Name: Visualización de Flujo hyporheic A través de formas de fondo Utilizando Experimentos Dye y Simulación (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Aprende a visualizar el flujo hiporreico mediante experimentos con tinte y simulaciones computacionales en NetLogo. Este método combina laboratorio físico y software interactivo para enseñar conceptos hidrológicos.

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Este material se basa en el trabajo respaldado por las subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias EAR-0810270, EAR-1215898 y EAR-1344280, así como una beca de investigación de posgrado de la NSF.

1. Software de Simulación <ol><li> Utilice el software que se describe en esta sección. <ol><li> Descargue e instale la / de código abierto multi-agente lenguaje libre de modelado y la plataforma de simulación, NetLogo (Disponible: <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/,</a> versión 5.1 o posterior). Nota: Este software está disponible sin costo alguno y funciona en todos los sistemas operativos (Windows / Mac / Linux). </li><li> Descargue los dos archivos de script de simulación específicos (mousedrop.nlogo y interface.nlogo) que acompañan a este procedimiento de laboratorio. (Available: <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a> and <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a> ) Nota: Una vez que la plataforma de simulación está instalado y estos archivos se han descargado, haga doble clic en estos archivos se abre automáticamente tél simulaciones, listo para funcionar. </li></ol></li></ol> 2. Flume Demostración <ol><li> Configure el canal de laboratorio a fin de que todos los parámetros (Tabla 1) caen dentro de las limitaciones de simulación mousedrop rango de parámetros. Nota: Las restricciones se pueden ajustar en mousedrop, si es necesario para el sistema físico mediante la edición de los controles deslizantes. <ol><li> Vierta una capa de aproximadamente 15 a 25 cm de arena en el canal. Mida y registre la conductividad hidráulica y la porosidad de la arena siguiendo métodos estándar 32,33. </li><li> Llene el canal con aproximadamente 20 a 30 cm de agua. </li><li> Iniciar el canal de flujo y aumentar la velocidad de flujo a un nivel que es lo suficientemente rápido para mover los granos de arena y por lo tanto para crear bedforms. Nota: El caudal se puede ajustar aún más para refinar características bedform con la práctica. Tamaños Bedform son el resultado de la tasa de flujo, la profundidad del agua y propiedades de la arena. </li><li> Permitir bedforms para desarrollar for 24.12 horas para formar dunas naturales / morfología de onda. Para acelerar este proceso, de forma manual forma dunas regulares, y luego permitir que el transporte de sedimentos de 4.12 h. Alternativamente, formar manualmente dunas triangulares regulares. Nota: Las dunas triangulares regulares producirán patrones regulares de intercambio hyporheic, pero no se mostrará tanto la complejidad como dunas naturales / bedforms ondulación. </li><li> Una vez que se alcanzan los bedforms deseados, reducir la tasa de flujo de agua hasta que ralentiza el transporte de sedimentos cama y características bedform detienen cambiante. <ol><li> Visualmente observar el movimiento de los granos de sedimento que comprenden la cama, y ​​reducir el flujo hasta que el movimiento cesa. Nota: Esto preservar la morfología de cama para la duración del experimento. </li><li> Para confirmar que, de movimiento lento episódica no está ocurriendo, posiciones de las marcas o fotografía bedform y luego observar en un momento posterior. Nota: Sólo es importante que bedforms no se mueven de manera significativa en el marco de tiempo del experimento, de modo que ofreceun tiempo de observación suficiente para confirmar que bedforms son estables. </li></ol></li><li> Ajuste pendiente canal de flujo y / o la profundidad del agua para conseguir un flujo uniforme bajo la velocidad de flujo reducida. <ol><li> Control de pendiente del canal a través del equipo construido en el canal, por lo general un enchufe motorizado o una manivela. Ajustar la profundidad del agua mediante la adición o eliminación del agua de la canal. Nota: En la configuración experimental utilizado aquí, todo el canal de flujo está montado sobre un pivote en el extremo de aguas abajo, y la pendiente se establece por un gato motorizado en el extremo de aguas arriba. </li><li> Mientras que la bomba está funcionando, seleccione dos ubicaciones longitudinales marcados con líneas perpendiculares a la parte inferior del canal. En estos lugares, utilizar una regla para medir la distancia a lo largo de estas líneas perpendiculares, entre la superficie del agua y la parte inferior del canal. Nota: Dependiendo de la configuración del canal, la parte inferior del canal puede servir como una línea de referencia más inclinada que la parte inferior del canal. Selección de un lardistancia longitudinal ger producirá una mayor precisión. </li><li> Ajustar la pendiente de la canal y / o la profundidad del agua y volver a medir hasta que las mediciones de distancia verticales son los mismos para conseguir un flujo uniforme. Medir la distancia horizontal inclinado a lo largo de la parte inferior del canal de flujo entre estas dos ubicaciones longitudinales. </li></ol></li><li> Parar la bomba y esperar a que el agua deje de moverse; esto proporcionará una superficie plana. Volver a medir la distancia entre la parte superior del canal y la superficie del agua en cada ubicación longitudinal. Nota: La pendiente del canal es igual a la diferencia entre estas mediciones, dividido por la distancia horizontal inclinada entre ellos. </li><li> Vuelva a arrancar la bomba. </li><li> Seleccione una sección de prueba, que debe ser un lugar cerca del final media o aguas abajo del canal donde las dunas han formado un patrón regular. Asegúrese de que esta sección abarca al menos un bedform completa. </li><li> Medir y registrar la profundidad de sedimentos promedio (D) in thsección de prueba e con cualquier legado de medición manual (gobernantes transparentes son ideales). Para simplificar, utilice la distancia media de la cresta y el valle hasta el fondo canal. </li><li> Medir y registrar la altura bedform medio en la sección de prueba, que se define como la diferencia entre la profundidad de sedimento en una cresta y la profundidad de sedimento en una cubeta con una regla. Mida varios bedforms para obtener una buena estimación de la media. </li><li> Una vez más el uso de la regla, medir y registrar la profundidad media del agua (d) en la sección de prueba, que se define como la distancia media de la superficie del agua para el lecho de arena. Una vez más, utilice la profundidad media del agua en las crestas de dunas y valles de la simplicidad. </li><li> Registre el caudal de canal (Q) desde el medidor de flujo, y calcular la velocidad media como Q / (d * w), donde w es la anchura de la canal y d es la profundidad del agua. Nota: Nuestro medidor de flujo se inserta en el bucle de recirculación del canal de flujo. </li><li> La mediday registrar la longitud de onda media bedform en la sección de prueba. Típicamente, medir la longitud de onda como la distancia entre las crestas de dunas sucesivas. </li><li> Abra la simulación Mousedrop (en la plataforma NetLogo) y comprobar que todas las mediciones están dentro de los rangos de variables especificadas en la interfaz de usuario de simulación. Si un parámetro medido cae fuera del rango de limitación, ajuste el rango de parámetros de simulación haciendo clic derecho en el &quot;slider&quot; parámetro, seleccionar &quot;editar&quot;, y el ajuste de los valores mín / máx. </li></ol></li><li> Visualice intercambio hyporheic. <ol><li> Ajuste la cámara en un lugar fijo (preferiblemente en un trípode) señaló ortogonal a la pared canal con una sola bedform en la sección de prueba centrada en la imagen. Nota: Esto evitará problemas de perspectiva oblicua. </li><li> Tome una foto de prueba para verificar las condiciones. Ajuste la iluminación si reflexiones son un problema. </li><li> Uso de la jeringa y la aguja, hacer 2-3 pequeño tinte injections cerca de la pared de canal. Asegúrese de que estas inyecciones forman ~ 2 cm parches redondos de agua intersticial de color en una variedad de lugares verticales y horizontales. Tenga cuidado para reducir al mínimo la perturbación de la cama de arena durante la inyección. Nota: Las inyecciones de volúmenes más pequeños de tinte permiten al usuario ver más detalles y ver caminos de flujo individuales. </li><li> Registre el tiempo de inicio de las inyecciones de colorantes y tomar una imagen inicial. Opcional: Puede ser educativo para rastrear los frentes iniciales de tinte con marcadores sobre papel transparencia, de modo que el movimiento de colorante es fácilmente observable en el laboratorio, pero estos contornos también bloqueará pequeñas porciones de los frentes de colorante en imágenes, por lo que no es un el comercio apagado. </li><li> Captura las posiciones delanteras de tinte a intervalos de tiempo apropiados. Por lapso de tiempo la fotografía, utilice intervalos de 30 seg para dar resultados suaves. </li></ol></li></ol> 3. Simulación <ol><li> Ejecutar Simulación 1: Mousedrop y comparar con el transporte de tinte observado.<ol><li> Abra el script de simulación llamado Mousedrop.nlogo. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> Figura 2. Mousedrop. Esta muestra donde trazadores son a los 7 casos diferentes en el tiempo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> </li><li> Ajuste los parámetros del sistema físico que se muestran en la Tabla 1 para que coincida con las condiciones experimentales flume (en concreto: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, porosidad, ChannelVelocity, Profundidad y pendiente). Asegúrese de prestar especial atención a las unidades al entrar en los parámetros de entrada. </li><li> Ajuste los deslizadores TIME1, tiempo 2, etc. para indicar momentos en que la simulación de seguimiento de color cambiará. Establecer estos cambios de color para que coincida con los tiempos de observación con el fin de facilitar la comparación de resultados de la simulación con observaciones. Nota: Si los parámetros de tiempo se ajustan a 0, la simulación mostrará un solo color en todas partes. </li><li> Después de todos los parámetros, haga clic en el botón de configuración. Nota: El bedform debería aparecer en la vista de la simulación. </li><li> Haga clic en el botón del ratón soltar para indicar los lugares de partida de trazadores virtuales. Tenga en cuenta que varias ubicaciones en la cama puede ser hecho clic. Mantenga el ratón hacia abajo para liberar trazador más virtual. Al simular el movimiento de tinte, utilice el ratón para trazar bien frentes de tinte (el límite en todo el tinte) o rellenar el área total de la región teñida. Nota: La introducción de más trazador virtuales hará que la simulación funcione más lentamente. Los mejores resultados visuales variarán con el rendimiento del equipo. </li><li> Una vez que todos los marcadores virtuales se han colocado, puede hacer clic en el botón de avanzar a la siguiente vez, que se iniciará la simulación y luego detenerlo en la primera vez, o puede hacer clic en el botón GO / STOP para iniciar la simulación indefinidamente. No vuelva a hacer clic en el botón de configuración, o los trazadores tendrán que ser colocado de nuevo. Nota: Una vez que la simulación se pone en marcha, la velocidad se calcula para la ubicación de cada trazador basado en parámetros de simulación en las ecuaciones 4 y 5. El trazador se mueve de acuerdo con el campo de velocidad para 100 segundos simulados y luego se calcula la velocidad en la nueva ubicación y el procedimiento se repite hasta que el trazador sale del sistema. </li><li> Opcionalmente, haga clic en el botón de encendido / parada de ir varias veces para pausar / continuar la simulación. Compara las distribuciones de tinte simulados y medidos en diferentes momentos. </li></ol></li><li> Simulación Run 2: Interfaz. <ol><li> Abra el guión titulado Interface. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> Figura 3. Interface. Esto muestra 370 trazadores que fluyen a través del subsuelo mediante la simulación de interfaz. El pa trazadorths muestran que cada trazador ha sido desde que se inició en la interfase tierra-agua del subsuelo. Finalmente todos los caminos de flujo deben regresar a la superficie del agua. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> Nota: Este script presenta trazadores virtuales en la superficie del cauce de un modo de flujo ponderado basado en velocidades subsuperficiales calculados. Esto proporciona una representación visual de las cantidades relativas de agua que fluye en (y fuera de) el lecho del río en diferentes lugares. </li><li> Comience haciendo clic en configuración seguido por go / stop. Nota: Esto ejecutará la simulación con la configuración predeterminada. El interruptor de re-gota? Inicialmente se establece en off, por lo que la distribución del tiempo de residencia acumulada se trazará el paso del tiempo. </li><li> Después de observar la simulación con los parámetros por defecto, haga clic en GO / STOP para detener la simulación. </li><li&gt; Cambiar uno o más parámetros y haga clic en configuración seguido por go / stop. Nota: Esto reiniciará la simulación con los parámetros que se han seleccionado. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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. Es necesario mejorar la comprensión de los procesos que afectan el flujo a través de los sedimentos para predecir el transporte de solutos en los ríos y hacer frente a los problemas ambientales grandes resultantes de la propagación de materiales tales como nutrientes (por ejemplo, la hipoxia costera 10,11). A pesar de la importancia del intercambio hyporheic, a menudo no se describe en los cursos de pregrado en la hidrología,mecánica de fluidos, hidráulica, etc. Los educadores que deseen añadir intercambio hyporheic a sus cursos podrían encontrar útil tener visualizaciones experimentales y numéricas que muestran claramente este proceso. Sinuosidad Corriente del canal, los niveles de agua subterránea de los alrededores, y la topografía del cauce (es decir, bares, bedforms y montículos biogénicas) afectan el intercambio hyporheic en diversos grados 12-17. Este estudio se centró en bedforms, como dunas y ondulaciones, que suelen ser características geomorfológicas clave que afectan el flujo hyporheic 14,15. Hemos creado una simulación y laboratorio experimento numérico para visualizar el flujo a través de una serie regular de bedforms. Esta simulación se basa en un cuerpo de investigaciones previas relativas trayectorias de flujo hyporheic características del sistema para fácilmente observables 15,18-21. Como esta investigación constituye la base científica para la simulación, un breve resumen de los aspectos clave de la teoría sigue. Topografía Bedform, T (x),es dado por: Ecuación 1: <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq1.jpg" /> donde H es el doble de la amplitud de la bedform, k es el número de onda, y x es la dimensión longitudinal paralela a la superficie streambed media. Un ejemplo de esta topografía bedform se muestra en la Figura 1. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig1.jpg" /> Figura 1. definiciones y ajustes de los parámetros controlados por el usuario. En Interface, partículas trazadoras se liberan de una manera ponderada flujo en la interfase agua / sedimento y rastreados a través del sedimento. Si show-caminos? Está &quot;en&quot; la marca trazadores de agua donde han estado, mostrando sus caminos. Cuando un trazador regresa a la superficie del agua, esto cambia tque el número total de trazadores en el sistema, al volver a gota? está establecido en &quot;off&quot;. La distribución acumulativa parcela tiempo de residencia muestra este cambio mediante el trazado de la relación entre el número de trazadores restantes en el lecho de sedimentos al número inicial como una función del tiempo. Si re-caída? &quot;A la&quot; continuación trazadores que abandonan el sistema se sustituyen de la misma manera de flujo ponderado como partículas originales, y la trama acumulativa está desactivado. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Nombre del parámetro </td><td> Unidades </td><td colspan="3"> Definición </td><td> Interfaz </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Lambda (λ) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Longitud de onda de bedform (véase la Figura 1) &lt;/ td&gt; <td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedformHeight (H) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Dos veces la amplitud bedform (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedDepth (D) </td><td> cm </td><td colspan="3"> La profundidad de los sedimentos (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> HydrCond (K) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Conductividad hidráulica </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Porosidad (θ) </td><td></td><td colspan="3"> Porosidad </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ChannelVelocity (U) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Velocidad media en la superficie del agua o el canal de </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Profundidad (d) </td><td> cm </td><td colspan="3"> La profundidad del agua (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Pendiente (S) </td><td></td><td colspan="3"> Pendiente de las formas de fondo y la superficie del agua </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td&gt; <img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> NumParticles </td><td></td><td colspan="3"> El número de partículas liberadas en el sistema. </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> Timex (Time1, Time2 ..) </td><td> min </td><td colspan="3"> Momento en que se produce cada cambio de color </td><td></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Simulación Botones </td><td></td><td colspan="3"> Definición </td><td> Interfaz </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Configurar </td><td></td><td colspan="3"> Ajuste de la simulación utilizando parámetros se muestra </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> GO / STOP </td><td></td><td colspan="3"> Inicia y detiene la simulación </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Paso </td><td></td><td colspan="3"> Al hacer clic en paso hace un paso de tiempo pasar. Esto permite a los usuarios ralentizan el código y ver exactamente lo que sucede en 100 seg. </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> caminos claros </td><td></td><td colspan="3"> Borra todos él trayectorias de las partículas azules de la pantalla </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Avanzar a la próxima vez </td><td></td><td colspan="3"> Esto hace que el programa se ejecute hasta el momento siguiente cambio de color (Timex)</td><td></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ratón-drop </td><td></td><td colspan="3"> Este botón debe ser pulsado antes partículas pueden ser colocados en el subsuelo haciendo clic en ubicaciones en el subsuelo. </td><td></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> show-caminos? </td><td></td><td colspan="3"> Si show-caminos? &quot;a&quot; las partículas de agua dejan un rastro de azul que muestra donde han sido (ver Figura 1). </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> volver a caer? </td><td></td><td colspan="3"> Si re-gota? &quot;a&quot; las partículas se sustituyen de manera ponderada flujo de cada partícula, que sale del sistema, y ​​la trama acumulada no funciona. Cuando un partiCLE sale de la zona hyporheic el número de partículas en el sistema disminuye si re-gota? es &quot;off&quot; (ver Figura 1). </td><td><img alt="marca de verificación" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr></tbody></table> Tabla 1. Parámetros hyporheic y Simulación Controles. Cada parámetro, el botón y control deslizante que se pueden ajustar por el usuario se da en esta mesa junto con una definición. En esta simulación, dos procesos inducen la velocidad del fluido en el lecho de arena. El primero es debido a las interacciones del flujo de la corriente con bedforms. La carga de velocidad en la interfase agua / sedimentos inducido por bedforms también es aproximadamente sinusoidal, y se movió en un cuarto de longitud de onda de la bedform sí 22. La amplitud de la función de carga de velocidad en la interfase superficie del subsuelo se ha aproximado a partir de mediciones como 16: ge = &quot;always&quot;&gt; Ecuación 2: <img alt="Ecuación 2" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq2.jpg" /> donde U es la velocidad media del agua de la superficie, g es la constante gravitacional, y d es la profundidad del agua (que se muestra en la Figura 1). La función de carga de velocidad viene dada por: Ecuación 3: <img alt="Ecuación 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq3.jpg" /> Esta función la cabeza puede utilizarse entonces para calcular el componente basado en bedform de las funciones de velocidad del subsuelo mediante la resolución de la ecuación de Laplace con una profundidad de lecho de arena constante 20. El segundo componente de la velocidad de poros se determina por la pendiente del sistema, S, que corresponde a un gradiente de carga gravitatoria que los rendimientos de flujo en la dirección aguas abajo proporcional as / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg &quot;/&gt; Las funciones finales para la velocidad intersticial son.: Ecuación 4: <img alt="Ecuación 4" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq4.jpg" /> Ecuación 5: <img alt="Ecuación 5" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq5.jpg" /> donde u es la componente de la velocidad longitudinal, v es la componente de velocidad vertical, K es la conductividad hidráulica media del sedimento, es la porosidad promedio de los sedimentos, y es la coordenada vertical, y D es la profundidad de los sedimentos. Simulaciones de rastreo de partículas fueron creadas, que utilizan el lenguaje de modelado NetLogo y plataforma de simulación 23. Las dos implementaciones (Mousedrop.nlogo y Interface.nlogo) utilizan estas ecuaciones para modelar hypflujo orheic con el mismo núcleo de simulación. La principal diferencia es los lugares iniciales de las partículas trazadoras. Mousedrop permite al usuario colocar trazador simulado cualquier lugar dentro de la subsuperficie. Ecuaciones de velocidad subsuperficial 4 y 5 se utilizan para mover el marcador para simular experimentos de inyección de colorante. En Interface, trazador siempre se coloca a lo largo del límite de superficie / subsuelo de una manera de flujo ponderado. Esto imita la entrega de material disuelto y suspendido de la superficie del agua en el agua intersticial, que es crucial para entender el intercambio hyporheic. El trazador se mueve entonces en el subsuelo hasta que se alcanza de nuevo el agua corriente. Rastreo de las trayectorias de colorante en el canal de flujo y la simulación de los caminos utilizando NetLogo produce las líneas de corriente del flowfield, siempre y cuando las condiciones de flujo y morfología bedform permanecen estables durante el período de observación. Interface.nlogo crea una distribución de tiempo de residencia acumulativo, que muestra la relación entre el número departículas trazadoras restantes en los sedimentos al número inicial de partículas trazadoras colocados en el tiempo 0 como una función del tiempo. Como se discutió en una encuesta reciente literatura de 24 años, sigue habiendo un debate considerable dentro de la comunidad de investigación educativa sobre los méritos relativos de las manos en los experimentos de laboratorio frente a los laboratorios de simulación y modelos informáticos. Por un lado, hay quienes consideran que &quot;la experiencia práctica está en el corazón del aprendizaje&quot; 25, y la precaución de que los argumentos de ahorro de costos pueden estar impulsando la sustitución de actividades prácticas de laboratorio de simulaciones basadas en la informática, en detrimento de los comprensión de los estudiantes 26. Por otro lado, algunos investigadores en enseñanza de las ciencias / ingeniería argumentan que las simulaciones son al menos tan eficaz como tradicionales prácticas de laboratorio 27, o discutir los beneficios de la informática de simulación en el fomento centrado en el estudiante &quot;aprendizaje por descubrimiento&quot; 28. Mientras que el consenso no ha sido redolía, muchos investigadores han llegado a la conclusión de que, idealmente, simulaciones por ordenador deben complementar, y no sustituir, experimentos prácticos de laboratorio 29,30. También ha habido iniciativas dentro de la ciencia y la enseñanza de la ingeniería a la vez par experimentación física y en el mundo real de detección con simulaciones por ordenador de los fenómenos; véase, por ejemplo, &quot;el modelado bifocales&quot; 31. Los estudiantes pueden obtener un conocimiento más profundo conceptual y una mejor comprensión del proceso de investigación científica mediante la interacción tanto con un sistema físico, y una simulación por ordenador de ese sistema. Este procedimiento consiste en hacer que los estudiantes realizan un experimento de transporte de solutos que demuestra el flujo de intercambio hyporheic gravitatoria e inducido bedform-y que coincida con su propia configuración experimental y los resultados de una simulación por ordenador de los mismos fenómenos. Esta comparación facilita resultados de los estudiantes de aprendizaje importantes, y una discusión más profunda de tque el método científico, y la interacción entre el modelo / la construcción de teorías y validación empírica a través de la recopilación de datos. Después de realizar esta comparación, los estudiantes también pueden tomar ventaja de los beneficios de la simulación por ordenador para explorar rápidamente una multitud de escenarios alternativos, cambiando los parámetros del modelo.

<table><tbody><tr><td>Diseño</td> de <td>laboratorio de ingeniería</td> de canal <td></td><td>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.</td></tr><tr><td>Caudalímetro</td><td>Rosemount&nbsp;</td><td>8800 vórtice&nbsp;</td><td>Este se encuentra dentro del circuito de recirculación del canal</td></tr><tr><td>Arena</td><td>de EE. UU. Sílice</td><td>F30</td><td>Arena de grado de investigación para formar una capa de 10-20 cm de profundidad a lo largo del canal</td></tr><tr><td>Tinte</td><td>Muestras de empresas</td><td></td><td>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).</td></tr><tr><td>Jeringa</td><td>HSW</td><td>4100.000V0</td><td>5-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject Jeringa desechable de 2 partes</td></tr><tr><td>Pipetting Needle Cadence Science</td><td></td><td>7942</td> calibre <td>14, extremo romo de 6 pulgadas, &nbsp; para inyectar el tinte profundamente en la arena.</td></tr><tr><td>Cámara digital</td><td>Cualquier</td><td></td><td>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.</td></tr><tr><td>Regla</td><td>: Cualquier</td><td></td><td>transparente es la mejor.</td></tr><tr><td>Cinta métrica</td><td>Cualquier</td><td></td><td></td></tr><tr><td>software de Netlogo</td><td>CCL</td><td></td><td><a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/</a></td></tr><tr><td>Mousedrop.nlogo</td><td>Netlogo Commons</td><td>4259</td><td><a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a></td></tr><tr><td>Interface.nlogo</td><td>Netlogo Commons</td><td>4258</td><td><a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a></td></tr></tbody></table>

visualización de flujo hyporheic a través de formas de fondo utilizando experimentos dye y simulación

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

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.

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...

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.

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

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute ...

El objetivo general de este procedimiento es demostrar experimentalmente el flujo hipó EIC mediante el uso de un software de modelado que crea una simulación concordante fuertemente con el experimento físico. Este método puede ayudar a ilustrar conceptos clave en el campo de la hidrología al mostrar cómo el flujo de agua a través de sedimentos bajo un curso de agua se ve influenciado por el sedimento, la topografía y las propiedades del agua superficial. Aunque este método puede utilizarse para investigar el flujo hiper EIC, también puede emplearse en laboratorios educativos para demostrar el flujo hiper EIC a estudiantes de todos los niveles.La principal ventaja de esta técnica es que combina experimentos físicos en laboratorio con un software informático interactivo que simula el mismo fenómeno. La demostración visual muestra las similitudes y discrepancias espaciales entre los experimentos físicos y las simulaciones, lo que favorece el desarrollo de una comprensión más profunda de los principios hiper. Comience por instalar el software necesario, que es NetLogo y dos scripts para ejecutar en Net.Logotipo, caída de ratón e interfaz. A continuación, siguiendo las instrucciones en el protocolo escrito, configure el canal de laboratorio de manera que todos los parámetros se encuentren dentro de los límites establecidos por los parámetros de simulación de la caída de ratón. Haga funcionar el canal durante 12 a 24 horas para crear una forma de lecho con las características deseadas.Ajuste la pendiente del canal y la profundidad del agua para lograr un flujo uniforme sobre la forma del lecho. El objetivo es que los granos de sedimento en las formas del lecho no parezcan estar en movimiento, aunque un ligero desplazamiento puede ser inevitable. Primero, logre un flujo uniforme mientras la bomba está en funcionamiento.Seleccione dos puntos en la parte inferior del canal y registre la distancia hasta la superficie del agua para cada línea. Luego, ajuste la pendiente del canal o la profundidad del agua hasta que estas mediciones de distancia vertical sean iguales. Segundo, detenga la bomba y espere a que el agua deje de moverse.Luego, en los mismos lugares que antes, mida las distancias desde la base del canal hasta la superficie del agua y mida la distancia entre estas mediciones verticales. Calcule la pendiente del canal como la diferencia entre estas mediciones dividida por la distancia horizontal inclinada entre ellas. Ahora, reinicie la bomba y seleccione una sección de prueba.Seleccione un lugar cerca del extremo medio o aguas abajo del canal donde las dunas hayan formado un patrón regular. Esta sección debe abarcar al menos una forma completa del lecho. En la sección de prueba.Realice algunas mediciones utilizando una regla transparente. Primero, determine la profundidad promedio del sedimento tomando mediciones en el seno de una duna y en la cresta de una duna. La diferencia entre estas mediciones es la altura de la forma del lecho.A continuación, determine la profundidad media del agua, que es la distancia promedio desde la superficie del agua hasta la superficie del lecho de arena. Luego, mida y registre la longitud de onda media de las formas del lecho midiendo la distancia entre crestas sucesivas de las dunas. A continuación, registre el caudal del canal a partir de un medidor de flujo en el circuito de recirculación y calcule la velocidad media del flujo.Ahora, abra la simulación de caída de ratón y verifique que todas estas mediciones estén dentro de los rangos especificados en la interfaz de usuario. Si un parámetro medido queda fuera del rango establecido, ajuste el rango del parámetro haciendo clic derecho en la barra deslizante, seleccione editar y ajuste los valores mínimo y máximo. Primero, configure una cámara sobre un trípode orientada ortogonalmente a la pared del canal.La imagen debe centrarse en una única forma de lecho en la sección de prueba. Si hay problemas con reflejos, fije la posición de la cámara y ajuste la iluminación; incluir una regla en la imagen puede ayudar con la escala. A continuación, utilizando una jeringa y una aguja, realice dos o tres pequeñas inyecciones de colorante cerca de la pared del canal. Estas inyecciones deben formar parches de dos centímetros de agua coloreada vertida que deben colocarse en una variedad de posiciones verticales y horizontales. Registre la hora de inicio de las inyecciones del colorante y tome una imagen inicial. Puede ser instructivo usar papel de transparencia para trazar los frentes iniciales de D y los límites alrededor del colorante.Por lo tanto, es más fácil observar sus movimientos en el laboratorio, pero este método tiene sus limitaciones. Con la cámara, capture las posiciones de los frentes de D a intervalos de tiempo adecuados. Para la fotografía de intervalos, use intervalos de 1/32 para obtener resultados suaves.Para una simulación. Primero realice la prueba de caída del ratón y compare los resultados con el transporte observado del colorante. En la prueba de caída del ratón, ajuste los parámetros del sistema físico para que coincidan con las condiciones experimentales de los canales.Asegúrese de prestar mucha atención a las unidades al ingresar estos parámetros. A continuación, ajuste los controles deslizantes para indicar en qué momentos cambiará el color de seguimiento de la simulación. Establezca estos cambios de color para que coincidan con los tiempos observados.Si los parámetros de tiempo están todos establecidos en cero, la simulación mostrará un color único en toda su extensión. Después de configurar todos los parámetros, haga clic en el botón de configuración. La forma del lecho debería aparecer en la vista de la simulación.A continuación, haga clic en el botón de soltar del ratón para indicar las ubicaciones iniciales de los trazadores virtuales. Se pueden seleccionar varias ubicaciones en el lecho. Mantenga presionado el botón del ratón para liberar más trazador virtual.Una vez que se hayan colocado todos los trazadores virtuales, puede hacer clic en el botón avanzar al siguiente momento para ejecutar la simulación. Hasta el momento uno, no vuelva a hacer clic en el botón de configuración, ya que los trazadores tendrán que colocarse nuevamente. También puede hacer clic en el botón iniciar detener para ejecutar la simulación.Los trazadores seguirán moviéndose hasta que todos los trazadores virtuales hayan salido del sistema, a menos que presione el botón de inicio/detención. Nuevamente, esto puede utilizarse para pausar la simulación, de modo que se puedan realizar comparaciones entre las distribuciones de tinte simuladas y medidas. Una vez que la simulación comienza a ejecutarse, se calcula la velocidad para la ubicación de cada trazador.Según los parámetros de la simulación, el trazador se mueve a una nueva ubicación utilizando esa velocidad, luego el procedimiento se repite hasta que el trazador abandona el sistema. A continuación, ejecute la simulación de la interfaz haciendo clic en configurar seguido de iniciar detener. Esto ejecutará la simulación con la configuración predeterminada.La simulación de la interfaz introduce trazadores virtuales sobre la superficie del lecho del arroyo de forma ponderada según el flujo, basándose en las velocidades subsuperficiales calculadas; por defecto, las partículas dejan rastros que indican los lugares por los que han pasado. Desactive el botón mostrar rastros para eliminar estas trayectorias. Al activar el interruptor de la gota roja, se desactiva la gráfica de distribución acumulada del tiempo de residencia y se libera una nueva partícula cada vez.Uno sale del sistema. Después de observar la simulación con los parámetros predeterminados, haga clic en "go stop" para detener la simulación. Luego cambie uno o más parámetros, reinicie la simulación con los nuevos parámetros haciendo clic en "setup", seguido de "go stop". Aquí, ajustamos la altura de la forma del lecho, ejecutamos la simulación y luego repetimos el proceso, ajustando la profundidad del lecho para comparar la simulación con los resultados experimentales.La fotografía inicial se utilizó para determinar la colocación del trazador D simulado en el tiempo cero. Luego, la simulación se ejecutó durante 34,2 minutos y se comparó con una fotografía tomada en ese momento. En general, el modelo realizó un trabajo excelente.Cada blob D se mueve en las mismas direcciones generales que el modelo y se deforma de manera similar a los blobs D simulados. Sin embargo, un examen cuidadoso muestra algunas discrepancias. Por ejemplo, el blob D de la derecha adopta más una forma de frijol que la simulación.Esto probablemente se deba a la depresión observable en la topografía de la forma del lecho inmediatamente por encima de este agregado, que se creó durante su inyección en el sedimento. Otra discrepancia común es el momento temporal, que tampoco fue perfecto. Esto probablemente se deba a pequeños errores en las mediciones de las propiedades del sedimento.Las discrepancias comunes surgen de una combinación de errores de medición y efectos físicos de segundo orden debidos a la variabilidad de la geometría irregular de las formas del lecho y al empaque del sedimento, entre otros factores. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en 24 horas. Al llevar a cabo este procedimiento, es importante permitir que la forma del lecho se estabilice, tener paciencia y prestar atención a las unidades al realizar e ingresar las mediciones.Después de seguir este procedimiento, se pueden realizar otros experimentos para responder preguntas adicionales sobre la influencia de la topografía, la conductividad hidráulica y las propiedades del agua superficial en el flujo hipérico. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo visualizar experimentalmente el flujo hipérico y cómo utilizar nuestras simulaciones por computadora.

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