Visualisation hyporhéique Flow Through bedforms utilisant des expériences de colorant et Simulation

Summary

Ce manuscrit décrit comment créer des formes de lit régulières dans un canal, visualiser l’écoulement à travers les formes de lit et utiliser des simulations informatiques pour simuler l’écoulement hyporhéique. Les simulations informatiques se comparent bien aux observations expérimentales. Cette simulation et cette expérience couplées sont bien adaptées à la fois à la recherche et à l’éducation.

Abstract

Advection échange entre l'espace des pores de sédiments et la colonne d'eau recouvrant, appelé échange hyporhéique dans des environnements fluviaux, entraîne le transport de soluté dans les rivières et de nombreux processus biogéochimiques importants. Pour améliorer la compréhension de ces processus par la démonstration visuelle, nous avons créé une simulation d'écoulement hyporhéique dans la plate-forme multi-agent de modélisation informatique NetLogo. La simulation montre traceur virtuelle circulant dans un cours d'eau recouvert de bedforms deux dimensions. Sédiments, écoulement, formes de relief et les caractéristiques sont utilisés comme variables d'entrée pour le modèle. Nous illustrons comment ces simulations correspondent à des observations expérimentales à partir d'expériences de laboratoire en canal basé sur des paramètres d'entrée mesurées. Colorant est injecté dans les sédiments en canal de visualiser l'écoulement de l'eau interstitielle. A titre de comparaison particules de traceur virtuelles sont placés aux mêmes endroits dans la simulation. Cette expérience de simulation et de laboratoire couplé a été utilisé avec succès dans de premier cycle et Gradualaboratoires te de visualiser directement les interactions fleuve-eau interstitielle et montrent comment des simulations de flux à base physique peuvent se reproduire les phénomènes environnementaux. Les étudiants ont pris des photographies du lit à travers les murs en canal transparentes et les ont comparés à des formes de la teinture à la même heure dans la simulation. Il en est résulté des tendances très similaires, ce qui a permis aux étudiants de mieux comprendre à la fois les régimes d'écoulement et le modèle mathématique. Les simulations permettent également à l'utilisateur de visualiser rapidement l'impact de chaque paramètre d'entrée en exécutant plusieurs simulations. Ce processus peut également être utilisé dans des applications de recherche pour illustrer des processus fondamentaux, concernent les flux d'interface et le transport de l'eau interstitielle, et de soutenir la modélisation quantitative basée sur les processus.

Introduction

À mesure que l'eau de surface dans un ruisseau, une rivière ou zone de marée, il crée des gradients de tête qui conduisent l'eau dans et hors des sédiments ^1. Dans les systèmes fluviaux de la partie des sédiments lit fluvial où se produit cet échange est connu comme la zone hyporhéique ^2,3. Cette zone est important parce que beaucoup de nutriments et de polluants sont stockés, déposés ou transformés au sein de la zone hyporhéique ^4-9. La quantité de temps un traceur passe dans les sédiments est appelé un temps de séjour. Les deux temps de séjour et les emplacements des chemins d'écoulement affectent les processus de transformation. Un....

Protocol

1. Logiciel de simulation

1. Utilisez le logiciel décrit dans cette section.
   1. Téléchargez et installez l'open-source multi-agent langue libre / de modélisation et de plateforme de simulation, NetLogo (Disponible: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, la version 5.1 ou ultérieure).
      Remarque: Ce logiciel est disponible sans frais et fonctionne sur tous les principaux systèmes d'exploitation (Windows / Mac / Linux).
   2. Téléchargez les deux fichiers de script de simulation spécifiques (mousedrop.nlogo et interface.nlogo) qui accompagnent cette procédure de laboratoire. (Avail....

Results

L'utilisation d'une simulation en conjonction avec des expériences permet aux élèves d'observer les similitudes et les différences entre les modèles mathématiques idéalisés et des systèmes réels plus complexes. La figure 4 montre un exemple comparant colorant photographies d'injection avec des simulations Mousedrop. La photographie initiale est utilisée pour déterminer l'emplacement du traceur de colorant simulée au temps zéro, puis la simulation est exécutée pour 34,2 min e.......

Discussion

Conjointement, la démonstration et le suivi de particules simulations flume fournissent une introduction complète à l'écoulement hyporhéique pour un éventail d'auditoires. Les participants de tous les niveaux sont fournies des preuves visuelles de l'apparition de l'échange hyporhéique induite par ondulations, et la forte variabilité des voies d'écoulement de subsurface sous ondulations. Ces procédures peuvent être utilisées comme une simple démonstration de débit de l'eau interstitielle pour les .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Canal	d’ingénierie de	de canal Canal de laboratoire personnalisé	avec côtés transparents pendant 24 à 48 heures. Alternativement, un petit toboggan pédagogique peut être construit pour moins de 300 dollars en suivant les directives fournies dans nos documents supplémentaires.
Débitmètre	Rosemount  ;	8800 vortex  ;	Celui-ci est situé à l’intérieur de la boucle de recirculation du canal
Sable	US. Silice	F30	Sable de qualité recherche pour former une couche de 10 à 20 cm de profondeur dans tout le canal
Colorant	Échantillons d’entreprises		Colorant soluble dans l’eau transformé en solution aqueuse. Les couleurs sombres comme le rouge, le bleu et le vert fonctionnent mieux. (Évitez les colorants alimentaires dans le propylène glycol.)
Seringue	HSW	4100.000V0	5-10 ml, p.ex. HSW Norm-Ject Seringue jetable en 2 parties
Aiguille à pipeter	Cadence Science	7942	14, extrémité émoussée de 6 po, pour injecter le colorant profondément dans le sable.
Appareil photo numérique	N’importe quel		appareil photo numérique avec trépied stable. (Les caméras Time Lapse peuvent être utilisées pour collecter des données rapides et régulièrement espacées.) Nous avons utilisé un Nikon D7000.
Règle	: N’importe quel		transparent est le meilleur.
Mètre ruban	Any Netlogo
Software	CCL		a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">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