Visualiseren Hyporheic Flow Through bedforms behulp Dye Experimenten en 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
Advectieve uitwisseling tussen de poriën van de sedimenten en de bovenliggende waterkolom, genaamd hyporheic uitwisseling in fluviatiele omgevingen, rijdt stoftransport in rivieren en vele belangrijke biogeochemische processen. Voor een beter begrip van deze processen door middel van visuele demonstratie te verbeteren, hebben we een hyporheic stroom simulatie in de multi-agent computermodellen platform NetLogo. De simulatie toont virtuele tracer stroomt door een streambed bedekt met tweedimensionale bedforms. Sediment, stroom en bodemstructuren kenmerken worden gebruikt als input variabelen voor het model. We illustreren hoe deze simulaties overeenkomen met experimentele waarnemingen van laboratoriumgoot experimenten op basis van gemeten invoerparameters. Kleurstof wordt geïnjecteerd in de goot sedimenten het poriewater stroming visualiseren. Ter vergelijking virtuele tracer deeltjes worden geplaatst op dezelfde locaties in de simulatie. Deze gekoppelde simulatie en lab-experiment is met succes gebruikt in undergraduate en gradualaboratoria om direct te visualiseren rivier-poriënwater interacties en laten zien hoe fysiek-gebaseerde stromingssimulaties milieu verschijnselen kunnen reproduceren. Studenten namen foto's van het bed door de transparante wanden goot en vergeleken met vormen van de kleurstof op dezelfde tijdstippen in de simulatie. Dit resulteerde in een zeer gelijkaardige trends, waardoor de studenten om beter te begrijpen zowel de stromingspatronen en het wiskundige model. De simulaties laten de gebruiker ook om de impact van elke parameter ingang snel visualiseren door het uitvoeren van meerdere simulaties. Deze werkwijze kan ook worden gebruikt in onderzoekstoepassingen te illustreren basisprocessen, betrekking grensvlak vloeimiddelen en poriewater transport en ondersteuning kwantitatieve procesmatige modeling.
Introduction
Als oppervlakte water beweegt in een beek, rivier of getijdenzone creëert hoofd hellingen die het water drijven in en uit de sedimenten 1. In riviersystemen het gedeelte van de streambed sedimenten waarin deze uitwisseling plaatsvindt is bekend als de hyporheic zone 2,3. Deze zone is belangrijk omdat veel voedingsstoffen en verontreinigende stoffen worden opgeslagen, gestort of getransformeerd binnen de hyporheic zone 4-9. De tijd die een tracer doorbrengt in het sediment wordt een verblijfstijd. Beide verblijftijden en de locaties van de stromingswegen invloed op de transformatie processen. Beter begrip van de processen die stroming door het sediment nodig is om opgeloste stoffen te voorspellen in rivieren en pakken grote milieuproblemen gevolg van propagatie van stoffen zoals nutriënten (bijv kust hypoxie 10,11). Ondanks het belang van hyporheic uitwisseling, is het vaak niet in undergraduate cursussen in hydrologie beschreven,stromingsleer, hydrauliek, etc. Opvoeders die willen hyporheic ruil voor hun cursussen toe kon vinden het nuttig zijn om de experimentele en numerieke visualisaties die duidelijk laten zien dit proces.
Stroom kanaal bochtigheid, omgeving grondwaterstanden en streambed topografie (dat wil zeggen, bars, bedforms en biogene terpen) allemaal van invloed hyporheic uitwisseling in verschillende mate 12-17. Dit onderzoek richtte zich op bedforms, zoals duinen en rimpelingen, die meestal zijn de belangrijkste geomorfologische kenmerken die hyporheic stroom 14,15. We hebben een numerieke simulatie en laboratorium experiment om stroom te visualiseren door middel van een regelmatige reeks van bodemstructuren. Deze simulatie is gebaseerd op een reeks eerder onderzoek inzake hyporheic stroompaden gemakkelijk waarneembare systeemkenmerken 15,18-21. Aangezien dit onderzoek vormt de wetenschappelijke achtergrond voor de simulatie, een korte samenvatting van de belangrijkste aspecten van de theorie volgt. Bodemstructuren topografie, T (x),is gegeven door:
Vergelijking 1: 
waarbij H tweemaal de amplitude van de bodemstructuren, k het golfgetal en x is de longitudinale afmeting evenwijdig aan het gemiddelde rivierbedding oppervlak. Een voorbeeld hiervan bodemstructuren topografie wordt getoond in figuur 1.
Figuur 1. Parameter definities en instellingen gecontroleerd door de gebruiker. In Interface, worden tracer deeltjes uitgebracht in een flux-gewogen wijze in het water / sediment interface en bijgehouden door het sediment. Als Show-paden? Wordt "aan" het water tracers merk waar ze zijn, met hun paden. Wanneer een tracer terugkeert naar het oppervlaktewater, verandert dit thij totaal aantal tracers in het systeem, bij het opnieuw neerzetten? is ingesteld op "off". De cumulatieve verblijftijd verdelingsgrafiek geeft deze verandering door het uitzetten van de verhouding van het aantal tracers nog in het sediment bed om het oorspronkelijke aantal als functie van de tijd. Als re-drop? "Aan" dan tracers dat het systeem te laten vervangen in dezelfde flux-gewogen wijze als origineel deeltjes, en de cumulatieve plot is uitgeschakeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Parameter Naam | Eenheden | Definitie | Interface | Mousedrop | ||
| Lambda (λ) | cm | Golflengte van bodemstructuren (zie figuur 1) </ td> |  | | ||
| BedformHeight (H) | cm | Tweemaal de bodemstructuren amplitude (zie figuur 1) | | | ||
| BedDepth (D) | cm | Diepte van de sedimenten (zie figuur 1) | | | ||
| HydrCond (K) | cm / s | Doorlatendheid | | | ||
| Porositeit (θ) | Poreusheid | | | |||
| ChannelVelocity (U) | cm / s | Gemiddelde snelheid in het oppervlaktewater of het kanaal | | | ||
| Diepte (d) | cm | Waterdiepte (zie figuur 1) | | | ||
| Helling (S) | Helling van de bodemstructuren en wateroppervlak | | <td> ||||
| NumParticles | Het aantal deeltjes in het systeem vrijgelaten. | | ||||
| Timex (Tijd1, Time2 ..) | min | Tijdstip waarop elke kleur verandering optreedt | | |||
| Simulatie Knoppen | Definitie | Interface | Mousedrop | |||
| Opstelling | Stel van de simulatie met behulp van parameters getoond | | | |||
| go / stop | Start en stopt de simulatie | | | |||
| Stap | Klikken stap veroorzaakt eenmalige stap te gaan. Dit stelt gebruikers in staat te vertragen de code en precies zien wat er gebeurt in 100 sec. | | ||||
| duidelijke paden | Wist alle hij blauw deeltje paden van het scherm | | | |||
| Vooruit naar volgende keer | Dit zorgt ervoor dat het programma te draaien tot de volgende kleurverandering keer (Timex) | | ||||
| mouse-drop | Deze knop moet worden geklikt voor deeltjes in de ondergrond kan worden gebracht door op plaatsen in de ondergrond. | | ||||
| Show-paden? | Als Show-paden? "aan" het water deeltjes laat een spoor van blauwe tonen waar ze zijn geweest (zie figuur 1). | | | |||
| opnieuw laten vallen? | Als re-drop? "aan" de deeltjes worden vervangen in een flux gewogen manier voor elk deeltje, die het systeem verlaat, en de cumulatieve plot niet werkt. Wanneer een partikel verlaat de hyporheic zone het aantal deeltjes in het systeem neemt af als re-drop? is "uit" (zie figuur 1). | | ||||
Tabel 1. Hyporheic Parameters en Simulatie Controls. Elke parameter, knop en schuif die kunnen worden aangepast door de gebruiker wordt gegeven in deze tabel samen met een definitie.
In deze simulatie twee processen induceren vloeistofsnelheid in het zandbed. De eerste is te wijten aan de interactie van de stroming met bedforms. De snelheid hoofd op het water / sediment-interface veroorzaakt door bedforms is ook ongeveer sinusvormige en verschoven door een kwart van de golflengte van de bodemstructuren zelf 22. De amplitude van de snelheidshoogte functie op het oppervlak ondergrond interface is benaderd uit metingen als 16:
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa ge = "always"> Vergelijking 2:
waarbij U is de gemiddelde oppervlakte watersnelheid, g de gravitatieconstante, en d is de diepte van het water (figuur 1). De snelheidshoogte functie wordt dan gegeven door:
Vergelijking 3: 
Deze kop functie kan dan worden gebruikt om de bodemstructuren gebaseerde component van de ondergrond velocity functies berekenen door het oplossen van de Laplace vergelijking met een beddiepte constant zand 20. De tweede component van het poriewater snelheid wordt bepaald door de helling van het systeem S, wat overeenkomt met een zwaartekracht head gradiënt dat de rendementen stroomt in stroomafwaartse richting evenredigs / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> De laatste functies voor het poriënwater snelheid zijn.:
Vergelijking 4: 
Vergelijking 5: 
waarbij U de longitudinale snelheidscomponent, v de verticale snelheidscomponent, K is de gemiddelde doorlatendheid van het sediment, de gemiddelde porositeit van de sedimenten, y de verticale coördinaat en D de diepte van de sedimenten.
Deeltje volgen simulaties werden gecreëerd, waarin de NetLogo modelleertaal en simulatie platform 23 te gebruiken. De twee implementaties (Mousedrop.nlogo en Interface.nlogo) gebruiken deze vergelijkingen te modelleren hyporheic stroom met dezelfde simulatie kern. Het belangrijkste verschil is de initiële locatie van de tracer deeltjes. Mousedrop kan de gebruiker gesimuleerde tracer overal plaatsen onder het oppervlak. Ondergrondse snelheid vergelijkingen 4 en 5 worden gebruikt om de tracer naar kleurstof injectie experimenten te simuleren. In Interface, is tracer altijd langs het oppervlak / ondergrond grens geplaatst in een flux-gewogen manier. Deze bootst de levering van opgeloste en zwevende materiaal van het oppervlaktewater in het poriënwater, die cruciaal is voor het begrip van hyporheic uitwisseling. De tracer gaat dan onder het oppervlak, totdat het weer de stroom water bereikt. Het opsporen van de kleurstof paden in de goot en de paden via NetLogo nabootsen geeft de stroomlijnen van de FlowField, mits de stroomomstandigheden en bodemstructuren morfologie stabiel blijven tijdens de observatieperiode. Interface.nlogo creëert een cumulatieve verblijftijdspreiding, die toont verhouding van het aantaltracer deeltjes blijven in de sedimenten tot het oorspronkelijke aantal tracer deeltjes geplaatst op tijdstip 0 als functie van de tijd.
Zoals besproken in een recent literatuuronderzoek 24, blijft er veel discussie binnen het onderwijsonderzoek gemeenschap over de relatieve voordelen van hands-on laboratoriumexperimenten versus gesimuleerde laboratoria en computermodellen. Aan de ene kant, wat het gevoel dat "hands-on ervaring in het hart van het leren" 25, en voorzichtigheid die argumenten kostenbesparingen kan het stimuleren van de vervanging van de hands-on lab activiteiten van computer-based simulaties, ten koste van de student inzicht 26. Aan de andere kant, sommige onderzoekers in de wetenschap / techniek onderwijs beweren dat simulaties zijn minstens zo effectief als de traditionele hands-on labs 27, of discussiëren over de voordelen van computer-simulatie in het bevorderen van de student centraal "ontdekkend leren" 28. Hoewel consensus niet opnieuwdeed pijn, hebben vele onderzoekers geconcludeerd dat, idealiter, computer simulaties moeten aanvullen, in plaats van verdringen, hands-on laboratoriumexperimenten 29,30. Er zijn ook initiatieven binnen de wetenschap en techniek onderwijs gelijktijdig paar fysieke experimenten en real-world-sensing met computersimulaties van de verschijnselen; zie bijvoorbeeld "bifocale modeling" 31.
Studenten kunnen een diepere conceptuele kennis en een beter begrip van het wetenschappelijk onderzoeksproces door interactie met zowel een fysieke systeem en een computer-based simulatie van dat systeem te krijgen. Deze procedure houdt in dat studenten het uitvoeren van een opgeloste transport experiment dat aantoont zwaartekracht en bodemstructuren-geïnduceerde hyporheic uitwisseling flow, en overeenkomen met hun eigen experimentele opzet en resultaten met een computersimulatie van dezelfde verschijnselen. Deze vergelijking vergemakkelijkt belangrijke student-leerresultaten, en een diepere bespreking van tHij wetenschappelijke methode, en de wisselwerking tussen model / de theorie-gebouw en empirische validatie door middel van het verzamelen van gegevens. Na het uitvoeren van deze vergelijking, kunnen de studenten ook gebruik maken van de voordelen van computer-based simulatie te nemen om snel een groot aantal alternatieve scenario's te ontdekken door het veranderen van model parameters.
Protocol
Representative Results
Discussion
In combinatie, de goot demonstratie en deeltjes volgen simulaties bieden een uitgebreide inleiding op hyporheic stroom voor een scala aan doelgroepen. Deelnemers aan alle niveaus worden voorzien visueel bewijs voor het optreden van hyporheic uitwisseling geïnduceerd door bodemstructuren en de sterke variabiliteit in ondergrondse stroompaden onder bedforms. Deze procedures kunnen worden gebruikt als een eenvoudige demonstratie van poriewater stroom voor studenten of K-12 studenten of het kan worden gebruikt in graduate …
Disclosures
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 |
References
- Huettel, M., Webster, I. T., Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. . Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. , 144-179 (2001).
- Bencala, K. E., Walters, R. A. Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream – a Transient Storage Model. Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).
- Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
- Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana. Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).
- Fuller, C. C., Harvey, J. W. Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona. Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).
- Jones, J. B., Mulholland, P. J. . Streams and Ground Waters. , (1999).
- McKnight, D. M., et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity. Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).
- Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
- Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
- Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA. Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).
- Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos. Coast Est S. 58, 211-240 (2001).
- Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
- Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
- Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model. Water Resour Res. 48, (2012).
- Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Wörman, A., Salehin, M., Packman, A. I. A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders. Water Resour Res. 46, (2010).
- Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield. Geophys Res Lett. 34, (2007).
- Tonina, D., Buffington, J. M. A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat. Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).
- Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
- Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments. Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).
- Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography. Geophys Res Lett. 33, (2006).
- Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms. Wat Resour Res. 48, (2012).
- Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
- Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
- Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
- Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students’ understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
- Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation. Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).
- Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
- Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
- Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
- Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning. Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).
- Freeze, R. A., Cherry, J. A. . Groundwater. , (1979).
- Todd, D. K., Mays, L. W. . Groundwater Hydrology. , (2005).
- Box, G. E., Draper, N. R. . Empirical Model-Building and Response Surfaces. , (1987).
- Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906 (1979).
- Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. . How People Learn. , (2000).
- Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
- Zohar, A., Ben David, A. Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component. Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).
- Fox, A., Boano, F., Arnon, S. Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms. Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).
- Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
- Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
- Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
- Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange. Water Resour Res. 40, (2004).
- Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
- Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
- Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
- Tonina, D., Buffington, J. M. Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling. Water Resour Res. 43, (2007).
- Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. . MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , (2000).
