Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

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

Scambio advective tra lo spazio dei pori dei sedimenti e la colonna d'acqua sovrastante, denominato scambio iporreico in ambienti fluviali, guida trasporto dei soluti in fiumi e molti importanti processi biogeochimici. Per migliorare la comprensione di questi processi attraverso dimostrazione visiva, abbiamo creato una simulazione del flusso iporreico nel multi-agente piattaforma di modellazione informatica NetLogo. La simulazione mostra tracciante virtuale fluisce attraverso streambed coperto con bedforms bidimensionali. Sedimenti, di flusso, e bedform caratteristiche vengono utilizzate come variabili di input per il modello. Illustriamo come queste simulazioni corrispondono osservazioni sperimentali da esperimenti flume laboratorio sulla base di parametri di input misurati. Colorante viene iniettato nei sedimenti flume per visualizzare il flusso porewater. Per confronto particelle traccianti virtuali sono collocati nelle stesse posizioni nella simulazione. Questo esperimento di simulazione e di laboratorio accoppiato è stato utilizzato con successo in laurea e gradualaboratori te di visualizzare direttamente le interazioni fiume porewater e mostrano come le simulazioni di flusso basati fisicamente in grado di riprodurre fenomeni ambientali. Gli studenti hanno preso fotografie del letto attraverso le pareti a circolazione d'acqua trasparenti e li hanno confrontati a forme del colorante alla stessa ora nella simulazione. Ciò ha provocato le tendenze molto simili, che ha permesso agli studenti di comprendere meglio sia i modelli di flusso e il modello matematico. Le simulazioni consentono anche all'utente di visualizzare rapidamente l'impatto di ogni parametro di ingresso eseguendo simulazioni multiple. Questo processo può essere utilizzato anche in applicazioni di ricerca per illustrare processi di base, in relazione flussi di interfaccia e di trasporto porewater, e supportare la modellazione basata su processo quantitativo.

Introduction

Come acque superficiali si muove in un torrente, fiume o zona di marea crea sfumature di testa che guidano l'acqua dentro e fuori dei sedimenti 1. Nei sistemi fluviali porzione dei sedimenti alveo in cui si verifica questo scambio è nota come zona di 2,3 iporreico. Questa zona è importante perché molte sostanze nutritive e inquinanti sono memorizzati, depositati, o trasformati all'interno della zona iporreico 4-9. La quantità di tempo trascorre un tracciante nel sedimento è chiamato un tempo di permanenza. Entrambi i tempi di permanenza e le posizioni dei percorsi di flusso influenzano i processi di trasformazione. È necessaria una migliore comprensione dei processi che interessano il flusso attraverso il sedimento di prevedere il trasporto soluto in fiumi e affrontare grandi problemi ambientali derivanti dalla propagazione di materiali come nutrienti (ad esempio, ipossia costiera 10,11). Nonostante l'importanza dello scambio iporreico, spesso non è descritta nei corsi di laurea in idrologia,meccanica dei fluidi, idraulica, ecc educatori che desiderano aggiungere scambio iporreico ai loro corsi potrebbero trovare utile avere visualizzazioni sperimentali e numerici che mostrano chiaramente questo processo.

Sinuosità flusso di canale, livelli delle acque sotterranee circostanti, e la topografia alveo (cioè, bar, bedforms e tumuli biogene) tutti influenzano scambio iporreico a vari livelli 12-17. Questo studio si è concentrato su bedforms, come le dune e increspature, che di solito sono le caratteristiche geomorfologiche chiave che influenzano il flusso iporreico 14,15. Abbiamo creato un esperimento di simulazione numerica e di laboratorio di visualizzare il flusso attraverso una serie regolare di bedforms. Questa simulazione si basa su un corpo di precedenti ricerche relative percorsi di flusso iporreico caratteristiche del sistema per facilmente osservabili 15,18-21. Dato che questa ricerca costituisce la base scientifica per la simulazione, un breve riassunto degli aspetti fondamentali della teoria segue. Bedform topografia, T (x),è dato da:

Equazione 1:
Equazione 1

dove H è due volte l'ampiezza del bedform, k è il numero d'onda, ed x è la dimensione longitudinale parallelo alla superficie media alveo. Un esempio di questo bedform topografia è mostrato in Figura 1.

Figura 1
Figura 1. definizioni e le impostazioni dei parametri controllati dall'utente. In interfaccia, particelle traccianti vengono rilasciati in modo flusso ponderato al / all'interfaccia sedimento acqua e monitorati attraverso il sedimento. Se show-sentieri? È "On" il marchio traccianti d'acqua dove sono stati, mostrando i loro percorsi. Quando un tracciante torna in acque di superficie, questo cambia tegli numero totale dei traccianti nel sistema, quando ri-drop? è impostata su "off". La trama distribuzione del tempo di residenza progressivo registra questa modifica tracciando il rapporto del numero di rivelatori rimanenti nel letto sedimenti al numero iniziale in funzione del tempo. Se ri-drop? È "on" allora traccianti che lasciano il sistema vengono sostituiti nello stesso modo di flusso ponderato particelle originali, e la trama cumulativo non è attivato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Nome Parametro Unità Definizione Interfaccia Mousedrop
Lambda (λ) cm Lunghezza d'onda di bedform (vedi Figura 1) </ td> segno di spuntasegno di spunta
BedformHeight (H) cm Due volte l'ampiezza bedform (vedi Figura 1) segno di spuntasegno di spunta
BedDepth (D) cm Profondità dei sedimenti (vedi Figura 1) segno di spuntasegno di spunta
HydrCond (K) cm / s Conducibilità idraulica segno di spuntasegno di spunta
Porosità (θ) Porosità segno di spuntasegno di spunta
ChannelVelocity (U) cm / s Velocità media in acque di superficie o il canale segno di spuntasegno di spunta
Profondità (d) cm La profondità dell'acqua (vedi Figura 1) segno di spuntasegno di spunta
Pendenza (S) Pendenza dei bedforms e la superficie dell'acqua segno di spunta
NumParticles Il numero di particelle rilasciate nel sistema. segno di spunta
Timex (Tempo1, Time2 ..) min Momento in cui si verifica ogni cambio di colore segno di spunta
Pulsanti di simulazione Definizione Interfaccia Mousedrop
Impostare Impostare di la simulazione con parametri che figurano segno di spuntasegno di spunta
go / stop Avvia e arresta la simulazione segno di spuntasegno di spunta
Passo Cliccando passaggio causa unico passaggio per passare. Questo permette agli utenti di rallentare il codice e vedere esattamente ciò che accade in 100 sec. segno di spunta
percorsi chiari Cancella tutti lui i percorsi di particelle blu dallo schermo segno di spuntasegno di spunta
Anticipo per la prossima volta Questo fa sì che il programma da eseguire fino al successivo cambio di colore (Timex)segno di spunta
Mouse-drop Questo tasto deve essere cliccato prima le particelle possono essere immessi nel sottosuolo cliccando su posizioni nel sottosuolo. segno di spunta
show-percorsi? Se show-percorsi? è "on" le particelle di acqua lasciano una scia di blu mostrando dove sono stati (vedi Figura 1). segno di spuntasegno di spunta
ri-goccia? Se ri-drop? è "on" le particelle sono sostituite in modo ponderato di flusso per ogni particella, che esce il sistema, e la trama cumulativo non funziona. Quando un particle esce dalla zona iporreica il numero di particelle nel sistema diminuisce se re-goccia? è "off" (vedi Figura 1). segno di spunta

Tabella 1. Parametri iporreica e Simulazione controlli. Ogni parametro, pulsante, e di scorrimento che possono essere regolate dall'utente è dato in questa tabella con una definizione.

In questa simulazione, due processi inducono velocità del fluido nel letto di sabbia. Il primo è dovuto alle interazioni del flusso di corrente con bedforms. La testa di velocità all'interfaccia acqua / sedimenti indotta dal bedforms è anche approssimativamente sinusoidale, e spostata di un quarto d'onda dal bedform sé 22. L'ampiezza della funzione testa velocità all'interfaccia superficie sottosuolo è approssimata alle misurazioni di 16:

ge = "always"> Equazione 2:
Equazione 2

dove U è la velocità dell'acqua superficiale media, g è la costante gravitazionale, e d è la profondità dell'acqua (Figura 1). La funzione di testa di velocità è quindi dato da:

Equazione 3:
Equazione 3

Questa funzione testa può quindi essere utilizzato per calcolare la componente basato bedform-delle funzioni di velocità sottosuolo risolvendo l'equazione di Laplace con un letto di sabbia profondità costante 20. Il secondo componente della velocità porewater è determinato dalla pendenza del sistema, S, che corrisponde ad un gradiente testa gravitazionale che rese scorrono verso valle proporzionales / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Le funzioni finali per velocità porewater sono.:

Equazione 4:
Equazione 4

Equazione 5:
Equazione 5

dove u è la componente della velocità longitudinale v è la componente di velocità verticale, K è la conducibilità idraulica media del sedimento, è la porosità media dei sedimenti, y è la coordinata verticale, e D è la profondità dei sedimenti.

Simulazioni di monitoraggio di particelle sono state create, che utilizzano il linguaggio di modellazione NetLogo e piattaforma di simulazione 23. I due implementazioni (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usano queste equazioni per modellare hypflusso orheic con lo stesso nucleo simulazione. La differenza principale è le posizioni iniziali delle particelle traccianti. Mousedrop permette all'utente di posizionare tracciante simulato ovunque all'interno del sottosuolo. Equazioni di velocità Subsurface 4 e 5 sono utilizzati per spostare il tracciante per simulare esperimenti di iniezione di tintura. In Interface, tracciante viene sempre collocato lungo il contorno della superficie / sottosuolo in un modo flusso ponderato. Questo imita la consegna di materiale dissolto e in sospensione dalle acque di superficie nel porewater, che è cruciale per comprendere lo scambio iporreico. Il tracciante poi si sposta all'interno del sottosuolo fino a raggiungere di nuovo l'acqua corrente. Tracciare i percorsi colorante nel canale e simulazione dei percorsi utilizzando NetLogo produce le linee di corrente del campo di portata, purché le condizioni di flusso e bedform morfologia rimangono costanti durante il periodo di osservazione. Interface.nlogo crea una distribuzione cumulativa tempo di residenza, che mostra la rapporto tra il numero diparticelle traccianti rimanenti nei sedimenti al numero iniziale di particelle traccianti poste al tempo 0 in funzione del tempo.

Come discusso in un recente sondaggio della letteratura 24, rimane considerevole dibattito all'interno della comunità di ricerca educativa sui meriti relativi di hands-on esperimenti di laboratorio contro laboratori simulati e modelli di computer. Da un lato, alcuni ritengono che "esperienza pratica è al centro di apprendimento" 25, e la cautela che gli argomenti risparmi possono essere alimentando la sostituzione di hands-on attività di laboratorio di simulazioni basate su computer, a scapito di studente comprensione 26. D'altra parte, alcuni ricercatori di didattica delle scienze / ingegneria sostengono che le simulazioni sono almeno altrettanto efficace quanto tradizionali laboratori pratici 27, o discutono i vantaggi della simulazione al computer nel favorire centrato sullo studente "apprendimento per scoperta" 28. Anche se il consenso non è stato ridoleva, molti ricercatori hanno concluso che, idealmente, simulazioni al computer dovrebbero integrare, piuttosto che sostituire, le mani su esperimenti di laboratorio 29,30. Ci sono state anche le iniziative nell'ambito della scienza e istruzione tecnica simultaneamente paio sperimentazione fisica e del mondo reale di rilevamento con simulazioni al computer dei fenomeni; vedi, ad esempio, "Modellazione bifocali" 31.

Studenti possono acquisire una conoscenza concettuale profonda e una migliore comprensione del processo di ricerca scientifica interagendo sia con un sistema fisico, e una simulazione computerizzata di tale sistema. Questa procedura implica avere studenti di eseguire un esperimento di trasporto dei soluti che dimostra il flusso di scambio iporreica gravitazionale ed bedform indotta, e abbinare la propria impostazione e risultati sperimentali con una simulazione al computer degli stessi fenomeni. Questo confronto facilita importanti risultati-apprendimento degli studenti, e una discussione più approfondita di tegli metodo scientifico, e l'interazione tra il modello / la teoria-costruzione e validazione empirica attraverso la raccolta dei dati. Dopo l'esecuzione di questo confronto, gli studenti possono inoltre usufruire dei vantaggi di simulazione su computer per esplorare rapidamente un gran numero di scenari alternativi, cambiando i parametri del modello.

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Protocol

1. software di simulazione

  1. Utilizzare il software descritto in questa sezione.
    1. Scaricare e installare il multi-agente open-source linguaggio libero / modellazione e piattaforma di simulazione, NetLogo (Disponibile: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versione 5.1 o successiva).
      Nota: Questo software è disponibile a costo zero e funziona su tutti i principali sistemi operativi (Windows / Mac / Linux).
    2. Scaricare i due file specifici di script simulazione (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) che accompagnano questa procedura di laboratorio. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      Nota: Una volta che la piattaforma di simulazione è installato e questi file sono stati scaricati, facendo doppio clic su questi file si apre automaticamente tegli simulazioni fino, pronto per essere eseguito.

2. Flume Dimostrazione

  1. Impostare il canale artificiale in laboratorio in modo che tutti i parametri (Tabella 1) rientrano nei limiti della gamma di parametri di simulazione mousedrop.
    Nota: I vincoli possono essere regolati in mousedrop, se richiesto per il sistema fisico modificando i cursori.
    1. Versare uno strato di circa 15-25 cm di sabbia nel canale artificiale. Misurare e registrare la conduttività idraulica e porosità della sabbia seguenti metodi standard 32,33.
    2. Riempire il canale artificiale con circa 20-30 cm di acqua.
    3. Avviare il canale e aumentare la portata ad un livello che è abbastanza veloce per spostare granelli di sabbia e quindi creare bedforms.
      Nota: La portata può essere ulteriormente regolata per raffinare caratteristiche bedform con la pratica. Dimensioni Bedform sono il risultato di portata, la profondità dell'acqua e le proprietà di sabbia.
    4. Consentire bedforms per sviluppare foR 12-24 ore per formare duna naturale / morfologia ondulazione. Per accelerare questo processo, manualmente forma dune regolari, e quindi consentire il trasporto di sedimenti per 4-12 ore. In alternativa, formare manualmente regolari dune triangolari.
      Nota: Dune triangolari regolari produrranno schemi regolari di scambio iporreica, ma non mostrare la maggior complessità duna naturale / bedforms increspatura.
    5. Una volta che i bedforms desiderati siano raggiunti, ridurre la portata d'acqua fino a letto sedimenti rallenta di trasporto e le caratteristiche bedform smettere di cambiare.
      1. Osservare visivamente il movimento di granelli di sedimento che comprende il letto, e ridurre il flusso fino a quando il movimento cessa.
        Nota: Ciò manterrà la morfologia letto per la durata dell'esperimento.
      2. Per confermare che lento, movimento episodica non è in corso, posizioni dei contrassegni o fotografia bedform e poi osservare in un secondo momento.
        Nota: È importante solo che bedforms non si muovono in maniera significativa nell'intervallo di tempo dell'esperimento, in modo che fornisceun tempo di osservazione sufficiente per confermare che bedforms sono stabili.
    6. Regolare pista canale artificiale e / o la profondità d'acqua per ottenere un flusso uniforme sotto la portata ridotta.
      1. Controllo pendenza del canale attraverso apparecchiature costruito nel canale artificiale, di solito uno spinotto di motore o una manovella. Regolare la profondità dell'acqua aggiungendo o rimuovendo l'acqua dal canale artificiale.
        Nota: Nella configurazione sperimentale usata qui, l'intero canale artificiale è montato su un perno sulla estremità a valle, e la pendenza è impostato da un martinetto motorizzato all'estremità a monte.
      2. Mentre la pompa è in funzione, selezionare due sedi longitudinali segnati con linee perpendicolari al fondo della canaletta. A queste posizioni, usare un righello per misurare la distanza lungo queste linee perpendicolari, tra la superficie dell'acqua e la parte inferiore del canale artificiale.
        Nota: A seconda della configurazione canala, il fondo della canaletta può servire come linea di riferimento più inclinato rispetto al fondo della canaletta. Selezione di un lardistanza longitudinale ger produrrà una maggiore precisione.
      3. Regolare la pendenza del canale e / o la profondità dell'acqua e rimisurare finché le misure di distanza verticali sono uguali per ottenere un flusso uniforme. Misurare la distanza orizzontale inclinato lungo il fondo della canaletta tra queste due posizioni longitudinali.
    7. Fermare la pompa e aspettare che l'acqua di smettere di muoversi; questo fornirà una superficie piana. Re-misurare la distanza tra la parte superiore del canale e la superficie dell'acqua in ogni posizione longitudinale.
      Nota: La pendenza canale è uguale alla differenza tra queste misurazioni, divisa per la distanza orizzontale tra loro inclinate.
    8. Riavviare la pompa.
    9. Selezionare una sezione di prova, che dovrebbe essere un luogo vicino alla fine metà o a valle del canale artificiale dove le dune hanno formato uno schema regolare. Assicurarsi che questa sezione comprende almeno una bedform pieno.
    10. Misurare e registrare la profondità dei sedimenti media (D) in thsezione di prova e con qualsiasi escogitare misura mano (trasparenti righelli sono l'ideale). Per semplicità, utilizzare la distanza media di una cresta e di valle in fondo canale artificiale.
    11. Misurare e registrare l'altezza bedform media nella sezione di prova, definito come la differenza tra la profondità sedimento una cresta e la profondità sedimenti in un trogolo con un righello. Misura diversi bedforms per ottenere una buona stima della media.
    12. Anche in questo caso utilizzando il righello, misura e registra la profondità media d'acqua (d) nella sezione di prova, definito come la distanza media dalla superficie dell'acqua al letto di sabbia. Anche in questo caso, utilizzare la profondità media acqua a creste dunali e bassi per la semplicità.
    13. Registrare la portata del canale (Q) dal flussometro, e calcolare la velocità media come Q / (d * w), dove w è la larghezza del canale e d è la profondità dell'acqua.
      Nota: La nostra flussometro viene inserito nel circuito di ricircolo della canaletta.
    14. Misurae registrare la lunghezza d'onda media bedform nella sezione di prova. Tipicamente, misurare la lunghezza d'onda come la distanza tra le creste dunali successive.
    15. Aprire la simulazione Mousedrop (nella piattaforma NetLogo) e controllare che tutte le misurazioni sono entro gli intervalli variabili specificate nell'interfaccia utente simulazione. Se un parametro misurato non rientra nel campo di vincolo, regolare la gamma di parametri di simulazione facendo clic destro sul parametro "slider", selezionando "Modifica", e regolando i valori min / max.
  2. Visualizza scambio iporreico.
    1. Impostare la fotocamera in una posizione fissa (preferibilmente su un treppiede) indicate ortogonalmente alla parete canale artificiale con un unico bedform nella sezione di prova al centro del quadro.
      Nota: Questo permetterà di evitare problemi di prospettiva obliqua.
    2. Scattare una foto di prova per verificare le condizioni. Regolare l'illuminazione se i riflessi sono un problema.
    3. Usando la siringa e l'ago, fare 2-3 piccolo colorante injections vicino alla parete canale artificiale. Assicurarsi che queste iniezioni formano ~ bollini circolari 2 cm di porewater colorate in una varietà di posizioni verticali e orizzontali. Fare attenzione per ridurre al minimo il disturbo per il letto di sabbia durante l'iniezione.
      Nota: Iniezioni di piccoli volumi di tintura permettono all'utente vedere più dettagli e visualizzare i percorsi del flusso individuali.
    4. Registrare l'ora di inizio delle iniezioni di colorante e prendere una immagine iniziale.
      Opzionale: Può essere educativo rintracciare i fronti tintura iniziali con i marcatori su carta trasparente, in modo che il movimento colorante è facilmente osservabile in laboratorio, ma questi contorni anche bloccare piccole porzioni di fronti colorante in immagini, per cui vi è un trade- off.
    5. Cattura le posizioni colorante anteriori a intervalli di tempo adeguati. Per lasso di tempo fotografia, utilizzare intervalli di 30 secondi per dare i risultati regolari.

3. Simulazione

  1. Esegui Simulazione 1: Mousedrop e confrontarlo con il trasporto tintura osservato.
    1. Aprire lo script di simulazione denominato Mousedrop.nlogo.
      Figura 3
      Figura 2. Mousedrop. Questo mostra dove traccianti sono a 7 diverse istanze nel tempo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
    2. Regolare i parametri di sistema fisiche indicate nella Tabella 1 in base alle condizioni sperimentali flume (in particolare: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, di porosità, ChannelVelocity, profondità, e Slope). Assicurati di prestare particolare attenzione alle unità per i parametri di input.
    3. Regolare i cursori time1, TIME2, ecc per indicare tempi in cui il colore di simulazione di monitoraggio cambierà. Impostare questi cambiamenti di colore per abbinare tempi di osservazione, al fine di facilitare il confronto dei risultati della simulazione con le osservazioni.
      Nota: Se i parametri di tempo sono tutti impostati a 0, la simulazione mostrerà un singolo colore in tutto.
    4. Dopo che tutti i parametri sono impostati, fare clic sul pulsante di impostazione.
      Nota: Il bedform dovrebbe apparire nella visualizzazione simulazione.
    5. Fare clic sul pulsante del mouse-drop per indicare la posizione di partenza di traccianti virtuali. Si noti che più posizioni nel letto può essere cliccato. Tenere il mouse verso il basso per rilasciare tracciante più virtuale. Durante la simulazione movimento tintura, utilizzare il mouse per tracciare o fronti colorante (il confine intorno il colorante) o compilate il pieno area della regione tinto.
      Nota: L'introduzione di più tracciante virtuale farà sì che la simulazione di eseguire più lentamente. I migliori risultati visivi varieranno con le prestazioni del computer.
    6. Una volta che tutti i traccianti virtuali sono state collocate, è possibile fare clic sul pulsante di avanzamento per la prossima volta, che inizierà la simulazione e poi fermarlo a la prima volta oppure è possibile fare clic sul pulsante Vai / stop per iniziare la simulzione a tempo indeterminato. Non riutilizzare fare clic sul pulsante di impostazione, o dei rivelatori dovranno essere immessi di nuovo.
      Nota: Una volta che la simulazione inizia a funzionare, la velocità viene calcolata per la posizione di ciascun tracciante basato su parametri di simulazione nelle equazioni 4 e 5. I traccianti si muove secondo il campo di velocità per 100 secondi simulate e poi la velocità nella nuova posizione viene calcolata e la procedura viene ripetuta finché il tracciante lascia il sistema.
    7. Facoltativamente, fare clic sul pulsante / stop andare più volte per mettere in pausa / continuare la simulazione. Confrontare le distribuzioni tintura simulati e misurati in diversi punti nel tempo.
  2. Simulazione Run 2: Interfaccia.
    1. Aprire lo script dal titolo Interface.
      Figura 3
      Figura 3. Interfaccia. Questo dimostra 370 traccianti che attraversano il sottosuolo tramite la simulazione di interfaccia. Il pa traccianteTHS mostrano dove ogni tracciante è stato da quando è stato avviato a livello di interfaccia superficie dell'acqua-sottosuolo. Alla fine tutti i percorsi di flusso dovrebbero tornare in acque di superficie. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
      Nota: Questo script introduce traccianti virtuali sulla superficie alveo in modo flusso ponderato in base a velocità sottosuolo calcolati. Ciò fornisce una rappresentazione visiva delle relative quantità di acqua che scorre in (e fuori) alveo in luoghi diversi.
    2. Iniziate cliccando impostazione seguita da go / stop.
      Nota: Questo farà eseguire la simulazione con le impostazioni predefinite. Lo switch re-goccia? È inizialmente impostato su off, quindi la distribuzione cumulativa tempo di permanenza verrà tracciata col passare del tempo.
    3. Dopo aver osservato la simulazione con i parametri di default, fare clic su go / stop per interrompere la simulazione.
    4. configurazione seguita da go / stop.
      Nota: Questa operazione riavvierà la simulazione con i parametri che sono stati selezionati.

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Representative Results

L'uso di una simulazione, in combinato disposto con gli esperimenti permette agli studenti di osservare le somiglianze e le differenze tra i modelli matematici idealizzati e sistemi reali complessi. Figura 4 mostra un esempio confrontando colorante fotografie di iniezione con simulazioni Mousedrop. La fotografia iniziale viene utilizzato per determinare la posizione del colorante tracciante simulato al tempo zero, e quindi la simulazione viene eseguita per 34,2 min e confrontato con una fotografia scattata in quel momento. Complessivamente il modello fa un ottimo lavoro di catturare il movimento dell'acqua tinto su questo intervallo di tempo. Il primo blob tintura, che si trova sul lato sottovento del bedform, esce i sedimenti in entrambi i sistemi simulati e sperimentali. Il secondo allunga e viaggia verso il basso formando una forma di mezzaluna come si diffonde fuori, in modo che una parte del tracciante esce valle della posizione originale e alcuni upstream. Il blob ultima tintura propaga a monte ed alcuni del tracciante viaggia più profonda nei sedimenti. Ciò dimostra che lo scambio iporreico si verifica in bedforms e che i modelli di flusso di scambio iporreico riguardano bedform geometria. La forte accordo tra la simulazione e l'esperimento convalida equazioni del modello a un livello di primo ordine. Questa procedura dimostra inoltre chiaramente che lo scambio iporreico è un processo significativo che scala con dimensioni bedform, e che quasi la metà della porewater scorre a monte sotto bedforms. Su uno stretto controllo, tuttavia, piccole differenze si possono vedere tra il trasporto tintura osservato e simulato. La simulazione è più liscia l'andamento reale tintura e non si estende più profondamente nel sedimento. Queste discrepanze derivano da una combinazione di errori di misurazione e di secondo ordine effetti fisici derivanti dalla geometria bedform irregolare, la variabilità in imballaggio sedimenti, ecc, come descritto nella Tabella 2.

4 "src =" / files / ftp_upload / 53.285 / 53285fig4.jpg "/>
Figura 4. Confronto fronti flume colorante simulazioni. Dye è stato iniettato nel canale artificiale e una foto è stata scattata al momento 0. traccianti sono stati collocati nel sottosuolo utilizzando Mousedrop negli stessi luoghi come il colorante. Traccianti poi spostati per 34.2 minuti di simulazione e la simulazione è quindi confrontato con una foto scattata 34.2 minuti dopo l'immagine iniziale. I modelli tintura osservati e le simulazioni confrontano bene al momento. Ci sono alcune discrepanze dovute a variazioni spaziali nel campo di moto che non vengono catturati dal modello. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Fonti comuni di discrepanze Risultato atteso
Profilo testa effettiva differs da ipotizzato curva sinusoidale Asimmetria nel flusso porewater sotto la bedform
Serie irregolare di bedforms Potenziali deviazioni nella campo di portata nella posizione di osservazione
Sedimento insufficiente profondità del letto Compressione verticale del profilo porewater
Non uniforme (cioè, il tempo-variante) scorrere sopra il letto Ulteriori componenti testa di elevazione che si sovrappongono una componente aggiuntiva di flusso porewater (ad esempio, un aumento asimmetria della cellula circolazione porewater sotto il bedform.)
Eterogeneità in imballaggio sedimenti Variabilità spaziale del flusso porewater (macchie di sedimenti con velocità superiori e inferiori)
Brusca rottura dei sedimenti quando si inietta colorante Rilascio Dye verticalmente through il foro di iniezione
Uso di un colorante non solubile in acqua o di scioglimento insufficiente o miscelazione del colorante prima dell'iniezione Pooling di colorante in porewater, trasporti porewater non uniforme o lenta mobilitazione di tintura da posizioni di iniezione.
Misure inesatte (spesso a causa di unità) Ciò può portare a risultati drasticamente sbagliate
Assunta la mancanza di dispersione in simulazione Alcuni espansione è forme colorante

Tabella 2. Fonti di discrepanza tra l'osservazione e simulazione. Un elenco delle fonti comuni di errore viene enumerato in questa tabella.

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Discussion

In concomitanza, le simulazioni di dimostrazione e di monitoraggio delle particelle flume forniscono una completa introduzione al flusso iporreico per una gamma di pubblico. I partecipanti di tutti i livelli sono previste prove visive per il verificarsi di scambio iporreico indotta da bedforms, e la forte variabilità dei percorsi di flusso sotterraneo sotto bedforms. Queste procedure possono essere utilizzate come una semplice dimostrazione del flusso porewater per laureandi o K-12 studenti, oppure può essere utilizzato in corsi di laurea in concomitanza con una presentazione più approfondita di idraulica fluviale, trasporto dei sedimenti, e la meccanica di scambio iporreico . Indipendentemente dal livello, l'uso di questo modello semplice visualizzazione come tecnologia interattiva permette agli studenti di formare una comprensione di questi fenomeni complessi ed importanti profonda quella che sarebbe consentita attraverso la teoria astratta e discussione.

Durante l'utilizzo di questi metodi, le differenze tra il sistema fisico e il simulatisu non devono essere considerati come "errori", ma piuttosto come un "momento insegnabile", vale a dire, il punto di partenza per una discussione che alla fine porterà a un maggiore apprendimento. Gli studenti dovrebbero essere portati a prendere in considerazione una serie di domande, tra cui: Quali sono tutte le fonti di errore (nel modello, le misure, e la procedura di laboratorio)? Quale di questi potrebbe potenzialmente contribuire alla discrepanza tra le simulazioni e osservazioni? Quali ipotesi semplificatrici sono state fatte nella formulazione del modello? Quanto sono importanti le piccole discrepanze, e fanno a fare il modello "sbagliato"? Come lo statistico George Box famoso detto, "Essenzialmente, tutti i modelli sono sbagliati, ma alcuni sono utili." 34 Un buon modello scientifico cattura alcune caratteristiche essenziali di un sistema, determinando in tal modo una migliore comprensione, mentre trascura dettagli che sono meno rilevanti alla questione a portata di mano. Questo esperimento di laboratorio flume e simulatio accompagnamenton fornire un ottimo caso di studio per gli studenti nella comprensione sia i punti di forza e di debolezza di un modello e di un metodo sperimentale. Così, non solo gli studenti ad acquisire una maggiore fluidità con i concetti fondamentali di scambio iporreica e trasporto dei soluti, ma hanno imparato a conoscere il rapporto di complementarietà (e l'interazione a volte complesso) tra teoria-building e la raccolta dei dati, tra i modelli al computer e sperimentazione in laboratorio. Inoltre, questo accoppiamento di laboratorio e simulazioni favorisce lo sviluppo di importanti competenze metacognitive 35 su come la conoscenza si ottiene attraverso il processo di ricerca scientifica, attraverso in discussione ciò che sappiamo e come noi lo conosciamo. Un crescente corpo di ricerca testimonia l'efficacia dell'insegnamento metacognitiva (aka pensiero di ordine superiore) le competenze 36-38.

Ci sono numerose cause per scostamenti tra traiettorie traccianti osservati e simulati. Movimento laterale eccessivo deldell'ago durante l'iniezione creerà un percorso di flusso preferenziale nella sabbia, permettendo la fuoriuscita colorante direttamente nella colonna d'acqua. Le nostre equazioni di velocità non includono la dispersione laterale o longitudinale. In un canale artificiale, la geometria bedform è più asimmetrica rispetto alla sinusoide idealizzata definito nelle simulazioni. I sedimenti sono mai del tutto omogenei; le variazioni nelle dimensioni di imballaggio e di sedimenti interesserà la conducibilità idraulica locale e porosità. Anche se è meglio per ridurre al minimo la migrazione bedform riducendo la velocità della pompa canale artificiale prima di fare iniezioni di colorante, si può verificare ancora qualche migrazione. Migrazione Bedform altera la posizione del bedform crest relativa al colorante iniettato, cambiando così idrodinamica sottosuolo. Flowpaths sperimentali saranno quindi sempre diversi da simulazioni, ma lo schema generale di movimento tracciante non dovrebbero cambiare. Nelle condizioni sperimentali utilizzate qui, c'è un forte accordo tra le simulazioni del modello e il flusso di tintura osservato. Additio complessità nale, come l'eterogeneità dei sedimenti, frattale bedform topografia, scarico acque sotterranee, topografia tre dimensionale, il flusso di cross-channel, e variazioni temporali del flusso flusso si verificano in molti sistemi naturali. I metodi di tintura traccianti qui descritti possono essere utilizzati per esplorare gli effetti di questi processi attraverso adeguata modifica della configurazione dell'esperimento canale artificiale. Questo approccio può essere utilizzato per la ricerca e per scopi didattici, come visualizzazione di flusso è comunemente usato per testare ipotesi di governare processi, e può anche essere usato per calcolare i flussi di materiale e bilanci di massa, ad esempio flussi di scambio iporreico tra il flusso e letto sedimenti 21. Metodi Dye traccianti simili a quelli descritti sono stati utilizzati per determinare gli effetti della morfologia alveo, sedimento eterogeneità, scarico acque sotterranee, e ricaricare sullo scambio iporreica, nonché a valutare i processi correlati come porewater flussi indotta da onde 39-42.

content "> Mentre il modello di flusso semplice usato qui ha dimostrato una riproduzione abbastanza fedele del flusso iporreico in condizioni di laboratorio accuratamente controllate, il suo uso nella modellazione dei sistemi naturali complessi è limitato. sono state scritte nostri script nel linguaggio di programmazione NetLogo qui soprattutto come strumento di insegnamento, perché fornisce una piattaforma di simulazione agent-based semplice, gratuito e open-source, e perché supporta eccellenti visualizzazioni e facile manipolazione utente di parametri di input, che facilitano l'apprendimento. Altri approcci sono stati sviluppati per simulare scambio iporreico con più complessa geometria del sistema 14 , 20 e sedimenti struttura 43,44. Una varietà di strumenti free / open-source (ad esempio, MODFLOW) e pacchetti software commerciale (ad esempio, COMSOL) utilizzare differenze finite e metodi agli elementi finiti che possono essere utili nella modellazione di flusso iporreica sotto più complessa geometrie e con l'eterogeneità sottosuolo 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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