Visualización de Flujo hyporheic A través de formas de fondo Utilizando Experimentos Dye y Simulación
Summary
This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.
Abstract
Intercambio advectivo entre el espacio de los poros de los sedimentos y la columna de agua suprayacente, llamado intercambio hyporheic en entornos fluviales, impulsa el transporte de solutos en ríos y muchos procesos biogeoquímicos importantes. Para mejorar la comprensión de estos procesos a través de la demostración visual, hemos creado una simulación de flujo hyporheic en el multi-agente de la plataforma de modelado por computadora NetLogo. La simulación muestra trazador virtual que fluye a través de un lecho cubierto con bedforms bidimensionales. Sedimentos, de flujo, y bedform características se utilizan como variables de entrada para el modelo. Nos ilustran cómo estas simulaciones coinciden con las observaciones experimentales de experimentos canal de laboratorio basado en parámetros de entrada medidos. Se inyecta en los sedimentos del canal de descarga para visualizar el flujo de agua intersticial. Para la comparación partículas trazadoras virtuales se colocan en los mismos lugares en la simulación. Esta simulación y laboratorio de experimento junto ha sido utilizado con éxito en pregrado y gradualaboratorios del te para visualizar directamente las interacciones río-intersticial y mostrar cómo las simulaciones de flujo basados en la física pueden reproducir los fenómenos ambientales. Los estudiantes tomaron fotografías de la cama a través de las paredes flume transparentes y los compararon con las formas del colorante a la misma hora en la simulación. Esto dio lugar a tendencias muy similares, lo que permitió a los estudiantes a comprender mejor tanto los patrones de flujo y el modelo matemático. Las simulaciones también permiten al usuario visualizar rápidamente el impacto de cada parámetro de entrada mediante la ejecución de múltiples simulaciones. Este proceso también se puede utilizar en aplicaciones de investigación para ilustrar procesos básicos, se refieren flujos interfaciales y el transporte de poros, y apoyar el modelado cuantitativo basado en el proceso.
Introduction
Como agua superficial se mueve en una corriente, río o zona de mareas crea gradientes de cabeza que impulsan el agua dentro y fuera de los sedimentos 1. En los sistemas fluviales la porción de los sedimentos cauces donde se produce este intercambio se conoce como la zona de 2,3 hyporheic. Esta zona es importante porque muchos nutrientes y contaminantes se almacenan, depositados, o se transforman dentro de la zona hyporheic 4-9. La cantidad de tiempo que un trazador pasa en el sedimento se llama un tiempo de residencia. Ambos tiempos de residencia y las ubicaciones de las trayectorias de flujo afectan a los procesos de transformación. Es necesario mejorar la comprensión de los procesos que afectan el flujo a través de los sedimentos para predecir el transporte de solutos en los ríos y hacer frente a los problemas ambientales grandes resultantes de la propagación de materiales tales como nutrientes (por ejemplo, la hipoxia costera 10,11). A pesar de la importancia del intercambio hyporheic, a menudo no se describe en los cursos de pregrado en la hidrología,mecánica de fluidos, hidráulica, etc. Los educadores que deseen añadir intercambio hyporheic a sus cursos podrían encontrar útil tener visualizaciones experimentales y numéricas que muestran claramente este proceso.
Sinuosidad Corriente del canal, los niveles de agua subterránea de los alrededores, y la topografía del cauce (es decir, bares, bedforms y montículos biogénicas) afectan el intercambio hyporheic en diversos grados 12-17. Este estudio se centró en bedforms, como dunas y ondulaciones, que suelen ser características geomorfológicas clave que afectan el flujo hyporheic 14,15. Hemos creado una simulación y laboratorio experimento numérico para visualizar el flujo a través de una serie regular de bedforms. Esta simulación se basa en un cuerpo de investigaciones previas relativas trayectorias de flujo hyporheic características del sistema para fácilmente observables 15,18-21. Como esta investigación constituye la base científica para la simulación, un breve resumen de los aspectos clave de la teoría sigue. Topografía Bedform, T (x),es dado por:
Ecuación 1: 
donde H es el doble de la amplitud de la bedform, k es el número de onda, y x es la dimensión longitudinal paralela a la superficie streambed media. Un ejemplo de esta topografía bedform se muestra pt la Figura 1.
Figura 1. definiciones y ajustes de los parámetros controlados por el usuario. En Interface, partículas trazadoras se liberan de una manera ponderada flujo en la interfase agua / sedimento y rastreados a través del sedimento. Si show-caminos? Está "en" la marca trazadores de agua donde han estado, mostrando sus caminos. Cuando un trazador regresa a la superficie del agua, esto cambia tque el número total de trazadores en el sistema, al volver a gota? está establecido en "off". La distribución acumulativa parcela tiempo de residencia muestra este cambio mediante el trazado de la relación entre el número de trazadores restantes en el lecho de sedimentos al número inicial como una función del tiempo. Si re-caída? "A la" continuación trazadores que abandonan el sistema se sustituyen de la misma manera de flujo ponderado como partículas originales, y la trama acumulativa está desactivado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Nombre del parámetro | Unidades | Definición | Interfaz | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Longitud de onda de bedform (véase la Figura 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | Dos veces la amplitud bedform (ver Figura 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | La profundidad de los sedimentos (ver Figura 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / s | Conductividad hidráulica | | | ||
| Porosidad (θ) | Porosidad | | | |||
| ChannelVelocity (U) | cm / s | Velocidad media en la superficie del agua o el canal de | | | ||
| Profundidad (d) | cm | La profundidad del agua (ver Figura 1) | | | ||
| Pendiente (S) | Pendiente de las formas de fondo y la superficie del agua | | <td> ||||
| NumParticles | El número de partículas liberadas en el sistema. | | ||||
| Timex (Time1, Time2 ..) | min | Momento en que se produce cada cambio de color | | |||
| Simulación Botones | Definición | Interfaz | Mousedrop | |||
| Configurar | Ajuste de la simulación utilizando parámetros se muestra | | | |||
| GO / STOP | Inicia y detiene la simulación | | | |||
| Paso | Al hacer clic en paso hace un paso de tiempo pasar. Esto permite a los usuarios ralentizan el código y ver exactamente lo que sucede en 100 seg. | | ||||
| caminos claros | Borra todos él trayectorias de las partículas azules de la pantalla | | | |||
| Avanzar a la próxima vez | Esto hace que el programa se ejecute hasta el momento siguiente cambio de color (Timex) | | ||||
| ratón-drop | Este botón debe ser pulsado antes partículas pueden ser colocados en el subsuelo haciendo clic en ubicaciones en el subsuelo. | | ||||
| show-caminos? | Si show-caminos? "a" las partículas de agua dejan un rastro de azul que muestra donde han sido (ver Figura 1). | | | |||
| volver a caer? | Si re-gota? "a" las partículas se sustituyen de manera ponderada flujo de cada partícula, que sale del sistema, y la trama acumulada no funciona. Cuando un partiCLE sale de la zona hyporheic el número de partículas en el sistema disminuye si re-gota? es "off" (ver Figura 1). | | ||||
Tabla 1. Parámetros hyporheic y Simulación Controles. Cada parámetro, el botón y control deslizante que se pueden ajustar por el usuario se da en esta mesa junto con una definición.
En esta simulación, dos procesos inducen la velocidad del fluido en el lecho de arena. El primero es debido a las interacciones del flujo de la corriente con bedforms. La carga de velocidad en la interfase agua / sedimentos inducido por bedforms también es aproximadamente sinusoidal, y se movió en un cuarto de longitud de onda de la bedform sí 22. La amplitud de la función de carga de velocidad en la interfase superficie del subsuelo se ha aproximado a partir de mediciones como 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "always"> Ecuación 2:
donde U es la velocidad media del agua de la superficie, g es la constante gravitacional, y d es la profundidad del agua (que se muestra pt la Figura 1). La función de carga de velocidad viene dada por:
Ecuación 3: 
Esta función la cabeza puede utilizarse entonces para calcular el componente basado en bedform de las funciones de velocidad del subsuelo mediante la resolución de la ecuación de Laplace con una profundidad de lecho de arena constante 20. El segundo componente de la velocidad de poros se determina por la pendiente del sistema, S, que corresponde a un gradiente de carga gravitatoria que los rendimientos de flujo en la dirección aguas abajo proporcional as / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Las funciones finales para la velocidad intersticial son.:
Ecuación 4: 
Ecuación 5: 
donde u es la componente de la velocidad longitudinal, v es la componente de velocidad vertical, K es la conductividad hidráulica media del sedimento, es la porosidad promedio de los sedimentos, y es la coordenada vertical, y D es la profundidad de los sedimentos.
Simulaciones de rastreo de partículas fueron creadas, que utilizan el lenguaje de modelado NetLogo y plataforma de simulación 23. Las dos implementaciones (Mousedrop.nlogo y Interface.nlogo) utilizan estas ecuaciones para modelar hypflujo orheic con el mismo núcleo de simulación. La principal diferencia es los lugares iniciales de las partículas trazadoras. Mousedrop permite al usuario colocar trazador simulado cualquier lugar dentro de la subsuperficie. Ecuaciones de velocidad subsuperficial 4 y 5 se utilizan para mover el marcador para simular experimentos de inyección de colorante. En Interface, trazador siempre se coloca a lo largo del límite de superficie / subsuelo de una manera de flujo ponderado. Esto imita la entrega de material disuelto y suspendido de la superficie del agua en el agua intersticial, que es crucial para entender el intercambio hyporheic. El trazador se mueve entonces en el subsuelo hasta que se alcanza de nuevo el agua corriente. Rastreo de las trayectorias de colorante en el canal de flujo y la simulación de los caminos utilizando NetLogo produce las líneas de corriente del flowfield, siempre y cuando las condiciones de flujo y morfología bedform permanecen estables durante el período de observación. Interface.nlogo crea una distribución de tiempo de residencia acumulativo, que muestra la relación entre el número departículas trazadoras restantes en los sedimentos al número inicial de partículas trazadoras colocados en el tiempo 0 como una función del tiempo.
Como se discutió en una encuesta reciente literatura de 24 años, sigue habiendo un debate considerable dentro de la comunidad de investigación educativa sobre los méritos relativos de las manos en los experimentos de laboratorio frente a los laboratorios de simulación y modelos informáticos. Por un lado, hay quienes consideran que "la experiencia práctica está en el corazón del aprendizaje" 25, y la precaución de que los argumentos de ahorro de costos pueden estar impulsando la sustitución de actividades prácticas de laboratorio de simulaciones basadas en la informática, en detrimento de los comprensión de los estudiantes 26. Por otro lado, algunos investigadores en enseñanza de las ciencias / ingeniería argumentan que las simulaciones son al menos tan eficaz como tradicionales prácticas de laboratorio 27, o discutir los beneficios de la informática de simulación en el fomento centrado en el estudiante "aprendizaje por descubrimiento" 28. Mientras que el consenso no ha sido redolía, muchos investigadores han llegado a la conclusión de que, idealmente, simulaciones por ordenador deben complementar, y no sustituir, experimentos prácticos de laboratorio 29,30. También ha habido iniciativas dentro de la ciencia y la enseñanza de la ingeniería a la vez par experimentación física y en el mundo real de detección con simulaciones por ordenador de los fenómenos; véase, por ejemplo, "el modelado bifocales" 31.
Los estudiantes pueden obtener un conocimiento más profundo conceptual y una mejor comprensión del proceso de investigación científica mediante la interacción tanto con un sistema físico, y una simulación por ordenador de ese sistema. Este procedimiento consiste en hacer que los estudiantes realizan un experimento de transporte de solutos que demuestra el flujo de intercambio hyporheic gravitatoria e inducido bedform-y que coincida con su propia configuración experimental y los resultados de una simulación por ordenador de los mismos fenómenos. Esta comparación facilita resultados de los estudiantes de aprendizaje importantes, y una discusión más profunda de tque el método científico, y la interacción entre el modelo / la construcción de teorías y validación empírica a través de la recopilación de datos. Después de realizar esta comparación, los estudiantes también pueden tomar ventaja de los beneficios de la simulación por ordenador para explorar rápidamente una multitud de escenarios alternativos, cambiando los parámetros del modelo.
Protocol
Representative Results
Discussion
En conjunto, los demostrativos y seguimiento de partículas simulaciones flume proporcionan una amplia introducción al flujo de hyporheic para una variedad de audiencias. Los participantes de todos los niveles se proporcionan evidencia visual de la aparición de intercambio hyporheic inducida por bedforms, y la fuerte variabilidad en vías de flujo subsuperficial bajo bedforms. Estos procedimientos pueden ser utilizados como una simple demostración de flujo intersticial para estudiantes universitarios o estudiantes K-…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This material is based upon work supported by National Science Foundation grants EAR-0810270, EAR-1215898, and EAR-1344280, as well as an NSF Graduate Research Fellowship.
Materials
| Flume | Engineering Laboratory Design | Custom | Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours |
| Flowmeter | Rosemount | 8800 vortex | This is located inside the recirculation loop of the flume |
| Sand | US. Silica | F30 | Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume |
| Dye | Samples from food companies | Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution. Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol) | |
| Syringe | HSW | 4100.000V0 | 5-10 mL, e.g. HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe |
| Pipetting Needle | Cadence Science | 7942 | 14-gage, 6-in blunt end, to inject the dye deep into the sand. |
| Digital Camera | Any | Digital camera with steady tripod (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.) We used a Nikon D7000. | |
| Ruler | Any | Transparent is best. | |
| Measuring Tape | Any | ||
| Netlogo Software | CCL | http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ | |
| Mousedrop.nlogo | Netlogo Commons | 4259 | http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 |
| Interface.nlogo | Netlogo Commons | 4258 | http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 |
Referências
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