Visualización de Flujo hyporheic A través de formas de fondo Utilizando Experimentos Dye y Simulación

Summary

Este manuscrito describe cómo crear formas de lecho regulares en un canal, visualizar el flujo a través de las formas de cama y usar simulaciones por computadora para simular el flujo hiporreico. Las simulaciones por computadora se comparan bien con las observaciones experimentales. Esta simulación y experimento combinados son adecuados tanto para fines de investigación como educativos.

Abstract

Intercambio advectivo entre el espacio de los poros de los sedimentos y la columna de agua suprayacente, llamado intercambio hyporheic en entornos fluviales, impulsa el transporte de solutos en ríos y muchos procesos biogeoquímicos importantes. Para mejorar la comprensión de estos procesos a través de la demostración visual, hemos creado una simulación de flujo hyporheic en el multi-agente de la plataforma de modelado por computadora NetLogo. La simulación muestra trazador virtual que fluye a través de un lecho cubierto con bedforms bidimensionales. Sedimentos, de flujo, y bedform características se utilizan como variables de entrada para el modelo. Nos ilustran cómo estas simulaciones coinciden con las observaciones experimentales de experimentos canal de laboratorio basado en parámetros de entrada medidos. Se inyecta en los sedimentos del canal de descarga para visualizar el flujo de agua intersticial. Para la comparación partículas trazadoras virtuales se colocan en los mismos lugares en la simulación. Esta simulación y laboratorio de experimento junto ha sido utilizado con éxito en pregrado y gradualaboratorios del te para visualizar directamente las interacciones río-intersticial y mostrar cómo las simulaciones de flujo basados ​​en la física pueden reproducir los fenómenos ambientales. Los estudiantes tomaron fotografías de la cama a través de las paredes flume transparentes y los compararon con las formas del colorante a la misma hora en la simulación. Esto dio lugar a tendencias muy similares, lo que permitió a los estudiantes a comprender mejor tanto los patrones de flujo y el modelo matemático. Las simulaciones también permiten al usuario visualizar rápidamente el impacto de cada parámetro de entrada mediante la ejecución de múltiples simulaciones. Este proceso también se puede utilizar en aplicaciones de investigación para ilustrar procesos básicos, se refieren flujos interfaciales y el transporte de poros, y apoyar el modelado cuantitativo basado en el proceso.

Introduction

Como agua superficial se mueve en una corriente, río o zona de mareas crea gradientes de cabeza que impulsan el agua dentro y fuera de los sedimentos ^1. En los sistemas fluviales la porción de los sedimentos cauces donde se produce este intercambio se conoce como la zona de ^2,3 hyporheic. Esta zona es importante porque muchos nutrientes y contaminantes se almacenan, depositados, o se transforman dentro de la zona hyporheic ^4-9. La cantidad de tiempo que un trazador pasa en el sedimento se llama un tiempo de residencia. Ambos tiempos de residencia y las ubicaciones de las trayectorias de flujo afectan a los procesos de transformación. ....

Protocol

1. Software de Simulación

1. Utilice el software que se describe en esta sección.
   1. Descargue e instale la / de código abierto multi-agente lenguaje libre de modelado y la plataforma de simulación, NetLogo (Disponible: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versión 5.1 o posterior).
      Nota: Este software está disponible sin costo alguno y funciona en todos los sistemas operativos (Windows / Mac / Linux).
   2. Descargue los dos archivos de script de simulación específicos (mousedrop.nlogo y interface.nlogo) que acompañan a este procedimiento de laboratorio. (Available:

Results

El uso de una simulación en conjunto con experimentos permite a los estudiantes para observar las similitudes y diferencias entre los modelos matemáticos idealizados y sistemas reales más complejas. La figura 4 muestra un ejemplo comparando fotografías de inyección de tinte con simulaciones Mousedrop. La fotografía inicial se utiliza para determinar la ubicación del trazador tinte simulado en el tiempo cero, a continuación, la simulación se ejecuta de 34,2 min y se comparó con una fotografía to.......

Discussion

En conjunto, los demostrativos y seguimiento de partículas simulaciones flume proporcionan una amplia introducción al flujo de hyporheic para una variedad de audiencias. Los participantes de todos los niveles se proporcionan evidencia visual de la aparición de intercambio hyporheic inducida por bedforms, y la fuerte variabilidad en vías de flujo subsuperficial bajo bedforms. Estos procedimientos pueden ser utilizados como una simple demostración de flujo intersticial para estudiantes universitarios o estudiantes K-12, o.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Diseño	laboratorio de ingeniería		Canal de laboratorio personalizado con lados transparentes durante 24-48 horas. Alternativamente, se puede construir un pequeño canal de enseñanza por menos de 300 dólares, siguiendo las pautas proporcionadas en nuestros materiales complementarios.
Caudalímetro	Rosemount	8800 vórtice	Este se encuentra dentro del circuito de recirculación del canal
Arena	de EE. UU. Sílice	F30	Arena de grado de investigación para formar una capa de 10-20 cm de profundidad a lo largo del canal
Tinte	Muestras de empresas		alimentarias Colorante de grado alimenticio soluble en agua convertido en una solución acuosa. Los colores oscuros como el rojo, el azul y el verde funcionan mejor. (Evite los colorantes alimentarios en propilenglicol).
Jeringa	HSW	4100.000V0	5-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject Jeringa desechable de 2 partes
Pipetting Needle Cadence Science		7942	14, extremo romo de 6 pulgadas,   para inyectar el tinte profundamente en la arena.
Cámara digital	Cualquier		cámara digital con trípode fijo. (Las cámaras de lapso de tiempo se pueden usar para recopilar datos rápidos y espaciados uniformemente). Usamos una Nikon D7000.
Regla	: Cualquier		transparente es la mejor.
Cinta métrica	Cualquier
software de Netlogo	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