade (θ) Porosidade marca de seleçãomarca de seleção
ChannelVelocity (L) cm / s Velocidade média na superfície da água ou canal marca de seleçãomarca de seleção
Profundidade (d) cm A profundidade da água (ver Figura 1) marca de seleçãomarca de seleção
Slope (S) Inclinação da superfície da água e bedforms marca de seleção
NumParticles O número de partículas libertadas para o sistema. marca de seleção
Timex (Time1, Time2 ..) min Hora em que cada mudança de cor ocorre marca de seleção
Simulação Botões Definição Interface Mousedrop
Estabelecer Defina-se a simulação de uso de parâmetros mostrados marca de seleçãomarca de seleção
ir / parar Inicia e pára a simulação marca de seleçãomarca de seleção
Passo Clicando etapa faz com que um passo de tempo para passar. Isso permite que usuários para abrandar o código e ver exatamente o que acontece em 100 segundos. marca de seleção
caminhos claros Limpa todos os caminhos ele partículas azuis da tela marca de seleçãomarca de seleção
Avançar para a próxima época Isso faz com que o programa seja executado até a próxima mudança de cor (Timex)marca de seleção
rato-drop Este botão deve ser clicado antes de partículas podem ser colocados no subsolo clicando em locais em subsuperfície. marca de seleção
show-caminhos? Se show-caminhos? é "on" as partículas de água deixam um rastro de exibição azul onde eles foram (ver Figura 1). marca de seleçãomarca de seleção
re-largar? Se re-drop? é "ligado" as partículas são substituídos de um modo ponderado para cada fluxo de partículas, que sai do sistema, e a trama cumulativo não funciona. Quando um partiCLE sai da zona hyporheic o número de partículas no sistema diminui, se re-gota? é "off" (veja a Figura 1). marca de seleção

Tabela 1. Parâmetros Hyporheic e Simulação controles. Cada parâmetro, botão e controle deslizante que pode ser ajustado pelo usuário é dado nesta tabela, juntamente com uma definição.

Nesta simulação, dois processos induzir velocidade do fluido no leito de areia. O primeiro é devido às interações do fluxo de córrego com bedforms. A cabeça de velocidade na interface água / sedimento induzida por bedforms também é de aproximadamente sinusoidal, e trocou por um comprimento de onda trimestre do próprio bedform 22. A amplitude da função cabeça de velocidade na interface de superfície-subsuperficial foi aproximada a partir de medições 16:

ge = "always"> Equação 2:
Equação 2

onde U é a velocidade média de superfície de água, g é a constante gravitacional, e d é a profundidade da água (mostrado na Figura 1). A função de cabeça de velocidade é então dado por:

Equação 3:
Equação 3

Esta função de cabeça pode então ser usado para calcular a componente-base de bedform as funções de velocidade subsuperficial, resolvendo a equação de Laplace, com uma profundidade de leito de areia constante 20. O segundo componente da velocidade água intersticial é determinada pela inclinação do sistema, S, o que corresponde a um gradiente gravitacional cabeça que os rendimentos de fluxo na direcção a jusante proporcionals / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> As funções finais para velocidade água intersticial são.:

Equação 4:
Equação 4

Equação 5:
Equação 5

onde L é o componente de velocidade longitudinal, v é a componente de velocidade vertical, K é a condutividade hidráulica média diária do sedimento, é a porosidade média dos sedimentos, Y é a coordenada vertical, e D é a profundidade dos sedimentos.

Simulações de rastreamento de partículas foram criadas, que utilizam a linguagem de modelagem NetLogo e plataforma de simulação 23. As duas implementações (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usam estas equações para modelar hyporheic fluxo com o mesmo núcleo de simulação. A principal diferença é nos locais iniciais das partículas marcadoras. Mousedrop permite que o utilizador coloque traçador simulado em qualquer lugar dentro do subsolo. Equações de velocidade Subsurface 4 e 5 são usados ​​para mover o marcador para simular experimentos de injeção de corante. Em Interface, tracer é sempre colocada ao longo do limite de superfície / subsuperfície de uma maneira fluxo ponderada. Este imita a entrega de material dissolvido e suspenso da água de superfície na água intersticial, o que é crucial para a compreensão de câmbio hyporheic. O marcador, em seguida, move-se dentro da subsuperfície até que novamente atinge a água corrente. Traçando os caminhos de corante na caleira e simulando os caminhos usando NetLogo produz as linhas de corrente do flowfield, contanto que as condições de fluxo e morfologia bedform permanecer estável durante o período de observação. Interface.nlogo cria uma distribuição de tempo de residência cumulativa, que mostra o razão entre o número departículas marcadoras restantes nos sedimentos para o número inicial de partículas marcadoras colocados no tempo 0 como uma função do tempo.

Como discutido em uma recente pesquisa da literatura 24, continua a haver considerável debate dentro da comunidade da pesquisa educacional sobre os méritos relativos de hands-on experimentos de laboratório contra laboratórios simulados e modelos de computador. Por um lado, alguns acham que "hands-on experiência está no cerne da aprendizagem" 25, e cuidado que os argumentos de redução de custos pode ser alimentando a substituição de atividades práticas de laboratório por simulações baseadas em computador, em detrimento de estudante entendimento 26. Por outro lado, alguns pesquisadores em ensino de ciências / engenharia argumentam que as simulações são pelo menos tão eficaz quanto a tradicional hands-on labs 27, ou discutir os benefícios do computador-simulação na promoção centrado no aluno "aprendizagem pela descoberta" 28. Enquanto consenso não foi redoía, muitos pesquisadores concluíram que, idealmente, simulações de computador deve complementar, e não substituir, hands-on experimentos de laboratório 29,30. Também houve iniciativas no âmbito da ciência e da educação em engenharia para a experimentação física e do mundo real sentindo com simulações de computador dos fenômenos simultaneamente casal; ver, por exemplo, "modelagem bifocal" 31.

Os estudantes podem obter um conhecimento mais profundo conceptual e uma melhor compreensão do processo de investigação científica, interagindo com tanto um sistema físico, e uma simulação por computador desse sistema. Este procedimento implica ter os alunos realizam um experimento de transporte de solutos que demonstra fluxo cambial hyporheic gravitacional e induzida por bedform, e combinar a sua própria configuração experimental e os resultados com uma simulação de computador dos mesmos fenômenos. Esta comparação facilita os resultados da aprendizagem no aluno importantes e uma discussão mais profunda de tele método científico, e interacção entre a modelo / construção de teoria e validação empírica através da recolha de dados. Depois de realizar esta comparação, os estudantes também podem aproveitar os benefícios da simulação baseada em computador para explorar rapidamente uma infinidade de cenários alternativos, alterando os parâmetros do modelo.

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Protocol

1. Simulação Software

  1. Use o software descrito nesta seção.
    1. Baixe e instale o open-source multi-agente linguagem livre / modelagem e plataforma de simulação, NetLogo (Disponível: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versão 5.1 ou posterior).
      Nota: Este software está disponível sem nenhum custo e é executado em todos os principais sistemas operacionais (Windows / Mac / Linux).
    2. Baixe os dois arquivos de script de simulação específicos (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) que acompanham este procedimento laboratorial. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      Nota: Uma vez que a plataforma de simulação está instalado e esses arquivos foram baixados, clicando duas vezes esses arquivos automaticamente abre tele simulações up, pronto para ser executado.

2. Demonstração Flume

  1. Configure a calha de laboratório para que todos os parâmetros (Tabela 1) cair dentro da simulação mousedrop restrições alcance parâmetro.
    Nota: As restrições podem ser ajustados em mousedrop, se necessário para o sistema físico, editando os controles deslizantes.
    1. Despeje uma camada de cerca de 15-25 cm de areia na calha. Meça e registre a condutividade hidráulica e porosidade da areia seguinte métodos padrão 32,33.
    2. Encha a calha com cerca de 20-30 cm de água.
    3. Comece a caleira e aumentar a taxa de fluxo para um nível que é suficientemente rápido para mover os grãos de areia e, assim, para criar bedforms.
      Nota: A taxa de fluxo pode ser ajustado para refinar ainda mais características bedform com a prática. Tamanhos Bedform são um resultado da taxa de fluxo, a profundidade da água e as propriedades de areia.
    4. Permitir bedforms para desenvolver for 12-24 horas para formar dunas naturais / morfologia ondulação. Para acelerar este processo, manualmente moldar dunas regulares, e então permitir o transporte de sedimentos para 4-12 horas. Alternativamente, formar manualmente dunas triangulares regulares.
      Nota: dunas triangulares regulares irá produzir padrões regulares de troca hyporheic, mas não vai mostrar toda a complexidade que dunas naturais / bedforms ondulação.
    5. Uma vez que os bedforms desejados são alcançados, reduzir a taxa de fluxo de água até que retarda transporte de sedimentos cama e características bedform parar de mudar.
      1. Visualmente observar o movimento dos grãos de sedimentos que constituem a cama, e reduzir o fluxo até que o movimento cessa.
        Nota: Isto irá preservar a morfologia cama para a duração da experiência.
      2. Para confirmar que, de movimento lento episódica não está ocorrendo, marca ou fotografia bedform posições e, em seguida, observar em um momento posterior.
        Nota: Só é importante que bedforms não se movem significativamente durante o período do experimento, de modo que forneceum tempo suficiente para confirmar a observação de que bedforms são estáveis.
    6. Ajuste inclinação calha e / ou profundidade da água para conseguir um fluxo uniforme sob a vazão reduzida.
      1. Declividade do canal de controle através de equipamentos construídos para o canal, tipicamente uma tomada de motorizada ou uma mão-manivela. Ajustar a profundidade da água, adicionando ou removendo a água da calha.
        Nota: Na configuração experimental aqui utilizado, toda a caleira é montada sobre um pivô na extremidade a jusante, e a inclinação é definida por um macaco motorizado na extremidade a montante.
      2. Enquanto a bomba estiver funcionando, selecione duas localizações longitudinais marcados com linhas perpendiculares para o fundo da calha. Nestes locais, usar uma régua para medir a distância ao longo destas linhas perpendiculares, entre a superfície da água e a parte inferior da calha.
        Nota: Dependendo da configuração do canal, a parte inferior da calha pode servir como uma linha de referência mais inclinada do que a parte inferior da calha. A seleção de um larger distância longitudinal renderá maior precisão.
      3. Ajustar a inclinação da caleira e / ou a profundidade da água e re-medida até que as medições de distância verticais são o mesmo para conseguir um fluxo uniforme. Medir a distância horizontal inclinado ao longo da parte inferior da calha entre estas duas localizações longitudinais.
    7. Pare a bomba e esperar a água parar de se mover; isto irá proporcionar uma superfície plana. Re-medir a distância entre a parte superior da calha e a superfície da água em cada posição longitudinal.
      Nota: O declive canal é igual à diferença entre estas medidas, dividida pela distância horizontal inclinado entre eles.
    8. Re-ligar a bomba.
    9. Seleccionar uma secção de ensaio, o qual deve ser de uma localização perto da extremidade a jusante do meio ou da caleira onde dunas ter formado um padrão regular. Certifique-se de que esta seção abrange pelo menos um bedform completo.
    10. Meça e registre a profundidade média de sedimentos (D) em thseção e teste com qualquer devise de medição mão (governantes transparentes são ideais). Por simplicidade, utilize a distância média de uma crista e calha para o fundo da calha.
    11. Medir e registar a altura média bedform na secção de ensaio, definido como a diferença entre a profundidade do sedimento numa crista e a profundidade do sedimento em uma calha com uma régua. Meça várias bedforms para obter uma boa estimativa da média.
    12. Novamente usando a régua, medir e registrar a profundidade de água média (d) na seção de teste, definido como a distância média da superfície da água para o leito de areia. Mais uma vez, use a profundidade de água média em cristas de dunas e depressões pela simplicidade.
    13. Grave o caudal de canal (Q) a partir do medidor de fluxo, e calcular a velocidade média como Q / (d * w), onde w é a largura da calha e d é a profundidade da água.
      Nota: O medidor de fluxo está inserido no circuito de recirculação do canal hidráulico.
    14. Medidae registrar o comprimento de onda média bedform na seção de teste. Normalmente, medir o comprimento de onda como a distância entre sucessivas cristas de dunas.
    15. Abra a simulação Mousedrop (na plataforma NetLogo) e verifique se todas as medições estão dentro dos intervalos variáveis ​​especificadas na interface do usuário simulação. Se um parâmetro medido cai fora da faixa de restrição, ajustar a gama de parâmetros de simulação clicando com o botão direito sobre o parâmetro "slider", selecionando "editar", e ajustando os valores mínimo e máximo /.
  2. Visualize troca hyporheic.
    1. Defina a câmera em um local fixo (de preferência em um tripé) apontou ortogonalmente à parede da calha com um único bedform na seção de teste centrado na imagem.
      Nota: Isso irá evitar problemas de perspectiva inclinada.
    2. Tire uma foto de teste para verificar as condições. Ajuste a iluminação se reflexões são um problema.
    3. Usando a seringa ea agulha, fazer 2-3 pequena i corantenjections perto da parede de caleira. Certifique-se de que estas injecções de formar ~ 2 cm manchas redondas de água intersticial colorido em uma variedade de locais verticais e horizontais. Tenha cuidado para minimizar a perturbação do leito de areia durante a injecção.
      Nota: Injeções de volumes menores de corante permitem ao usuário ver mais detalhes e visualizar caminhos de transmissão individuais.
    4. Grave a hora de início das injeções de corantes e ter uma visão inicial.
      Opcional: Pode ser educativo para traçar as frentes iniciais de corante com marcadores em papel de transparência, de modo que o movimento corante é facilmente observável em laboratório, mas estes contornos também irá bloquear pequenas porções das frentes de corantes em imagens, para que haja um trade- desligado.
    5. Capturar as posições dianteiras tintura em intervalos de tempo apropriados. Para a fotografia do lapso de tempo, use intervalos de 30 seg a dar resultados suaves.

3. Simulação

  1. Executar Simulação 1: Mousedrop e comparar com transporte observada corante.
    1. Abra o script de simulação chamado Mousedrop.nlogo.
      Figura 3
      Figura 2. Mousedrop. Isso mostra onde marcadores são em 7 casos diferentes no tempo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
    2. Ajustar os parâmetros do sistema físicas apresentadas na Tabela 1 para coincidir com condições experimentais flume (especificamente: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, porosidade, ChannelVelocity, profundidade e inclinação). Certifique-se de prestar muita atenção para as unidades quando entrar parâmetros de entrada.
    3. Ajuste sliders TIME1, Time2, etc. para indicar momentos em que a cor da simulação de monitoramento vai mudar. Definir essas alterações de cor para combinar com o tempo de observação, a fim de facilitar a comparação dos resultados da simulação com observações.
      Nota: Se os parâmetros de tempo são todos definido para 0, a simulação irá exibir uma única cor por toda parte.
    4. Depois que todos os parâmetros são definidos, clique no botão de configuração.
      Nota: O bedform deve aparecer na vista de simulação.
    5. Clique no botão do mouse-drop para indicar os locais de partida dos marcadores virtuais. Note-se que vários locais na cama pode ser clicado. Segure o mouse para baixo para liberar tracer mais virtual. Ao simular o movimento corante, use o mouse para traçar qualquer frentes corante (o limite em torno do corante) ou preencher a área total da região tingido.
      Nota: A introdução de mais marcador virtual vai fazer com que a simulação para executar mais lentamente. Os melhores resultados visuais irão variar com o desempenho do computador.
    6. Depois de todos os marcadores virtuais foram colocados, você pode clicar no botão Avançar para a próxima vez, que irá iniciar a simulação e depois pará-lo na primeira vez, ou você pode clicar no botão go / paragem para iniciar a simulção indefinidamente. Não re clique com o botão de configuração, ou os marcadores terá que ser colocado novamente.
      Observação: Uma vez que a simulação começa a funcionar, a velocidade é calculada para a localização de cada marcador com base em parâmetros de simulação nas Equações 4 e 5. Os traçadores se move de acordo com o campo de velocidade para 100 segundos simulados e em seguida a velocidade com a nova localização é calculada e o procedimento é repetido até que o marcador deixa o sistema.
    7. Opcionalmente, clique no botão / stop go repetidamente para pausar / continuar a simulação. Comparar as distribuições de corante simulados e medidos em diferentes pontos no tempo.
  2. Executar Simulação 2: Interface.
    1. Abra o script intitulado Interface.
      Figura 3
      Figura 3. Interface. Isso mostra 370 marcadores fluem através do subsolo utilizando a simulação interface. O pa tracerths mostrar onde cada marcador tem sido desde que foi iniciado na interface da superfície da água-subsuperfície. Eventualmente, todos os caminhos de fluxo deve retornar para a superfície da água. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
      Nota: Este script apresenta marcadores virtuais na superfície leito de uma maneira fluxo ponderada com base em velocidades de subsuperfície calculados. Isso fornece uma representação visual das quantidades relativas de água que fluem em (e fora) do leito do rio em diferentes locais.
    2. Comece clicando configuração seguido de go / stop.
      Nota: Isto irá executar a simulação com as configurações padrão. O interruptor de re-drop? É definido inicialmente para fora, de modo a distribuição do tempo de residência cumulativa serão plotados como o tempo passa.
    3. Depois de observar a simulação com os parâmetros padrão, clique em ir / parar para interromper a simulação.
    4. configuração seguido de go / stop.
      Nota: Isso irá reiniciar a simulação com os parâmetros que foram selecionados.

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Representative Results

O uso de uma simulação em conjunto com experimentos permite que os alunos a observar as semelhanças e diferenças entre modelos matemáticos idealizadas e sistemas reais mais complexos. A Figura 4 mostra um exemplo comparando fotografias de injeção de corantes com simulações Mousedrop. A fotografia inicial é usado para determinar a colocação do traçador corante simulado no tempo zero, e, em seguida, a simulação é executado por 34,2 min e em comparação com uma fotografia tirada nesse momento. Em geral, o modelo de realiza um excelente trabalho de capturar o movimento da água tingida ao longo deste intervalo de tempo. A primeira gota de corante, localizado no lado de sotavento do bedform, sai dos sedimentos em ambos os sistemas simulados e experimentais. Os segundo e se alonga para baixo formando viaja uma forma crescente, uma vez que se espalha para fora, de modo que alguns do traçador sai a jusante do local de origem e alguns a montante. A última gota de corante propaga a montante e parte do traçador viaja mais profundo nos sedimentos. Isso demonstra que a troca ocorre sob bedforms hyporheic e que os padrões de fluxo cambial hyporheic relacionar com bedform geometria. A forte acordo entre a simulação eo experimento valida as equações modelo para um nível de primeira ordem. Este procedimento também demonstra claramente que a troca hyporheic é um processo importante que escala com o tamanho bedform, e que quase a metade da água intersticial flui a montante sob bedforms. Na inspeção próxima, no entanto, pequenas diferenças podem ser vistas entre o transporte observadas e simuladas corante. A simulação é mais suave do que o padrão real de corante e não se estende tão profundamente no sedimento. Estas discrepâncias resultar de uma combinação de erros de medida e os efeitos físicos de segunda ordem resultantes da geometria irregular bedform, variabilidade na embalagem de sedimentos, etc, como descrito na Tabela 2.

4 "src =" / files / ftp_upload / 53285 / 53285fig4.jpg "/>
Figura 4. Comparação de frentes de corante caleira para simulações. Tintura foi injectado na calha e uma imagem foi tirada no tempo 0. As traçadores foram colocados no subsolo usando Mousedrop aos mesmos locais que o corante. Tracers então se mudou para 34,2 minutos de simulação e simulação é então comparado com uma foto tirada 34,2 min após o quadro inicial. Os padrões de corante observados e as simulações comparam bem, no momento mais tarde. Há algumas discrepâncias devido a variações espaciais do campo de fluxo que não são capturados pelo modelo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Fontes comuns de Discrepâncias resultado esperado
Cabeça real perfil diffERS da curva sinusoidal assumido Assimetria no fluxo de água intersticial sob a bedform
Série irregular de bedforms Desvios potencial no flowfield no local de observação
Profundidade do leito de sedimento insuficiente Compressão vertical do perfil de água intersticial
Não uniforme (isto é, variáveis ​​no tempo) fluir sobre a cama Componentes de cabeça de elevação adicionais que se sobrepõem um componente adicional do fluxo de água intersticial (por exemplo, o aumento da assimetria da célula de circulação da água intersticial sob bedform).
Heterogeneidade na embalagem dos sedimentos Variabilidade espacial do fluxo de água intersticial (manchas de sedimentos com maior e menor velocidade)
Interrupção significativa de sedimentos, quando a injeção de tinta Liberação Dye verticalmente through, o orifio de injeco
O uso de um corante não-solúvel em água, ou dissolução insuficiente ou mistura de corante antes da injecção Pooling de corante na água intersticial, transporte água intersticial não-uniforme ou mobilização lenta do corante a partir de locais de injeção.
Medições imprecisas (freqüentemente devido a unidades) Isto pode resultar em resultados errados drasticamente
Presumida falta de dispersão em simulação Algumas formas de expansão é de corante

Tabela 2. Fontes de discrepância entre Observação e Simulação. Uma lista das fontes comuns de erro é enumerado nesta tabela.

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Discussion

Em conjunto, os de demonstração e de rastreamento de partículas simulações flume fornecer uma introdução abrangente para o fluxo hyporheic para uma variedade de audiências. Os participantes de todos os níveis são fornecidos evidência visual para a ocorrência de troca hyporheic induzida por bedforms, ea forte variabilidade nos caminhos de fluxo de subsuperfície sob bedforms. Estes procedimentos podem ser usados ​​como uma simples demonstração de fluxo de água intersticial para alunos de graduação ou K-12 alunos, ou ele pode ser usado em cursos de pós-graduação em conjunto com uma apresentação mais aprofundada de hidráulica fluvial, transporte de sedimentos, e os mecânicos de câmbio hyporheic . Independentemente do nível, o uso deste modelo de visualização simples como tecnologia interativa permite que os alunos para formar uma compreensão mais profunda desses fenômenos complexos e importantes do que seria alcançado através de teoria abstrata e discussão.

Embora a utilização destes métodos, as diferenças entre o sistema físico eo simulatiem não deve ser visto como "erros", mas sim como um "momento de aprendizado", ou seja, o ponto de partida para uma discussão que acabará por conduzir a uma maior aprendizagem. Os alunos devem ser levados a considerar uma série de questões, incluindo: Quais são todas as fontes de erro (no modelo, as medições, eo procedimento laboratorial)? Qual destas poderiam potencialmente contribuir para a discrepância entre simulações e observações? O hipóteses simplificadoras foram feitas para a formulação do modelo? Quão importante são pequenas discrepâncias, e eles fazem o modelo de "errado"? À medida que o estatístico George Box disse a famosa frase: "Essencialmente, todos os modelos estão errados, mas alguns são úteis". 34 Um modelo científico boa captura certas características essenciais de um sistema, levando a uma melhor compreensão, enquanto negligencia detalhes que são menos relevantes para o assunto em questão. Este experimento de laboratório calha e Simulação de acompanhamenton proporcionar um excelente estudo de caso para estudantes em compreender os pontos fortes e fracos de um modelo e de um método experimental. Assim, não só os estudantes ganham uma maior fluência com os conceitos fundamentais de câmbio hyporheic e transporte de solutos, mas eles aprenderam sobre a relação de complementaridade (e da interação, por vezes complexo) entre a construção de teoria e coleta de dados, entre modelagem por computador e experimentação laboratorial. Além disso, este acoplamento de laboratório e simulação promove o desenvolvimento de importantes competências metacognitivas 35 sobre como o conhecimento é adquirido através do processo de investigação científica, através de questionar o que sabemos e como nós a conhecemos. Um crescente corpo de pesquisa atesta a eficácia do ensino metacognitivo (aka de ordem superior pensando) habilidades 36-38.

Existem várias causas para desvios entre trajetórias tracer observados e simulados. O movimento lateral excessivo daagulha durante a injecção vai criar um caminho de fluxo preferencial na areia, permitindo corante de escapar directamente na coluna de água. Nossos equações de velocidade não incluem a dispersão lateral ou longitudinal. Em uma caleira, a geometria assimétrica bedform é mais do que o sinusóide idealizada definido nas simulações. Sedimentos não forem completamente homogéneos; variações em tamanhos de embalagem e de sedimentos irá afetar a condutividade hidráulica local e porosidade. Embora seja possível para minimizar a migração bedform através da redução da velocidade da bomba caleira antes de fazer injecções de corantes, alguns migração ainda pode ocorrer. Migração Bedform altera a posição da crista bedform em relação ao corante injectado, desse modo alterando a hidrodinâmica do subsolo. Flowpaths experimentais, portanto, sempre diferem das simulações, mas o padrão geral de movimento marcador não deve mudar. Sob as condições experimentais utilizadas aqui, existe uma forte concordância entre os resultados do modelo e o fluxo de corante observados. Additio complexidades Nal, tais como a heterogeneidade do sedimento, fractal topografia bedform, descarga de águas subterrâneas, três topografia dimensional, fluxo de cross-channel, e as variações temporais na vazão ocorrem em muitos sistemas naturais. Os métodos descritos aqui tracer corante pode ser usado para explorar os efeitos desses processos através da modificação adequada da configuração da experiência calha. Esta abordagem pode ser usada para a investigação, bem como fins de ensino, como visualização de fluxo é comumente usado para testar hipóteses sobre os processos de governo, e também pode ser usado para calcular os fluxos de materiais e balanços de massa, por exemplo, fluxos de troca hyporheic entre o fluxo e cama de sedimento 21. Métodos Dye tracer semelhantes aos descritos aqui têm sido usados ​​para determinar os efeitos da morfologia leito, a heterogeneidade do sedimento, descarga de águas subterrâneas, e recarregar em troca hyporheic, assim como para avaliar os processos relacionados, como água intersticial fluxos induzidos por ondas de 39-42.

conteúdo "> Enquanto o modelo de fluxo simples usado aqui demonstrado uma reprodução razoavelmente fiel do fluxo hyporheic em condições de laboratório cuidadosamente controladas, o seu uso em modelagem de sistemas naturais complexos é limitada. Nossos roteiros foram escritos na linguagem de programação NetLogo aqui principalmente como uma ferramenta de ensino porque ele fornece uma plataforma de simulação baseada em agentes simples, livre e de código aberto, e porque ele suporta excelentes visualizações e manipulação de usuário fácil de parâmetros de entrada, que facilitam a aprendizagem. Outras abordagens têm sido desenvolvidos para simular troca hyporheic com geometria sistema mais complexo 14 , 20 e sedimentos estrutura 43,44. Uma variedade de ferramentas de free / open-source (por exemplo, MODFLOW) e pacotes de software comercial (por exemplo, COMSOL) usar diferenças finitas e métodos de elementos finitos que podem ser úteis na modelagem de fluxo hyporheic sob mais complexo geometrias e com subsuperfície heterogeneidade 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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