利用染料示踪实验与模拟可视化潜流带中床面形态内的水流过程

本实验的总体目标是通过使用建模软件进行模拟，以实验方式演示低通量潜流交换（hypo EIC flow），该模拟结果与物理实验高度一致。该方法有助于展示水文学领域中的关键概念，揭示在河流下方水流通过沉积物时，如何受到沉积物特性、地形以及地表水性质的影响。尽管该方法可用于研究高通量潜流交换（hyper IC flow），也可应用于教学实验室，向各个层次的学生演示高通量潜流交换现象。

该技术的主要优势在于将物理实验室实验与模拟相同现象的交互式计算机软件相结合。通过可视化演示，展示物理实验与模拟之间的空间相似性和差异，有助于深入理解超原则。首先安装所需的软件，即 NetLogo 以及两个用于在 NetLogo 中运行的脚本。

标志、鼠坠及界面。接下来，根据文本方案中的说明，设置实验室水槽，使所有参数均处于鼠坠模拟参数范围的约束条件内。运行水槽12至24小时，以形成具有理想特征的床面形态。

调节水槽的坡度和水深，以在床面形态上实现均匀流。目标是使床面形态中的沉积物颗粒看起来不发生移动，尽管可能会有少量移动难以避免。首先，在泵运行时使水流达到均匀状态。

在水槽底部选择两个点，分别记录每条测线至水面的垂直距离。然后调节水槽的坡度或水深，直至这两个垂直距离的测量值相等。第二步，停止水泵运行，并等待水流完全静止。

然后在之前相同的位置，测量水槽底部到水面的距离，并测量这些垂直测量点之间的距离。将这两个测量值之差除以它们之间的倾斜水平距离，计算出河道的坡度。现在重新启动水泵，并选择一个测试断面。

选择水槽中靠近中部或下游位置，且沙丘已形成规律性形态的区域。该测试段必须包含至少一个完整的床面形态。

使用透明尺子进行几次测量。首先，在沙丘的波谷和波峰处分别测量，确定平均沉积物深度。这两次测量值之间的差即为床面形态高度。

接下来，计算平均水深，即水面到砂床表面的平均距离。然后通过测量连续两个沙丘波峰之间的距离，测定并记录床面形态的平均波长。接着，从循环回路中的流量计读取并记录渠道流量，并计算平均流速。

现在，打开小鼠坠落实验模拟程序，并检查所有这些测量值是否均在用户界面指定的范围内。如果某个测量参数超出约束范围，可通过右键点击滑块，选择“编辑”，然后调整最小值和最大值来修改参数范围。首先，在三脚架上安装一台相机，使其镜头正对水槽壁并保持垂直。

图像应以试验段中的单个床面形态为中心。如果存在反射问题，应固定相机位置并调整照明，同时在图像中加入标尺以帮助比例换算。接下来，使用注射器和针头，在水槽壁附近进行两到三次小范围染料注入。

这些注射应形成两厘米见方的有色示踪水区域，并应放置在不同的垂直和水平位置。记录染料注射的开始时间，并拍摄初始图像。使用透明纸描摹初始的 D 前沿及染料周围的边界，有助于教学观察。

因此，在实验室中观察它们的运动更为容易，但这种方法也存在权衡。使用相机以适当的时间间隔捕捉 D 前沿的位置。进行延时摄影时，采用 1/32 秒的间隔以获得平滑的效果。

进行模拟时，首先运行小鼠滴落实验，并将结果与观察到的染料传输情况进行比较。在小鼠滴落实验中，调整物理系统参数以匹配水槽实验的条件。

输入这些参数时，务必仔细注意单位。接下来，调整滑块以指示模拟跟踪颜色发生变化的时间点。将这些颜色变化设置为与观察到的时间一致。

如果所有时间参数均设置为零，模拟将显示单一颜色。设置完所有参数后，点击“setup”按钮，床面形态应出现在模拟视图中。

接下来，点击鼠标投放按钮以标记虚拟示踪剂的起始位置。可点击床层中的多个位置。按住鼠标不放可释放更多虚拟示踪剂。

当所有虚拟示踪剂放置完毕后，可点击“进入下一时间点”按钮以运行模拟。在时间点一之前，请勿重新点击“设置”按钮，否则需要重新放置示踪剂。您也可以点击“运行/停止”按钮来启动或停止模拟。

示踪剂将持续移动，直到所有虚拟示踪剂离开系统，除非您点击“运行/停止”按钮。同样，此功能可用于暂停模拟，以便对模拟结果与实测染料分布进行比较。一旦模拟开始运行，系统将计算每个示踪剂所在位置的流速。

根据模拟参数，示踪剂利用该速度移动到新的位置，然后重复此过程，直到示踪剂离开系统。接下来，通过依次点击 setup 和 go stop 来运行界面模拟。这将使用默认设置运行模拟。

界面模拟默认根据计算得到的地下流速，以通量加权的方式在河床表面引入虚拟示踪剂，粒子会留下轨迹以显示其经过的路径。将“显示轨迹”按钮关闭即可消除这些路径。将红色液滴开关打开后，将禁用累积停留时间分布图，并每次释放一个新的粒子。

此时退出系统。在观察完默认参数下的模拟后，单击“go stop”以停止模拟。然后更改一个或多个参数，通过单击“setup”重新设置，再单击“go stop”以新参数重新启动模拟。在此过程中，我们调整了床面形态高度，运行模拟，随后重复该过程，调节床层深度，以将模拟结果与实验结果进行比较。

初始照片用于确定时间零点时模拟 D 示踪剂的位置。随后，模拟运行了 34.2 分钟，并与该时刻拍摄的照片进行比较。总体而言，该模型表现出色。

每个 D 斑点的移动方向与模型基本一致，且其形变方式也与模拟的 D 斑点相似。然而，仔细观察可发现一些差异。例如，右侧的 D 斑点呈现出更明显的豆状形态，与模拟结果有所不同。

这可能是由于在该团块注入沉积物时，其正上方床面形态地形出现了明显的下凹。另一个常见的差异是时间上的偏差，同样也不完全准确。这可能是由于沉积物特性测量中存在轻微误差所致。

常见的差异源于测量误差以及由不规则床面形态几何变异性和沉积物填充等因素引起的二阶物理效应等。一旦掌握，该技术可在24小时内完成。在进行该操作时，重要的是要让床面形态充分稳定，保持耐心，并在进行和输入测量值时注意单位的使用。

完成此实验步骤后，可进一步开展其他实验，以探究地形、水力传导率和地表水特性对超渗流影响的更多问题。观看本视频后，您应能够充分理解如何通过实验手段直观展示超渗流现象，以及如何运用我们的计算机模拟方法。