Visualisierung wortlich Übermittlung über bedforms Mit Dye Experimente und Simulation

Summary

Dieses Manuskript beschreibt, wie man regelmäßige Bettformen in einer Rinne erstellt, die Strömung durch die Bettformen visualisiert und Computersimulationen verwendet, um die hyporheische Strömung zu simulieren. Die Computersimulationen lassen sich gut mit den experimentellen Beobachtungen vergleichen. Diese gekoppelte Simulation und das Experiment eignen sich sowohl für Forschungs- als auch für Bildungszwecke.

Abstract

Advektiven Austausch zwischen den Porenraum der Sedimente und der darüberliegenden Wassersäule, die so genannte hyporheischen Austausch in Flussumgebungen treibt Stofftransport in Flüssen und viele wichtige biogeochemischen Prozessen. Um das Verständnis dieser Prozesse durch visuelle Demonstration zu verbessern, haben wir ein hyporheischen Strömungssimulation in der Multi-Agenten-Computermodellierungsplattform NetLogo erstellt. Die Simulation zeigt virtuelle Tracer durch ein Bachbett mit zweidimensionalen bedforms abgedeckt fließt. Sediment, Fluss und bedform Merkmale als Eingangsgrößen für das Modell verwendet wird. Wir zeigen, wie diese Simulationen entsprechen experimentellen Beobachtungen aus Laborexperimenten Gerinne basierend auf gemessenen Eingabeparameter. Farbstoff in die Gerinne Sedimente injiziert, um die Porenwasserfluss zu visualisieren. Zum Vergleich virtuellen Markierungspartikel werden an den gleichen Stellen in der Simulation gesetzt. Dieses gekoppelte Simulation und Laborversuch ist erfolgreich in Undergraduate-und gradua verwendette Laboratorien Flussporenwasser Wechselwirkungen direkt zu visualisieren und zu zeigen, wie physikalisch basierten Strömungssimulationen können Umweltphänomene zu reproduzieren. Studenten fotografierte des Bettes durch die transparenten Wände Gerinne und verglichen sie mit Formen des Farbstoffes zu den gleichen Zeiten in der Simulation. Dies führte zu sehr ähnliche Trends, die die Schüler zu besseren sowohl die Strömungsmuster und das mathematische Modell zu verstehen erlaubt. Die Simulationen erlauben es dem Benutzer, um die Auswirkungen der einzelnen Eingabeparameter schnell zu visualisieren, indem Sie mehrere Simulationen. Dieses Verfahren kann auch in Forschungsanwendungen verwendet werden, um grundlegende Prozesse zu veranschaulichen, beziehen Grenzflüsse und Porenwassertransport, und unterstützen quantitative Prozessbasierte Modellierung werden.

Introduction

Als Oberflächenwasser bewegt sich in einem Strom, Fluss oder Gezeitenzone schafft Kopf Farbverläufe, die Wasser in die und aus den Sedimenten ¹ zu fahren. In Flusssysteme der Anteil der Bachsedimenten, wo dieser Austausch erfolgt als hyporheischen Zone ^2,3 bekannt. Dieser Bereich ist wichtig, weil viele Nähr- und Schadstoffe gespeichert sind, abgeschieden wird, oder innerhalb des hyporheischen Zone ^4-9 umgewandelt. Die Zeitspanne ein Tracer in dem Sediment verbleiben kann Verweilzeit bezeichnet. Beide Verweilzeiten und die Positionen der Strömungswege beeinflussen die Transformationsprozesse. Verbessertes Verständnis der Prozesse Flus....

Protocol

1. Simulation Software

1. Verwenden Sie die in diesem Abschnitt beschriebenen Software.
   1. Downloaden und installieren Sie die freie / Open-Source-Multi-Agenten-Modellierungssprache und Simulationsplattform, NetLogo (Verfügbar: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, Version 5.1 oder höher).
      Hinweis: Diese Software ist kostenlos erhältlich und läuft auf allen gängigen Betriebssystemen (Windows / Mac / Linux).
   2. Laden Sie die beiden spezifischen Simulationsskriptdateien (mousedrop.nlogo und interface.nlogo), die dieses Laborverfahren zu begleiten. (Available:

Results

Die Verwendung einer Simulation in Verbindung mit Experimenten ermöglicht es den Studierenden, um die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen idealisierten mathematischen Modelle und komplexer realer Systeme zu beobachten. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel vergleichen Farbstoffinjektion Fotografien mit Mousedrop Simulationen. Die anfängliche Fotografie verwendet wird, um die Platzierung des simulierten Farbtracer zum Zeitpunkt Null zu bestimmen, und dann wird die Simulation für 34,2 min laufen und.......

Discussion

In Verbindung, die Wildwasserbahn Demonstration und Partikelverfolgung Simulationen bieten eine umfassende Einführung in hyporheischen Fluss für eine Reihe von Zielgruppen. Die Teilnehmer aller Stufen sind für das Auftreten von hyporheischen Austausch durch bedforms induziert und der starken Variabilität in unterirdischen Fließwege unter bedforms vorgesehen visuelle Beweise. Diese Verfahren können als einfache Demonstration der Porenwasserfluss für Studenten oder K-12 Studenten verwendet werden, oder es kann in Aufbaust.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Flume	Engineering Laboratory Design	Custom	Laboratory Rinne mit klaren Seiten für 24-48 Stunden. Alternativ kann eine kleine Lehrrinne für unter 300 Dollar gebaut werden, die den Richtlinien in unseren ergänzenden Materialien folgt.
Durchflussmesser	Rosemount	8800 Vortex	Diese befindet sich innerhalb des Rezirkulationskreislaufs der Rinne
Sand	US. Kieselsäure	F30	Sand in Forschungsqualität, um eine 10-20 cm tiefe Schicht in der gesamten Rinne zu bilden
Farbstoffproben	von Lebensmittelunternehmen		Wasserlöslicher Farbstoff in Lebensmittelqualität, der zu einer wässrigen Lösung verarbeitet wird. Dunkle Farben wie Rot, Blau und Grün funktionieren am besten. (Vermeiden Sie Lebensmittelfarbstoffe in Propylenglykol.)
Spritze	HSW	4100.000V0	5-10 ml, z.B. HSW Norm-Ject 2-teilige Einmalspritze
Pipettiernadel	Cadence Science	7942	14-gage, 6-Zoll stumpfes Ende, um den Farbstoff tief in den Sand zu injizieren.
Digitalkamera	Jede		Digitalkamera mit stabilem Stativ. (Zeitrafferkameras können verwendet werden, um schnelle, gleichmäßig verteilte Daten zu sammeln.) Wir haben eine Nikon D7000 verwendet.
Lineal	Any		Transparent ist am besten.
Maßband	beliebig
Netlogo Software	CCL		http://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogo	Netlogo Commons	4259<	a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogo	Netlogo Commons	4258<	a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258