مقالة منهجية

تصور Hyporheic تدفق من خلال Bedforms عن طريق التجارب صبغ والمحاكاة

11.9K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/53285

⸱

نوفمبر 18, 2015

 ,  ,  , 
1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College

في هذه المقالة

ملخص

تصف هذه المخطوطة كيفية إنشاء أشكال سرير منتظمة في مجرى ، وتصور التدفق عبر أشكال الأسرة ، واستخدام المحاكاة الحاسوبية لمحاكاة التدفق المنخفض. تقارن عمليات المحاكاة الحاسوبية بشكل جيد مع الملاحظات التجريبية. هذه المحاكاة والتجربة المقترنة مناسبة تماما للأغراض البحثية والتعليمية.

الملخص

التبادل عبر الهوائي الأفقي بين الفضاء المسام من الرواسب وعمود الماء المغطي، ودعا الصرف hyporheic في البيئات النهرية، يدفع النقل المذاب في الأنهار والعديد من العمليات البيولوجية الكيميائية الهامة. لتحسين فهم هذه العمليات من خلال مظاهرة البصرية، أنشأنا محاكاة تدفق hyporheic في متعدد وكيل النمذجة الحاسوبية منصة NetLogo. وتبين المحاكاة الافتراضية التتبع التي تتدفق من خلال مجرى النهر مغطاة bedforms ثنائي الأبعاد. وتستخدم الرواسب، والتدفق، وbedform الخصائص كما المتغيرات الإدخال للنموذج. نحن لتوضيح كيف تطابق هذه المحاكاة الملاحظات التجريبية من التجارب المسايل المختبر، استنادا للمعلمات الإدخال قياسها. يتم حقن صبغة في الرواسب المسايل لتصور تدفق porewater. وعلى سبيل المقارنة توضع الجسيمات التتبع الافتراضية في نفس المواقع في المحاكاة. وقد استخدمت هذه المحاكاة ومختبر التجربة يقترن بنجاح في المرحلة الجامعية وgraduaمختبرات الشركة المصرية للاتصالات لتصور مباشرة التفاعلات النهر porewater وتظهر كيف محاكاة التدفق على جسديا يمكن أن تتكاثر الظواهر البيئية. استغرق الطلاب صورا للسرير من خلال الجدران المسايل شفافة وقارنوها الأشكال من الصبغة في الأوقات نفسها في المحاكاة. وأدى ذلك إلى اتجاهات متشابهة جدا، والذي يسمح للطلاب لفهم أفضل لكل من أنماط تدفق والنموذج الرياضي. المحاكاة كما تسمح للمستخدم لتصور بسرعة تأثير كل معلمة الإدخال عن طريق تشغيل المحاكاة متعددة. ويمكن أيضا أن تستخدم هذه العملية في تطبيقات البحوث لتوضيح العمليات الأساسية، تتصل تدفقات بينية والنقل porewater، ودعم النماذج القائمة على عملية الكمي.

المقدمة

كما نقل المياه السطحية في تيار، النهر، أو منطقة المد والجزر يخلق التدرجات الرأس التي تدفع المياه داخل وخارج الرواسب 1. في الأنظمة النهرية ومن المعروف أن جزء من رواسب قيعان الأنهار التي يحدث فيها هذا التبادل كما 2،3 منطقة hyporheic. هذه المنطقة مهمة لأنه يتم تخزين العديد من العناصر الغذائية والملوثات، إيداع أو تحويل داخل المنطقة hyporheic 4-9. ويطلق على مقدار الوقت الذي يقضيه التتبع في الرواسب فترة الإقامة. في المرتين الإقامة ومواقع مسارات تدفق تؤثر على عمليات التحول. هناك حاجة إلى تحسين فهم العمليات التي تؤثر على تدفق من خلال الرواسب التنبؤ النقل المذاب في الأنهار ومعالجة المشاكل البيئية الكبيرة الناتجة عن انتشار المواد مثل المواد الغذائية (مثل نقص الأكسجة الساحلي 10،11). وعلى الرغم من أهمية تبادل hyporheic، وغالبا ما لا صفها في المقررات الجامعية في علم المياه،ميكانيكا الموائع، الهيدروليكية، الخ المربين الذين يرغبون في إضافة الصرف hyporheic لدراستهم يمكن أن تجد أنه من المفيد أن يكون تصورات التجريبية والعددية التي تظهر بوضوح هذه العملية.

تيار قناة انعطاف، ومستويات المياه الجوفية المحيطة، وتضاريس قيعان الأنهار (أي والحانات وbedforms، وتلال الاحيائية) جميع يؤثر الصرف hyporheic بدرجات متفاوتة 12-17. ركزت هذه الدراسة على bedforms، مثل الكثبان والتموجات، التي عادة ما تكون الملامح الجيومورفولوجية الرئيسية التي تؤثر على تدفق hyporheic 14،15. أنشأنا المحاكاة ومختبر التجربة العددية لتصور تدفق من خلال سلسلة منتظمة من bedforms. وتستند هذه المحاكاة على مجموعة من الأبحاث السابقة المتعلقة مسارات تدفق hyporheic خصائص النظام لملاحظتها بسهولة 15،18-21. كما يشكل هذا البحث الخلفية العلمية للمحاكاة، ملخصا موجزا للجوانب الأساسية لنظرية يتبع. Bedform التضاريس، T (خ)،اعطي من قبل:

المعادلة 1:
figure-introduction-1

حيث H هو ضعف السعة من bedform، ك هو متجه مموج موجه، و x هو مواز البعد الطولي لمتوسط ​​سطح مجرى النهر. ويرد مثال على ذلك bedform التضاريس في الشكل 1.

figure-introduction-2
الشكل 1. تعريفات المعلمة والإعدادات للرقابة من قبل المستخدم. وفي واجهة، يتم إطلاق جزيئات التتبع بطريقة التمويه المرجحة في الماء / واجهة الرواسب وتتبعها من خلال الرواسب. إذا إظهار مسارات؟ هو "على" علامة استشفاف المياه حيث تم، والتي تبين المسارات الخاصة بهم. عندما يعود التتبع إلى المياه السطحية، وهذا يغير ركان عدد من استشفاف في النظام، وعند إعادة الإفلات؟ تم تعيين إلى "إيقاف". وتظهر المؤامرة توزيع وقت الإقامة التراكمية هذا التغيير عن طريق التآمر نسبة عدد استشفاف ما تبقى في السرير الرواسب في العدد الأولي بوصفها وظيفة من الزمن. إذا إعادة قطرة؟ هو "على" ثم يتم استبدال استشفاف أن ترك النظام بنفس الطريقة تدفق مرجح كما الجزيئات الأصلية، ويتم تعطيل المؤامرة تراكمية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-introduction-18
اسم المعلمة الوحدات تعريف السطح البيني Mousedrop
امدا (λ) سم الطول الموجي للbedform (انظر الشكل 1) figure-introduction-3figure-introduction-4
BedformHeight (H) سم ضعف السعة bedform (انظر الشكل 1) figure-introduction-5figure-introduction-6
BedDepth (D) سم عمق الرواسب (انظر الشكل 1) figure-introduction-7figure-introduction-8
HydrCond (K) سم / ث التوصيل الهيدروليكي figure-introduction-9figure-introduction-10
المسامية (θ) المسامية figure-introduction-11figure-introduction-12
ChannelVelocity (U) سم / ث السرعة المتوسطة في المياه السطحية أو قناة figure-introduction-13figure-introduction-14
العمق (د) سم عمق المياه (انظر الشكل 1) figure-introduction-15figure-introduction-16
منحدر (S) المنحدر من bedforms والمياه السطحية figure-introduction-17
NumParticles عدد الجزيئات التي تطلق في النظام. figure-introduction-19
تيميكس (TIME1، Time2 ..) دقيقة الوقت الذي يحدث كل تغيير اللون figure-introduction-20
أزرار المحاكاة تعريف السطح البيني Mousedrop
نصب تعيين لتصل المحاكاة باستخدام المعلمات هو موضح figure-introduction-21figure-introduction-22
اذهب / إيقاف يبدأ ويتوقف المحاكاة figure-introduction-23figure-introduction-24
خطوة النقر خطوة يسبب خطوة واحدة لتمرير الوقت. هذا يسمح للمستخدمين لإبطاء رمز ونرى بالضبط ما يحدث في 100 ثانية. figure-introduction-25
مسارات واضحة مسح كل ما مسارات الجسيمات الزرقاء من الشاشة figure-introduction-26figure-introduction-27
تقدم إلى المرة القادمة يؤدي هذا البرنامج لتشغيل حتى وقت تغيير لون المقبل (تيميكس)figure-introduction-28
الماوس الإفلات يجب النقر على هذا الزر قبل أن توضع الجسيمات في باطن الأرض من خلال النقر على مواقع في باطن الأرض. figure-introduction-29
إظهار مسارات؟ إذا إظهار مسارات؟ هو "على" جزيئات الماء تترك أثرا من الاداء الأزرق حيث أنها كانت (انظر الشكل 1). figure-introduction-30figure-introduction-31
إعادة إسقاط؟ إذا إعادة قطرة؟ هو "على" يتم استبدال الجسيمات بطريقة المرجح التدفق لكل جسيم، الذي يخرج من النظام، ولا تعمل المؤامرة تراكمية. عندما الحزب شركة كلي مخارج منطقة hyporheic عدد الجزيئات في نظام النقصان إذا إعادة قطرة؟ هو "إيقاف" (انظر الشكل 1). figure-introduction-32

الجدول 1. Hyporheic المعلمات ومحاكاة عناصر التحكم. كل معلمة، زر، والمنزلق التي يمكن تعديلها من قبل المستخدم يرد في هذا الجدول إلى جانب التعريف.

في هذه المحاكاة، عمليتين تحفز سرعة السائل في سرير الرمل. ومن المقرر أن تفاعلات تدفق تيار مع bedforms الأولى. رئيس السرعة في واجهة الماء / الرواسب الناجمة عن bedforms هو أيضا الجيبية تقريبا، وتحول من الطول الموجي الربع من bedform نفسه 22. وقد يقترب من السعة وظيفة رئيس السرعة في واجهة سطح تحت سطح الأرض من القياسات إلى 16:

جنرال الكتريك = "دائما"> المعادلة 2:
figure-introduction-33

حيث U هي متوسط ​​سرعة المياه السطحية، ز هو ثابت الجاذبية، ود هو عمق الماء (كما هو موضح في الشكل رقم 1). ثم يتم إعطاء وظيفة رئيس السرعة من قبل:

المعادلة 3:
figure-introduction-34

ويمكن بعد ذلك وظيفة رئيس استخدامها لحساب المكون القائم على bedform وظائف تحت السطحية سرعة عن طريق حل معادلة لابلاس مع عمق سرير الرمل ثابت 20. يتم تحديد العنصر الثاني من سرعة porewater من قبل المنحدر من النظام، S، والتي تتطابق مع رئيس التدرج الجاذبية التي العوائد تتدفق في اتجاه المصب النسبي لق / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> وظائف النهائية لporewater السرعة هي:

المعادلة 4:
figure-introduction-35

المعادلة 5:
figure-introduction-36

حيث ش هو عنصر السرعة الطولي، والخامس هو عنصر السرعة العمودي، K هو متوسط ​​معامل التوصيل الهيدروليكي من الرواسب، هو متوسط ​​المسامية من الرواسب، Y هو عمودي تنسيق، وD هو عمق الرواسب.

تم إنشاؤها المحاكاة تتبع الجسيمات، التي تستخدم NetLogo لغة النمذجة والمحاكاة منصة 23. في تطبيقات اثنين (Mousedrop.nlogo وInterface.nlogo) استخدام هذه المعادلات لنمذجة HYPتدفق orheic بنفس المحاكاة الأساسية. الفرق الأساسي هو أن المواقع الأولية للجسيمات التتبع. Mousedrop يسمح للمستخدم لوضع التتبع محاكاة أي مكان داخل باطن الأرض. وتستخدم المعادلات تحت السطحية سرعة 4 و 5 لتحريك التتبع لمحاكاة التجارب حقن الصبغة. في واجهة، ويتم وضع التتبع دائما على طول الحدود سطح / تحت السطح بطريقة التمويه المرجحة. هذا يحاكي تسليم المواد الذائبة وعلقت من المياه السطحية في porewater، وهو أمر حاسم لفهم الصرف hyporheic. ثم ينتقل التتبع داخل باطن الأرض حتى تصل مرة أخرى في مياه النهر. تتبع مسارات الصبغة في المسايل ومحاكاة مسارات باستخدام NetLogo تعطي يبسط من flowfield، طالما أن الظروف تدفق وbedform التشكل تبقى ثابتة خلال فترة المراقبة. Interface.nlogo يخلق التراكمي توزيع وقت الإقامة، مما يدل على نسبة عددالجسيمات التتبع المتبقية في الرواسب إلى العدد الأولي من الجسيمات التتبع وضعت في وقت 0 بوصفها وظيفة من الزمن.

كما نوقش في دراسة الأدب الحديث 24، لا يزال هناك جدل كبير داخل المجتمع البحوث التربوية حول المزايا النسبية من التدريب العملي على التجارب المعملية مقابل مختبرات المحاكاة والنماذج الحاسوبية. من ناحية، يشعر البعض أن "التدريب العملي على الخبرة هي في صميم التعلم" 25، والحذر أن الحجج لخفض التكاليف قد يساعد على استبدال التدريب العملي على الأنشطة المخبرية من قبل نماذج المحاكاة بالكمبيوتر، وذلك على حساب فهم الطالب 26. من ناحية أخرى، يرى بعض الباحثين في تعليم العلوم / الهندسة أن المحاكاة هي على الأقل بنفس فعالية التقليدية التدريب العملي على مختبرات 27، أو مناقشة فوائد الكمبيوتر المحاكاة في تعزيز المتمحورة حول الطالب "التعلم بالاكتشاف" 28. في حين لم يتم إعادة التوافقآلم، وخلص الباحثون إلى أن العديد، من الناحية المثالية، ينبغي أن المحاكاة الحاسوبية تكمل، بدلا من أن تحل محلها، والتدريب العملي على التجارب المعملية 29،30. وكانت هناك أيضا مبادرات في مجال العلم والتعليم الهندسي لزوجين في وقت واحد التجريب المادي والعالم الحقيقي الاستشعار مع المحاكاة الحاسوبية للظواهر. انظر على سبيل المثال، "نماذج ثنائية البؤرة" 31.

يمكن للطلاب اكتساب المعرفة المفهومية أعمق وفهم أفضل لعملية البحث العلمي من خلال التفاعل مع كل نظام مادي، والمحاكاة المعتمدة على الحاسوب من هذا النظام. ويشمل هذا الإجراء بعد أداء الطلاب تجربة النقل المذاب الذي يوضح الجاذبية والتي يسببها bedform تدفق الصرف hyporheic، وتتطابق الإعداد الخاصة بهم التجريبي الخاص والنتائج مع جهاز محاكاة للظواهر نفسها. هذه المقارنة تسهل نتائج التعلم طالب الهامة، ومناقشة أعمق رإنه المنهج العلمي، والتفاعل بين نموذج / بناء نظرية والتحقق التجريبي من خلال جمع البيانات. بعد إجراء هذه المقارنة، يمكن للطلاب أيضا الاستفادة من فوائد المحاكاة التي تعتمد على الكمبيوتر لاستكشاف بسرعة العديد من السيناريوهات البديلة عن طريق تغيير معالم النموذج.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. محاكاة البرمجيات

  1. استخدام البرامج الموضحة في هذا القسم.
    1. تحميل وتثبيت الحرة / مفتوحة المصدر متعدد وكيل لغة النمذجة والمحاكاة منصة، NetLogo (المتوفر http://ccl.northwestern.edu/netlogo/، الإصدار 5.1 أو في وقت لاحق).
      ملاحظة: يتوفر هذا البرنامج في أي تكلفة، ويعمل على جميع أنظمة التشغيل الرئيسية (ويندوز / ماك / لينكس).
    2. تحميل الملفين النصي محاكاة محددة (mousedrop.nlogo وinterface.nlogo) التي تصاحب هذا الإجراء المختبر. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      ملاحظة: بمجرد تثبيت منصة محاكاة وتم تحميلها هذه الملفات، هذه الملفات النقر المزدوج يفتح تلقائيا رانه المحاكاه تصل، جاهزة للتشغيل.

2. المسايل مظاهرة

  1. إعداد المسايل المختبر حتى يتسنى لجميع المعلمات (الجدول 1) تقع ضمن محاكاة mousedrop القيود مجموعة المعلمة.
    ملاحظة: يمكن تعديل القيود في mousedrop، إذا لزم الأمر لنظام فيزيائي عن طريق تحرير المتزلجون.
    1. صب طبقة من حوالي 15-25 سم من الرمل في المسايل. قياس وتسجيل التوصيل الهيدروليكي ومسامية الرمل التالية الأساليب القياسية 32،33.
    2. ملء المسايل مع ما يقرب من 20-30 سم من الماء.
    3. بدء المسايل وزيادة معدل تدفق إلى المستوى الذي هو سريع بما فيه الكفاية لنقل حبيبات الرمل، وبالتالي إلى خلق bedforms.
      ملاحظة: يمكن تعديل معدل التدفق لمواصلة تهذيب خصائص bedform مع الممارسة. أحجام Bedform هي نتيجة لمعدل التدفق، وعمق المياه وخصائص الرمال.
    4. السماح bedforms لتطوير FOص 12-24 ساعة لتشكيل الكثبان الرملية الطبيعية / مورفولوجيا مضاعف. لتسريع هذه العملية يدويا تشكيل الكثبان العادية، ومن ثم السماح نقل الرواسب ل12/04 ساعة. بدلا من ذلك، تشكل الكثبان الثلاثي العادية يدويا.
      ملاحظة: سوف الكثبان الثلاثي منتظم تسفر عن أنماط منتظمة الصرف hyporheic، ولكن لن تظهر الكثير من التعقيد كما الكثبان الرملية الطبيعية / bedforms تموج.
    5. مرة واحدة يتم تحقيق bedforms المطلوب، والحد من معدل تدفق المياه إلى أن يتباطأ نقل الرواسب السرير وخصائص bedform تتوقف المتغيرة.
      1. نلاحظ بصريا الحركة من الحبوب الرواسب التي تضم السرير، والحد من تدفق حتى توقف الحركة.
        ملاحظة: هذا الحفاظ على التشكل السرير لمدة التجربة.
      2. للتأكد من أن بطيئة، والحركة العرضية لا يحدث، أو علامة bedform صورة المواقف ومن ثم مراقبة في وقت لاحق.
        ملاحظة: من المهم فقط أن bedforms لا تتحرك بشكل كبير خلال الإطار الزمني للتجربة، بحيث يوفرفترة الملاحظة كافية لتأكيد أن bedforms مستقرة.
    6. ضبط المنحدر المسايل و / أو عمق المياه لتحقيق تدفق موحد تحت معدل تدفق منخفض.
      1. قناة التحكم المنحدر من خلال المعدات التي شيدت في المسايل، وعادة إما جاك بمحركات أو من ناحية كرنك. ضبط عمق المياه عن طريق إضافة أو إزالة المياه من المسايل.
        ملاحظة: في الإعداد التجريبية المستخدمة هنا، هي التي شنت على المسايل كامل على المحور في نهاية المصب، ويتم تعيين المنحدر من قبل جاك بمحركات في نهاية المنبع.
      2. أثناء تشغيل المضخة، تحديد موقعين طولية ملحوظ مع خطوط عمودية إلى الجزء السفلي من المسايل. في هذه المواقع، استخدام مسطرة لقياس المسافة على طول هذه الخطوط المتعامدة، وبين سطح الماء والجزء السفلي من المسايل.
        ملاحظة: اعتمادا على الإعداد المسايل، والجزء السفلي من المسايل قد يكون بمثابة خط المرجعية أفضل منحدر من الجزء السفلي من المسايل. اختيار لارسوف الالماني مسافة طولية تسفر عن مزيد من الدقة.
      3. ضبط المنحدر من المسايل و / أو عمق المياه وإعادة قياس حتى قياسات المسافة العمودية هي نفسها لتحقيق تدفق منتظم. قياس المسافة الأفقية منحدر على طول الجزء السفلي من المسايل بين هذه المواقع طولية اثنين.
    7. وقف ضخ وانتظر المياه لوقف التحرك. هذا سيوفر سطح مستو. إعادة قياس المسافة بين الجزء العلوي من المسايل وسطح المياه في كل موقع الطولي.
      ملاحظة: منحدر قناة يساوي الفرق بين هذه القياسات، مقسوما على المسافة الأفقية منحدر بينهما.
    8. إعادة تشغيل المضخة.
    9. حدد قسم الاختبار، الذي يجب أن يكون موقعا قرب نهاية المتوسطة أو المصب من المسايل حيث شكلت الكثبان نمط منتظم. تأكد من أن هذا القسم يشمل bedform كامل واحد على الأقل.
    10. قياس وتسجيل متوسط ​​عمق الرواسب (D) في اله اختبار القسم مع أي ابتكار قياس اليد (الحكام شفافة مثالية). لالبساطة، استخدم متوسط ​​المسافة من قمة والحوض الصغير إلى أسفل المسايل.
    11. قياس وتسجيل ارتفاع متوسط ​​bedform في قسم الاختبار، الذي يعرف بأنه الفرق بين عمق الرواسب في قمة وعمق الرواسب في القاع مع الحاكم. قياس عدة bedforms للحصول على تقدير جيد من المتوسط.
    12. مرة أخرى باستخدام المسطرة، وقياس وتسجيل متوسط ​​عمق المياه (د) في قسم الاختبار، الذي يعرف بأنه متوسط ​​المسافة من سطح الماء إلى سرير الرمل. مرة أخرى، استخدم عمق المياه متوسط ​​في القمم الكثبان الرملية وأحواض للبساطة.
    13. تسجيل معدل التدفق قناة (س) من مقياس الجريان، وحساب متوسط ​​السرعة كما Q / (د * ث)، حيث ث هو عرض من المسايل ود هو عمق المياه.
      ملاحظة: يتم إدخال لدينا مقياس الجريان في حلقة إعادة تدوير المسايل.
    14. قياسوسجل متوسط ​​الطول الموجي bedform في قسم الاختبار. عادة، وقياس الطول الموجي والمسافة بين قمم الكثبان الرملية المتعاقبة.
    15. فتح محاكاة Mousedrop (في منصة NetLogo) وتأكد من أن جميع القياسات تقع ضمن نطاقات متغير المحددة في واجهة المستخدم المحاكاة. إذا سقطت المعلمة المقاسة خارج نطاق القيد، وضبط مجموعة المعلمة محاكاة بالنقر بزر الماوس الأيمن على المعلمة "المنزلق"، واختيار "تحرير"، وضبط دقيقة / القيم كحد أقصى.
  2. تصور الصرف hyporheic.
    1. ضبط الكاميرا في مكان ثابت (يفضل أن يكون على ترايبود) أشار متعامد على الجدار المسايل مع bedform واحد في قسم اختبار تركز في الصورة.
      ملاحظة: هذا سوف تجنب مشاكل منظور مائل.
    2. التقاط صورة اختبار للتحقق من الظروف. ضبط الإضاءة إذا التأملات هي المشكلة.
    3. استخدام المحاقن والإبر، وجعل 2-3 الصغيرة ط صبغnjections بالقرب من الجدار المسايل. تأكد من أن هذه الحقن شكل بقع ~ الجولة 2 سم من porewater الملونة في مجموعة متنوعة من المواقع الرأسي والأفقي. استخدام الرعاية للحد من التأثير السلبي على السرير الرمال خلال الحقن.
      ملاحظة: حقن كميات صغيرة من الصبغة تسمح للمستخدم معرفة المزيد من التفاصيل وعرض مسارات تدفق الفردية.
    4. تسجيل وقت بدء حقن صبغة وتأخذ الصورة الأولية.
      اختياري: يمكن أن يكون التعليمي لتتبع الجبهات الصبغة الأولية مع علامات على ورقة الشفافية، بحيث تكون حركة صبغ ملاحظتها بسهولة في المختبر، ولكن هذه الخطوط أيضا عرقلة أجزاء صغيرة من الجبهات الصبغة في الصور، حتى لا يكون هناك بالتجارة إيقاف.
    5. القبض على مواقف صبغ الجبهة في فترات زمنية مناسبة. للمرة الفاصل بين التصوير الفوتوغرافي، استخدم 30 فترات ثانية لإعطاء النتائج على نحو سلس.

3. محاكاة

  1. تشغيل المحاكاة 1: Mousedrop ومقارنتها مع نقل صبغ الملحوظ.
    1. فتح البرنامج النصي محاكاة اسمه Mousedrop.nlogo.
      figure-protocol-1
      الشكل 2. Mousedrop. وهذا يدل على استشفاف حيث هي في 7 حالات مختلفة في الوقت المناسب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
    2. ضبط معلمات النظام البدنية هو مبين في الجدول رقم 1 لتتناسب مع الظروف التجريبية المسايل (على وجه التحديد: لامبدا، BedformHeight، BedDepth، HydrCond، المسامية، ChannelVelocity، العمق، والمنحدر). ومن المؤكد أن تولي اهتماما كبيرا لوحدات عند دخول معلمات الإدخال.
    3. ضبط المتزلجون TIME1، Time2، وما إلى ذلك لتشير إلى الأوقات التي ستغير محاكاة تتبع اللون. تعيين هذه التغييرات اللون لتتناسب مرات المراقبة من أجل تسهيل المقارنة بين نتائج المحاكاة مع الملاحظات.
      ملاحظة: إذا تم تعيين كافة المعلمات الوقت إلى 0، فإن محاكاة عرض لون واحد طوال الوقت.
    4. بعد أن يتم تعيين كافة المعلمات، انقر فوق الزر الإعداد.
      ملاحظة: يجب أن تظهر bedform في عرض المحاكاة.
    5. انقر على زر الفأرة الإفلات تشير إلى المواقع بدءا من استشفاف الافتراضية. لاحظ أن مواقع متعددة في السرير يمكن النقر عليها. عقد الماوس لأسفل لاطلاق سراح التتبع أكثر الظاهري. عندما محاكاة حركة صبغ، واستخدام الماوس إلى أي تتبع الجبهات صبغ (الحدود حول صبغ) أو ملء كامل مساحة المنطقة المصبوغة.
      ملاحظة: سوف تقديم مزيد من التتبع الظاهري يتسبب في محاكاة لتشغيل أكثر ببطء. سوف تختلف على أفضل النتائج البصرية مع أداء جهاز الكمبيوتر.
    6. مرة واحدة وضعت كل من استشفاف الافتراضية، يمكنك إما النقر فوق زر المسبق لفي المرة القادمة، والتي سوف تبدأ المحاكاة ثم إيقافه في المرة الأولى أو يمكنك النقر على زر العودة / إيقاف لبدء simulأوجه إلى أجل غير مسمى. لا إعادة انقر على زر الإعداد، أو سوف استشفاف أن توضع مرة أخرى.
      ملاحظة: بمجرد أن تبدأ المحاكاة تشغيل، يتم حساب سرعة لموقع كل التتبع على أساس المعلمات المحاكاة في المعادلات 4 و 5. والتحركات التتبع وفقا لمجال سرعة لمدة 100 ثانية محاكاة ومن ثم يتم حساب سرعة في الموقع الجديد ويتكرر هذا الإجراء حتى يترك التتبع النظام.
    7. اختياريا، انقر فوق زر التنقل / توقف مرارا وتكرارا إلى وقفة / تواصل المحاكاة. مقارنة التوزيعات صبغ محاكاة وقياس في نقاط مختلفة في الوقت المناسب.
  2. تشغيل المحاكاة 2: واجهة.
    1. فتح البرنامج النصي بعنوان اجهة.
      figure-protocol-2
      الرقم 3. واجهة. وهذا يدل على 370 استشفاف التي تتدفق من خلال باطن الأرض باستخدام المحاكاة واجهة. السلطة الفلسطينية التتبعوتشير تي إتش إس حيث كان كل التتبع منذ بدء تشغيله في واجهة سطح المياه تحت السطحية. في نهاية المطاف كل مسارات التدفق يجب أن تعود إلى المياه السطحية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
      ملاحظة: هذا البرنامج النصي يقدم استشفاف الظاهرية على سطح مجرى النهر بطريقة التمويه المرجحة على أساس سرعات تحت السطحية المحسوبة. وهذا يوفر التمثيل المرئي للكميات النسبية من المياه المتدفقة إلى (وخارج) في مجرى النهر في مواقع مختلفة.
    2. تبدأ بالضغط الإعداد تليها دفعة و/ إيقاف.
      ملاحظة: سيتم تشغيل هذا محاكاة مع الإعدادات الافتراضية. ضبط مفتاح إعادة الإفلات؟ في البداية إلى الخروج، لذلك سيتم تآمر على توزيع الوقت الإقامة التراكمي مع مرور الوقت.
    3. بعد مراقبة محاكاة مع المعلمات الافتراضية، انقر فوق ذهاب / إيقاف لوقف المحاكاة.
    4. تغيير معلمة واحدة أو أكثر ثم انقر فوق الإعداد تليها دفعة و/ إيقاف.
      ملاحظة: هذا إعادة تشغيل المحاكاة مع المعلمات التي تم اختيارها.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

استخدام المحاكاة بالتزامن مع التجارب يتيح للطلاب لمراقبة أوجه التشابه والاختلاف بين النماذج الرياضية المثالية والنظم الحقيقية أكثر تعقيدا. يبين الشكل 4 مثالا مقارنة الصور حقن الصبغة مع المحاكاة Mousedrop. يتم استخدام صورة أولية لتحديد وضع الصبغة الكاشفة محاكاة في وقت الصفر، ومن ثم يتم تشغيل محاكاة ل34.2 دقيقة ومقارنة مع صورة فوتوغرافية التقطت في ذلك الوقت. عموما نموذج يقوم بعمل ممتاز لالتقاط حركة المياه مصبوغ خلال هذه الفترة الزمنية. وسائل الصبغة الأولى، ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

بالتزامن، تقدم المظاهرة وتتبع الجسيمات المحاكاة المسايل مقدمة شاملة إلى تدفق hyporheic لمجموعة من الجماهير. وقدم المشاركون من جميع المستويات أدلة بصرية لحدوث تبادل hyporheic الناجمة عن bedforms، وتباين قوي في مسارات التدفق تحت سطح الأرض تحت bedforms. ويمكن استخدام هذه الإجراءات كما مظاهرة بسيطة من تدفق porewater للطلاب الجامعيين أو K-12 طالبا، أو أنها يمكن أن تستخدم في مقررات الدراسات العليا بالتزامن مع عرض أكثر تعمقا من الهيدروليكية النهر، نقل الرواسب، وآليات الصرف hyporheic . بغ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

تستند هذه المادة إلى العمل المدعوم من منح المؤسسة الوطنية للعلوم EAR-0810270 و EAR-1215898 و EAR-1344280 ، بالإضافة إلى زمالة أبحاث الدراسات العليا NSF.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

تصميم الأغذية :
قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
مختبر الهندسةFlumeمجرى مختبر مخصص مع جوانب واضحة لمدة 24-48 ساعة. بدلا من ذلك ، يمكن إنشاء مجرى تعليمي صغير بأقل من 300 دولار باتباع الإرشادات الواردة في موادنا التكميلية.
مقياس الجريانRosemount 8800 دوامة يقع هذا داخل حلقة إعادة تدوير المجرى
الرملالولايات المتحدة. السيليكاF30رمل من الدرجة البحثية لتشكيل طبقة بعمق 10-20 سم في جميع أنحاء المجيل
عينات صبغمن شركاتصبغة غذائية قابلة للذوبان في الماء مصنوعة في محلول مائي. تعمل الألوان الداكنة مثل الأحمر والأزرق والأخضر بشكل أفضل. (تجنب أصباغ الطعام في البروبيلين جلايكول.)
حقنةHSW4100.000V05-10 مل ، <م > على سبيل المثال < / م > HSW Norm-Ject 2 جزء حقنة يمكن التخلص منها
PipettingNeedle Cadence Science794214-gage ، 6 في نهاية حادة ،   ؛ لحقن الصبغة بعمق في الرمال.
الكاميرا الرقميةأيكاميرا رقمية مع حامل ثلاثي القوائم ثابت. (يمكن استخدام كاميرات الفاصل الزمني لجمع بيانات سريعة متباعدة بشكل متساو.) استخدمنا كاميرا نيكون D7000.
المسطرةأيشفاف هو الأفضل.
شريط قياسأي
برنامج NetlogoCCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogoNetlogo Commons4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258

المراجع

  1. Huettel, M., Webster, I. T. Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).
  2. 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).
  3. Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Jones, J. B., Mulholland, P. J. Streams and Ground Waters. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).
  7. 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).
  8. Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
  9. Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
  13. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
  23. Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
  24. Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
  25. Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
  26. Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
  27. 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).
  28. Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
  29. Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
  30. Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
  31. 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).
  32. Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
  33. Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
  34. Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. , John Wiley & Sons. (1987).
  35. Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906(1979).
  36. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).
  37. Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
  41. Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
  42. Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
  43. 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).
  44. Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
  45. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  46. Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
  47. 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).
  48. 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. , US Geological Survey. Reston, VA, USA. (2000).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

NetLogo

مقالات ذات صلة