可视化潜流流通过底形用染料试验及仿真

Summary

这份手稿描述了如何在水槽中创建规则的床模，可视化通过床模的流动，并使用计算机模拟来模拟流动。 计算机模拟结果与实验观察结果相差无几。 这种耦合的模拟和实验非常适合研究和教育目的。

Abstract

沉积物孔隙空间和上覆水柱，堪称河流环境潜流交换之间的对流交换，推动河流和许多重要的生物地球化学过程溶质运移。为了提高通过视觉展示这些过程的了解，我们创建了一个潜流流动模拟的多主体的计算机建模平台的NetLogo。仿真结果表明虚拟示踪剂流经长满了二维河床一个河床。沉积物，流，和底形特性被用作输入变量的模型。我们举例说明如何将这些模拟匹配实验观测到的实验室水槽实验，根据测得的输入参数。染料被注入到水槽沉积物形象化孔隙水流动。用于比较的虚拟示踪粒子被放置在模拟中相同的位置。这加上模拟和实验室实验已成功应用于本科和graduaTE实验室直视河孔隙水的相互作用，并展示如何基于物理的流动模拟可以再现环境现象。生了该床的照片通过透明水槽壁和比较它们的染料在模拟同一次的形状。这导致非常相似的趋势，这使得学生更好地理解流动模式的数学模型两者。模拟还允许用户通过运行多个模拟快速查看每个输入参数的影响。这个过程也可以用在研究中的应用来说明基本流程，涉及界面通量和孔隙水运输，并支持定量的过程的建模。

Introduction

由于地表水的动作在流，河流或潮间带它创建头梯度驱动的水流入和流出的沉积物^1。在河流系统的河床沉积物，其中该交换发生的部分是被称为潜流带^2,3。这个区域是非常重要的，因为许多营养物质和污染物的存储，存放，或潜流带^4-9范围内改变。的时间示踪剂花费在沉积物的量被称为停留时间。既停留时间和流动通道的位置会影响转化过程。影响流过泥沙的过程中认识的提高是需要预测溶质运移的河流和解决从材料的传播导致，如营养物质（例如沿海缺氧^10,11）大环境的问题。尽管潜流交换的重要性，它往往不是在本科课程水文描述，流体力学，水力学等教育工作者希望增加潜流交换他们的课程可能会发现它有用有实验和数值模拟可视化，明确表明了这一过程。

河道弯度，周围的地下水水位和河床地形（如酒吧，河床和生物丘）都会影响潜流交换不同程度^12-17。这项研究的重点河床，如沙丘和波纹，这通常是影响潜流流^14,15键地貌特征。我们创建了一个数值模拟和实验室实验过有规律的一系列底形的可视化流程。此模拟基于以前的研究有关潜流流路，以容易观察到的系统特性^15,18-21的本体。作为这项研究形成了科学背景的模拟，理论的主要方面简要总结如下。底形地形，T（X），计算公式如下:

Protocol

1.仿真软件

1. 使用本节所述的软件。
   1. 下载并安装免费/开源的多智能体建模语言和仿真平台，的NetLogo（可用:http://ccl.northwestern.edu/netlogo/，版本5.1或更高版本）。
      注:该软件是免费提供的成本和运行在所有主要操作系统（Windows / Mac上/ Linux的）。
   2. 下载伴随该实验室过程中的两个具体的仿真脚本文件（mousedrop.nlogo和interface.nlogo）。 (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      注意:一旦仿真平台的安装和这些文件下载完毕后，双击这些文件会自动打开牛逼他模拟了起来，准备运行。

2.水槽演示

1. 建立实验室水....

Results

在实验中结合使用模拟可以让学生观察的相似和理想化的数学模型和更复杂的真实系统之间的差异。 图4示出了比较染料注射的照片与Mousedrop模拟的例子。初始照片被用于确定在零时间的放置模拟染料示踪物，然后将模拟运行为34.2分钟，并与在当时拍摄的照片进行比较。总体模型对捕捉染色水的运动超过这个时间间隔一个出色的工作。第一染料斑点，位于底形的背风面，退出在模拟和实验系统，这两个沉积物。第二伸长和向下行进形成月牙形状，因为它展开，从而使一些示踪剂的离开原来的位置和一些上游的下游。最后染料斑点传播上游和一些示踪剂的行进更深成沉淀物。这表明，潜流交换下的河床和潜流交换流量的模式涉及到底形几何形状发生。仿真和实验之间的强有力的协议，验证了模型方程为一阶的水平。这个过程也清楚地表明，潜流交换，与底形大小缩放一个显著的过程，并且在底形的孔隙水的，几乎一半上游流动。在仔细检查，但是，小的差异，可以观察到的和模拟染料交通之间看到。模拟比实际染料图案平滑和不作为深深伸入沉淀物。这些差异导致的测量误差和二阶物理效应从不规则底形的几何形状，可变性在沉积物填料等造成，.......

Discussion

中联，水槽示范和粒子跟踪模拟提供了一个全面的介绍潜流流量的的受众。各级参加者提供视觉证据潜流交换的发生引起的河床，并在地下流动路径的可变性强下底形。这些程序可以作为孔隙水流动的一个简单的演示本科生或K-12的学生，也可以用在研究生课程结合了更深入介绍河流水力学，泥沙输移和潜流交换的机制。无论水平如何，使用这种简单的可视化模型作为互动技术可以让学生形成这些复杂和重要的现象比将通过抽象的理论和讨论达到一个更深入的了解。

虽然使用这些方法，物理系统和simulati之间的差异上不应该被看作是"错误"，但作为代替"教育时机"， 即起点，这将最终导致更大的学习的讨论。学生领导考虑了一些问题，其中包括:什么是所有的误差源（模型，测量和实验室程序）？哪一项可能有助于模拟和观测之间的差异？在模型的制定作了哪些简化假设？重要的是如何微小的差异，以及他们做模型"错"？由于统计学家乔治箱有句名言:"从本质上讲，所有的模型都是错误的，但有些是有用的^。"34良好的科学模型捕获系统的某些基本特征，从而导致更好的了解，同时也忽略了细节，相关性较小到手头的问题。这个水槽实验.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
水槽	工程实验室设计	定制	实验室水槽，侧面清晰，24-48 小时。 或者，可以按照我们补充材料中提供的指南以低于 300 美元的价格建造一个小型教学水槽。
流量计		8800 涡流	它位于水槽的再循环回路内
沙	我们。二氧化硅	F30	研究级沙子，在整个水槽中形成 10-20 厘米深的层
来自食品公司的		染料	水溶性食品级染料制成水溶液。红色、蓝色和绿色等深色效果最好。（避免在丙二醇中使用食用染料。
注射器	HSW	4100.000V0	5-10 ml，例如 HSW Norm-Ject 2 部分一次性注射器
移液针	Cadence Science	7942	14 号，6 英寸平头，  将染料注入沙子深处。
数码相机	任何		带有稳定三脚架的数码相机。（延时相机可用于收集快速均匀分布的数据。我们用的是尼康 D7000。
Ruler	Any		Transparent 是最好的。
卷尺	任何
Netlogo 软件	CCL		http://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogo	Netlogo Commons	4259	http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogo	Netlogo 共享资源	4258	http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258