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

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

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

Introduction

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

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

Equation 1:

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

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

<td>

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

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

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

<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa GE = "always"> Équation 2:

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

Équation 3:

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

Equation 4:

Equation 5:

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

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

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

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

Protocol

1. Logiciel de simulation Utilisez le logiciel décrit dans cette section. Téléchargez et installez l'open-source multi-agent langue libre / de modélisation et de plateforme de simulation, NetLogo (Disponible: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, la version 5.1 ou ultérieure). Remarque: Ce logiciel est disponible sans frais et fonctionne sur tous les principaux systèmes d'exploitation (Windows / Mac / Linux). Téléchar…

Representative Results

L'utilisation d'une simulation en conjonction avec des expériences permet aux élèves d'observer les similitudes et les différences entre les modèles mathématiques idéalisés et des systèmes réels plus complexes. La figure 4 montre un exemple comparant colorant photographies d'injection avec des simulations Mousedrop. La photographie initiale est utilisée pour déterminer l'emplacement du traceur de colorant simulée au temps zéro, puis la simulation est exécutée…

Discussion

Conjointement, la démonstration et le suivi de particules simulations flume fournissent une introduction complète à l'écoulement hyporhéique pour un éventail d'auditoires. Les participants de tous les niveaux sont fournies des preuves visuelles de l'apparition de l'échange hyporhéique induite par ondulations, et la forte variabilité des voies d'écoulement de subsurface sous ondulations. Ces procédures peuvent être utilisées comme une simple démonstration de débit de l'eau interstit…

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