מאמר שיטה

חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

11.9K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/53285

⸱

18 בנובמבר 2015

 ,  ,  , 
1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College

במאמר זה

סיכום

כתב יד זה מתאר כיצד ליצור צורות מיטה רגילות בזרם, לדמיין זרימה דרך צורות המיטה ולהשתמש בסימולציות מחשב כדי לדמות את הזרימה ההיפוראית. סימולציות המחשב משתוות היטב לתצפיות הניסיוניות. סימולציה וניסוי משולבים אלה מתאימים היטב למטרות מחקר וחינוכיות כאחד.

תקציר

חילופי Advective בין החלל הנקבובית של משקעים ועמודת המים שמעל, שנקרא חילופי hyporheic בסביבות נהרות, כונני תחבורה מומסת בנהרות ותהליכים רבים biogeochemical חשובים. כדי לשפר את ההבנה של תהליכים אלה באמצעות הפגנה חזותית, יצרנו זרימת סימולציה hyporheic בפלטפורמת מידול מחשב רב סוכן NetLogo. הסימולציה מציגה נותב וירטואלי זורם דרך הנחל מכוסה בbedforms דו-ממדי. מאפייני משקעים, זרימה, וbedform משמשים כקלט משתנה למודל. אנו מדגימים כיצד סימולציות אלה תואמים תצפיות ניסיוניות מניסויי מעבדה מתעלים מבוססות על פרמטרים של קלט שנמדדו. צבע מוזרק לתוך המשקעים המתעלים לדמיין את זרימת porewater. לשם השוואה חלקיקים נותב וירטואליים ממוקמים באותם מקומות בסימולציה. ניסוי סימולציה ומעבדה בשילוב זה שמש בהצלחה בתואר הראשון וgraduaמעבדות te לדמיין ישירות אינטראקציות הנהר-porewater ולהראות כיצד זרימת סימולציות מבוססות פיזי יכולות להתרבות תופעות סביבתיות. תלמידים צלמו את המיטה דרך הקירות השקופים המתעלים והשוו אותם לצורות של הצבע באותו פעמים בסימולציה. זה הביא מגמות דומות מאוד, שאפשרו לתלמידים להבין טובים יותר הן את דפוסי הזרימה ומודל המתמטי. הסימולציות גם מאפשרות למשתמש לחזות במהירות את ההשפעה של כל פרמטר קלט על ידי הפעלת סימולציות מרובות. גם תהליך זה יכול להיות בשימוש ביישומי מחקר כדי להמחיש תהליכים בסיסיים, מתייחס נתיבי interfacial ותחבורה porewater, ולתמוך במודלים מבוססי תהליך כמותי.

מבוא

כמהלכי מים עיליים בזרם, נהר, או אזור גאות ושפל הוא יוצר הדרגתיים ראש המניע את המים לתוך ומחוץ למשקעי 1. במערכות נהרות החלק ממשקעי הנחל שבו חילופי דברים מתרחש ידוע כ2,3 אזור hyporheic. אזור זה חשוב כי חומרים מזינים רבים ומזהמים מאוחסנים, הופקדו, או הפכו בתוך אזור hyporheic 4-9. כמות הזמן נותב מבלה במשקעים נקראת זמן מגורים. בשתי פעמים המגורים ואת מיקומם של מסלולי הזרימה משפיעים על תהליכי השינוי. יש צורך בהבנה משופרת של התהליכים המשפיעים על זרימה דרך המשקעים לחזות תחבורה מומסת בנהרות ולטפל בבעיות סביבתיות גדולות כתוצאה מהתפשטות של חומרים כגון חומרים מזינים (למשל, היפוקסיה החוף 10,11). למרות החשיבות של חילופי hyporheic, הוא לעתים קרובות אינם מתואר בקורסים לתואר ראשון בהידרולוגיה,מכניקת זורמים, הידראוליקה, וכו 'מחנכים המבקשים להוסיף חילופי hyporheic לקורסים שלהם יכולים למצוא את זה שימושי לי חזותי ניסיוני ומספרי שמראה בבירור את התהליך הזה.

פיתולי נחל ערוץ, רמות תהום שמסביב, וטופוגרפיה הנחל (כלומר, בארים, bedforms, ותלים הביוגניים) כל להשפיע חילופי hyporheic בדרגות שונות 12-17. מחקר זה התמקד בbedforms, כגון דיונות ואדוות, אשר בדרך כלל תכונות עיקריות המשפיעות על זרימת גאומורפיות hyporheic 14,15. יצרנו ניסוי סימולציה ומעבדה מספרי כדי להמחיש זרימה דרך סדרה קבועה של bedforms. סימולציה זה מבוססת על גוף של מחקרים קודמים הנוגע נתיבי זרימת hyporheic מאפייני מערכת לצפייה בקלות 15,18-21. כמו מחקר זה מהווה את הרקע המדעי לסימולציה, סיכום קצר של ההיבטים המרכזיים של התאוריה הבאה. הטופוגרפיה Bedform, T (x),ניתן על ידי:

משוואת 1:
figure-introduction-1

כאשר H הוא פעמיים את המשרעת של bedform, k הוא wavenumber, וx הוא מקביל ממד האורך אל פני השטח הנחל הממוצע. דוגמא של הטופוגרפיה bedform זה מוצגת באיור 1.

figure-introduction-2
איור 1. הגדרות פרמטר וגדרות הנשלטות על ידי המשתמש. בממשק, חלקיקים נותב משתחררים באופן משוקלל שטף במים ממשק משקעים / ומעקב באמצעות המשקעים. אם נתיבים-הופעה? הוא "על" סימן קליעים נותבים מים שבו הם כבר, מראים דרכיהם. כאשר נותב חוזר למים העיליים, זה משתנה tהוא מספר כולל של קליעים נותבים במערכת, כאשר מחדש ירידה? מוגדר "כבוי". עלילת הפצת זמן מגורים המצטברת מראה את השינוי הזה על ידי התוויית היחס של מספר קליעים נותבים שנותרו במיטת המשקעים למספר הראשוני כפונקציה של זמן. אם מחדש ירידה? הוא "על" ואז קליעים נותבים שעוזבים את המערכת מוחלפים באותו אופן משוקלל שטף חלקיקים מקוריים, והעלילה המצטברת מושבת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-introduction-18
שם פרמטר יחידות הַגדָרָה מִמְשָׁק Mousedrop
למבדה (λ) ס"מ אורך גל של bedform (ראה איור 1) figure-introduction-3figure-introduction-4
BedformHeight (H) ס"מ פעמיים משרעת bedform (ראה איור 1) figure-introduction-5figure-introduction-6
BedDepth (D) ס"מ עומק של המשקעים (ראה איור 1) figure-introduction-7figure-introduction-8
HydrCond (K) סנטימטר / s מוליכות הידראוליות figure-introduction-9figure-introduction-10
נקבוביות (θ) נַקבּוּבִיוּת figure-introduction-11figure-introduction-12
ChannelVelocity (U) סנטימטר / s מהירות ממוצעת במים העיליים או ערוץ figure-introduction-13figure-introduction-14
עומק (ד) ס"מ עומק מים (ראה איור 1) figure-introduction-15figure-introduction-16
מדרון (S) שיפוע של bedforms ומשטח מים figure-introduction-17
NumParticles מספר החלקיקים שוחרר למערכת. figure-introduction-19
טיימקס (TIME1, TIME2 ..) דקות זמן שבו כל שינוי צבע מתרחש figure-introduction-20
לחצני סימולציה הַגדָרָה מִמְשָׁק Mousedrop
להכין הגדר של את הסימולציה באמצעות פרמטרים המוצגת figure-introduction-21figure-introduction-22
ללכת / להפסיק מתחיל ומפסיק את הסימולציה figure-introduction-23figure-introduction-24
שָׁלָב לחיצה צעד צעד גורמת פעם אחת כדי לעבור. זה מאפשר למשתמשים להאט את הקוד ולראות בדיוק מה קורה ב100 שניות. figure-introduction-25
שבילים ברורים מנקה את כולו נתיבי חלקיקים כחולים מהמסך figure-introduction-26figure-introduction-27
להתקדם לפעם הבאה זה גורם לתכנית לפעול עד לשינוי צבע בפעם הבא (Timex)figure-introduction-28
עכבר-טיפה כפתור זה חייב להיות לחץ לפני חלקיקים עשויים להיות ממוקמים בתת הקרקע על ידי לחיצה מקומות בתת הקרקע ב. figure-introduction-29
נתיבים-הופעה? אם נתיבים-הופעה? הוא "על" חלקיקי המים להשאיר עקבות של הקרנה הכחולה שבו הם היו (ראה איור 1). figure-introduction-30figure-introduction-31
מחדש לרדת? אם מחדש ירידה? הוא "על" החלקיקים מוחלפים באופן משוקלל שטף לכל חלקיק, שיוצא למערכת, והעלילה מצטברת לא עובדת. כאשר Parti CLE יוצא אזור hyporheic מספר החלקיקים במערכת יורד אם מחדש ירידה? הוא "מעל" (ראה איור 1). figure-introduction-32

בקרת הטבלה 1. פרמטרי Hyporheic וסימולציה. כל פרמטר, לחצן, ומחוון שיכול להיות מותאם על ידי המשתמש מקבלים בטבלה זו יחד עם הגדרה.

בסימולציה זו, שני תהליכים לגרום למהירות נוזל במיטת החול. הראשון הוא בשל האינטראקציות של זרימת הזרם עם bedforms. ראש המהירות בממשק מים / משקעים הנגרמים על ידי bedforms גם כ סינוסי, ועבר על ידי גל רבעון מbedform עצמו 22. המשרעת של פונקצית ראש המהירות בממשק משטח-מתחת לפני הקרקע כבר מקורבות ממדידות 16:

GE = "תמיד"> משוואה 2:
figure-introduction-33

בי U היא מהירות מים העילית הממוצעת, גרם הוא קבוע הכבידה, וד הוא העומק של המים (מוצגים באיור 1). פונקצית ראש המהירות לאחר מכן ניתנה על ידי:

משוואה 3:
figure-introduction-34

פונקצית ראש זה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לחשב את הרכיב מבוסס bedform של פונקציות מהירות מתחת לפני הקרקע על ידי פתרון משוואת Laplace עם עומק מיטת חול קבוע 20. המרכיב השני של מהירות porewater נקבע על ידי השיפוע של המערכת, S, אשר תואמת את שיפוע ראש הכבידה שתשואות לזרום בכיוון מורד הזרם הפרופורציונלי לs / ftp_upload / 53,285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> הפונקציות הסופיות למהירות porewater הן.:

משוואה 4:
figure-introduction-35

משוואה 5:
figure-introduction-36

איפה u הוא רכיב המהירות האורך, נ 'הוא רכיב המהירות האנכי, K הוא המוליכות הידראוליות הממוצעת של המשקעים, הוא נקבוביות הממוצעת של המשקעים, y הוא לתאם האנכי, ו- D הוא העומק של המשקעים.

סימולציות מעקב חלקיקים נוצרו, שמשתמשות בשפת דוגמנות NetLogo ופלטפורמת סימולציה 23. שני יישומים (Mousedrop.nlogo וInterface.nlogo) להשתמש משוואות אלה למודל HYPזרימת orheic עם אותו ליבת הסימולציה. ההבדל העיקרי הוא במקומות הראשוניים של החלקיקים נותב. Mousedrop מאפשר למשתמש למקם נותב מדומה בכל מקום בתוך תת הקרקע. מהירות מתחת לפני הקרקע משוואות 4 ו -5 משמשות כדי להזיז את נותב כדי לדמות ניסויי הזרקת צבע. בממשק, נותב תמיד להציב לאורך גבול משטח / מתחת לפני הקרקע באופן משוקלל שטף. זה מחקה את המשלוח של חומר מומס והושעה מהמים העיליים לporewater, שהוא חיוני להבנת חילופי hyporheic. נותב אז נע בתוך תת הקרקע עד ששוב מגיע למים הנחל. איתור נתיבי הצבע במתעל ומדמה את הנתיבים באמצעות NetLogo מניב המייעל של flowfield, כל עוד תנאי הזרימה ומורפולוגיה bedform יישארו יציבים בתקופה של התבוננות. Interface.nlogo יוצר חלוקת זמן מגורים מצטברת, אשר מציגה את יחס של מספרחלקיקים נותב שנותרו במשקעים למספר הראשוני של חלקיקים נותב הוצבו בזמן 0 כפונקציה של זמן.

כפי שנאמר בסקר הספרות האחרון 24, יש עדיין ויכוח ניכר בתוך קהילת המחקר החינוכית על היתרונות היחסי של ידיים על ניסויי מעבדה לעומת מעבדות מדומה ומודלים ממוחשבים. מצד אחד, חלק מרגיש ש" התנסות היא בלב של למידה "25, וזהירות שעלות חיסכון טיעונים ניתן תדלוק החלפת ידיים על מעבדה פעילויות על ידי סימולציות מבוססות מחשב, לרעת הבנה של תלמידי 26. מצד השני, חלק מהחוקרים בחינוך מדעי / הנדסה טוענים כי סימולציות הן יעילות לפחות כמו מסורתי ידיים על מעבדות 27, או לדון את היתרונות של מחשב סימולציה בטיפוח "למידת גילוי" ממוקד-תלמיד 28. בעוד קונסנסוס לא מחדשכאב, חוקרים רבים הגיעו למסקנה כי, באופן אידיאלי, הדמיות מחשב צריכים להשלים, ולא להחליף, ידיים על ניסויי מעבדה 29,30. היו גם יוזמות בתוך מדע וחינוך הנדסה לבו זמנית כמה ניסויים פיזיים ועולם האמיתי חישה עם סימולציות מחשב של התופעות; ראה, למשל, "דוגמנות דו מוקדי" 31.

סטודנטים יכולים להרוויח יותר ידע רעיוני והבנה טובה יותר של תהליך המחקר המדעי על ידי אינטראקציה עם שתי מערכת פיזית, וסימולציה מבוססת מחשב של מערכת ש. הליך זה כרוך שיש תלמידים לבצע ניסוי תחבורה מומסת המדגים זרימת מטבע hyporheic הכבידה ומושרה bedform, ולהתאים את תוכנית ההתקנה שלהם ניסיונית ותוצאות עם הדמיית מחשב של אותה התופעה. השוואה זו מאפשרת תוצאות חשובות ללמוד-תלמיד, ודיון עמוק יותר של tהוא שיטה מדעית, ויחסי גומלין בין מודל / תיאורית הבנייה ותיקוף אמפירי באמצעות איסוף נתונים. לאחר ביצוע השוואה זו, תלמידים יכולים גם לנצל את היתרונות של סימולציה ממוחשבת כדי לחקור במהירות מספר רב של תרחישים חלופיים על ידי שינוי פרמטרים מודל.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. תוכנת סימולציה

  1. השתמש בתוכנה מתוארת בסעיף זה.
    1. להוריד ולהתקין את השפה החופשית / קוד פתוח רב סוכן הדוגמנות ופלטפורמת הדמיה, NetLogo (זמין: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, גרסה 5.1 או מאוחר יותר).
      הערה: תוכנה זו זמינה ללא עלות והוא פועל על כל מערכות ההפעלה העיקריות (Windows / Mac / לינוקס).
    2. הורד את שני קבצים ספציפיים תסריט סימולציה (mousedrop.nlogo וinterface.nlogo) שמלווים את הליך מעבדה זו. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      הערה: לאחר פלטפורמת ההדמיה מותקנת וקבצים אלה הורדו, קבצים אלה לחיצה כפולה פותח באופן אוטומטי tהוא הסימולציות עד, מוכן להפעלה.

2. הפגנת מתעל

  1. הגדרה מתעלת המעבדה, כך שכל הפרמטרים (הטבלה 1) נופלים במסגרת מגבלות טווח פרמטר הסימולציה mousedrop.
    הערה: ניתן להתאים האילוצים בmousedrop, אם נדרשו למערכת הפיסית על ידי עריכת המחוונים.
    1. יוצקים שכבה של כ 15-25 סנטימטר של חול למתעל. מדוד ורשום את המוליכות הידראוליות והנקבובית של החול הבא שיטות סטנדרטי 32,33.
    2. מלא את מתעל עם כ 20-30 סנטימטר של מים.
    3. התחל המתעל ולהגדיל את קצב הזרימה לרמה שהיא מהיר מספיק כדי להעביר גרגרי חול ובכך ליצור bedforms.
      הערה: קצב הזרימה יכול להיות מותאם נוסף כדי לחדד את מאפייני bedform עם תרגול. גדלי Bedform הם תוצאה של קצב זרימה, עומק מים ומאפייני חול.
    4. לאפשר bedforms לפתח FOr 12-24 שעות כדי ליצור דיונה טבעית / מורפולוגיה אדווה. כדי להאיץ את התהליך הזה, באופן ידני לעצב דיונות רגילות, ולאחר מכן לאפשר תחבורת משקעים ל4-12 שעות. לחלופין, ליצור באופן ידני דיונות משולשות רגילות.
      הערה: דיונות משולשות רגילות תניב דפוסים קבועים של חילופי hyporheic, אבל לא להראות כמה שיותר מורכבות כדיונה טבעית / bedforms אדווה.
    5. ברגע שbedforms הרצוי הושג, להפחית את שיעור זרימת מים עד מאט תחבורת משקעי מיטה ומאפייני bedform לעצור שינוי.
      1. מבחינה ויזואלית לצפות תנועה של גרגרי משקעים הכוללים המיטה, ולהפחית את זרימת תנועה עד מפסיקה.
        הערה: זה יהיה לשמר את מורפולוגיה המיטה לתקופת הניסוי.
      2. כדי לוודא שההילוך איטי, אפיזודי אינו מתרחש, עמדות סימן או bedform תצלום ולאחר מכן לצפות במועד מאוחר יותר.
        שים לב: חשוב רק שbedforms לא זז באופן משמעותי על המסגרת של הניסוי הזמן, כך שמספקזמן תצפית מספיק כדי לאשר שbedforms יציב.
    6. התאם מדרון מתעל ו / או עומק מים כדי להשיג זרימה אחידה תחת זרימת השיעור המופחת.
      1. מדרון ערוץ בקרה באמצעות ציוד שנבנה לתוך מתעל, בדרך כלל או שקע ממונע או יד-ארכובה. התאם עומק מים על ידי הוספה או הסר של מים מהמתעלים.
        הערה: בהגדרת הניסוי נעשה שימוש כאן, כל מתעל הוא רכוב על ציר בסופו של הדבר במורד הזרם, והמדרון מוגדר על ידי ג'ק ממונע בסוף במעלה הזרם.
      2. בעוד המשאבה פועלת, בחר שני מקומות אורך מסומנים בקווים מאונכים לתחתית המתעלת. במקומות אלה, להשתמש בסרגל כדי למדוד את מרחק קווים מאונכים אלה, בין פני השטח של המים והתחתית המתעלת.
        הערה: בהתאם להגדרת המתעלת, החלק התחתון של מתעל עשוי לשמש כקו התייחסות משופע טוב יותר מהחלק התחתון של מתעל. בחירת Larמרחק אורך גר יניב דיוק רב יותר.
      3. התאם את השיפוע של מתעל ו / או עומק המים ומחדש מדד עד מדידות המרחק האנכיים הן אותם כדי להשיג זרימה אחידה. מדוד את המרחק האופקי המשופע בחלק התחתון של מתעל בין שני המקומות האלה אורך.
    7. עצור את המשאבה ולחכות למים להפסיק לנוע; זה יספק משטח ישר. מחדש למדוד את המרחק בין החלק העליון של המתעל ופני המים במיקום כל אורך.
      הערה: מדרון הערוץ שווה את ההבדל בין מדידות אלה, מחולק במרחק האופקי המשופע ביניהם.
    8. להתחיל מחדש-המשאבה.
    9. בחר קטע בדיקה, שאמורה להיות מיקום קרוב לסוף האמצע או במורד הזרם של המתעל בי דיונות יצרו דפוס קבוע. ודא כי סעיף זה כולל bedform לפחות אחת מלא.
    10. מדוד ורשום את העומק הממוצע משקעים (ד ') בהסעיף בדיקת דואר עם כל להמציא יד מדידה (שליטים שקופים הם אידיאליים). לשם פשטות, להשתמש במרחק הממוצע של רכס ושוקת לתחתית המתעלת.
    11. מדוד ורשום את הגובה הממוצע bedform בסעיף הבדיקה, מוגדר כהפרש בין עומק המשקעים בפסגה ועומק המשקעים בשוקת עם שליט. למדוד כמה bedforms לקבל הערכה טובה מהממוצע.
    12. שוב באמצעות שליט, המדוד ורשום את עומק מים הממוצע (ד) בסעיף הבדיקה, מוגדר כמרחק ממשטח המים הממוצע למיטת החול. שוב, להשתמש בעומק המים הממוצע בפסגות דיונה ושקתות לפשטות.
    13. רשום את flowrate הערוץ (Q) ממד הזרימה, ולחשב את המהירות הממוצעת כQ / (* w ד), שבו W הוא הרוחב של המתעל וד הוא עומק המים.
      הערה: מד הזרימה שלנו מוכנסת לתוך לולאת מחזור של מתעל.
    14. לִמְדוֹדולהקליט את אורך גל bedform הממוצע בסעיף המבחן. בדרך כלל, למדוד את אורך הגל כמרחק בין פסגות דיונה רצופות.
    15. פתח את הסימולציה Mousedrop (בפלטפורמת NetLogo) ולבדוק שכל המדידות הן בתוך הטווחים משתנים צוינו בממשק משתמש סימולציה. אם פרמטר נמדד נופל מחוץ לטווח האילוץ, להתאים את טווח פרמטר סימולציה על ידי לחיצה ימנית על "המחוון" הפרמטר, בחירה באפשרות "עריכה", והתאמה / ערכי המקסימום דק '.
  2. דמיינו חילופי hyporheic.
    1. הגדר את המצלמה במיקום קבוע (רצוי על חצובה) הצביע orthogonally לקיר המתעל עם bedform יחיד בסעיף המבחן מרוכז בתמונה.
      הערה: זה ימנע בעיות של פרספקטיבה מלוכסנת.
    2. קח תמונת ניסיון כדי לאמת את התנאים. להתאים את התאורה אם השתקפויות הן בעיה.
    3. שימוש במזרק והמחט, לעשות 2-3 אני צובע קטןnjections ליד הקיר המתעל. ודא שזריקות אלה יוצרות טלאים עגולים 2 סנטימטר ~ של porewater צבעוני במגוון רחב של מקומות אנכיים ואופקיים. השתמש טיפול כדי למזער את ההפרעה למיטת החול במהלך ההזרקה.
      הערה: הזריקות של כמויות קטנות יותר של צבע מאפשרות למשתמש לראות פרטים נוספים ולהציג נתיבי זרם בודדים.
    4. רשום את שעת ההתחלה של זריקות הצבע ולקחת תמונה ראשונית.
      אופציונאלי: זה יכול להיות חינוכי לאתר את חזיתות צבע הראשוניות עם סמנים על נייר שקיפות, כדי שהתנועה היא לצבוע בקלות לצפייה במעבדה, אבל קווי המתאר אלה גם יחסמו מנות קטנות של חזיתות צבע בתמונות, ולכן יש טרייד כבוי.
    5. ללכוד את העמדות קדמי צבע במרווחי זמן מתאים. לצילום זמן לשגות, להשתמש 30 מרווחי שניות לתת תוצאות חלקות.

3. סימולציה

  1. הפעל סימולציה 1: Mousedrop ולהשוות עם תחבורת צבע שנצפתה.
    1. פתח את תסריט הסימולציה שם Mousedrop.nlogo.
      figure-protocol-1
      איור 2. Mousedrop. זה מראה היכן קליעים נותבים הם ב 7 מקרים שונים בזמן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
    2. התאם את הפרמטרים של מערכת הפיזיות שמוצגים בטבלה 1 כדי להתאים תנאי ניסוי מתעלים (במיוחד: למבדה, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, נקבוביות, ChannelVelocity, עומק, ושיפוע). הקפד לשים לב זהיר ליחידות בעת הזנת פרמטרים קלט.
    3. התאם מחווני TIME1, TIME2, וכו 'כדי לציין פעמים כאשר צבע הסימולציה מעקב ישתנה. הגדר שינויי צבע אלה כדי להתאים פעמים תצפית כדי להקל על השוואה של תוצאות סימולציה עם תצפיות.
      הערה: אם הפרמטרים זמן כולם מוגדרים 0, הסימולציה תציג צבע אחד לאורך כל דרך.
    4. לאחר נקבעים כל הפרמטרים, לחץ על כפתור ההתקנה.
      הערה: bedform אמורה להופיע בתצוגת הסימולציה.
    5. לחץ על לחצן העכבר שחרר כדי לציין את המקומות החל מקליעים נותבים וירטואליים. שים לב שמקומות רבים במיטה ניתן ללחוץ. החזק את העכבר למטה כדי לשחרר נותב וירטואלי יותר. כאשר המדמה תנועת צבע, להשתמש בעכבר או להתחקות חזיתות צבע (הגבול סביב הצבע) או למלא את האזור מלא באזור הצבוע.
      הערה: היכרות נותב וירטואליים יותר תגרום לסימולציה לרוץ יותר לאט. התוצאות חזותיות הטובות ביותר ישתנו עם ביצועי מחשב.
    6. ברגע שכל קליעים נותבים הווירטואליים הוצבו, באפשרותך ללחוץ על לחצן מראש לפעם הבאה, שתתחיל סימולציה ולאחר מכן לעצור את זה בפעם הראשונה, או שאתה יכול ללחוץ על כפתור Go / התחנה להתחיל simulATION ללא הגבלת זמן. לחץ מחדש אל התקנת לחצן, או קליעים נותבים יצטרכו להיות ממוקמים שוב.
      הערה: לאחר הסימולציה מתחילה לרוץ, המהירות מחושבת למיקום של כל נותב מבוסס על פרמטרים סימולציה במשוואות 4 ו -5 המהלכים נותב לפי תחום המהירות 100 שניות מדומה ולאחר מכן המהירות במיקום החדש מחושבת וההליך חוזר על עצמו עד שנותב עוזב את המערכת.
    7. לחלופין, לחץ על לחצן / להפסיק ללכת שוב ושוב כדי להשהות / להמשיך את הסימולציה. השווה את הפצות צבע מדומה ונמדדו בנקודות שונות בזמן.
  2. סימולציה לרוץ 2: ממשק.
    1. פתח את התסריט שכותרתו ממשק.
      figure-protocol-2
      איור 3. ממשק. זה מראה 370 קליעים נותבים זורמים דרך תת הקרקע באמצעות הסימולציה הממשק. הרשות נותבths להראות שבו כל נותב כבר מאז שהתחיל בממשק מים מתחת לפני הקרקע משטח. סופו של דבר את כל נתיבי הזרימה צריכים לחזור למים עיליים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
      הערה: תסריט זה מציג קליעים נותבים וירטואליים על פני השטח הנחל באופן משוקלל שטף מבוסס על מהירויות מתחת לפני הקרקע מחושבות. זה מספק ייצוג חזותי של הכמויות היחסית של מים זורמים לתוך (ומתוך) הנחל במקומות שונים.
    2. בגין על ידי לחיצה על התקנה ואחריו ללכת / תחנה.
      הערה: זה יפעל סימולציה עם הגדרות ברירת המחדל. מחדש ירידה? המתג להגדיר תחילה לחופש, אז חלוקת זמן מגורים המצטברת תהיה להתוות ככל שחולף זמן.
    3. לאחר התבוננות הסימולציה עם הפרמטרים של ברירת המחדל, לחץ על ללכת / להפסיק לעצור את הסימולציה.
    4. שינוי פרמטר אחד או יותר ולאחר מכן לחץ על התקנה ואחריו ללכת / תחנה.
      הערה: זה יהיה להפעיל מחדש את הסימולציה עם הפרמטרים שנבחרו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

השימוש בסימולציה בשיתוף עם ניסויים מאפשר לתלמידים לבחון את הדמיון ושוני בין מודלים מתמטיים האידיאליים ומערכות אמיתיות מורכבות יותר. איור 4 מראה דוגמא השוואת צילומי הזרקת צבע עם סימולציות Mousedrop. התצלום הראשוני משמש כדי לקבוע את המיקום של נותב הצבע המדומה בזמן אפס, ולאחר מכן הסימולציה מנוהלת עבור 34.2 דקות ולעומת תמונה שצולמה באותו הזמן. בסך הכל המודל עושה עבודה מצוינת של לכידת התנועה של המים צבועים על מרווח זמן זה. בועת הצבע הראשונה, ממוקמת בצד המוגן ש...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בשיתוף, סימולציות הפגנה ומעקב חלקיקים המתעלות לספק מבוא מקיף לזרימת hyporheic עבור מגוון של קהלים. משתתפים של כל הרמות מסופקים ראיות חזותיות להתרחשות של חילופי hyporheic הנגרמת על ידי bedforms, וההשתנות החזקה בזרימה תת-קרקעית מתחת לנתיבים bedforms. נהלים אלה יכולים לשמש כהפגנה פשוטה של ​​זרימת porewater לסטודנטים לתואר ראשון או K-12 תלמידים, או שהוא יכול לשמש בקורסים לתואר שני בשיתוף עם מצגת מעמיקה יותר של הידראוליקה נהר, תחבורת משקעים, והמכניקה של חילופי hyporheic . ללא קשר לרמה,...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי מענקי הקרן הלאומית למדע EAR-0810270, EAR-1215898 ו-EAR-1344280, כמו גם מלגת מחקר לתארים מתקדמים של NSF.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
FlumeEngineering Laboratory Designמותאם אישיתעם דפנות ברורות למשך 24-48 שעות. לחלופין, ניתן לבנות צינור הוראה קטן בפחות מ-300 דולר בהתאם להנחיות המפורטות בחומרים המשלימים שלנו.
מד זרימהרוזמאונט 8800 מערבולת זה ממוקם בתוך לולאת המחזור של הצינור
חולאותנו. סיליקהF30חול בדרגת מחקר ליצירת שכבה בעומק 10-20 ס"מ בכל הצינור
דגימות צבע מחברותמסיס במים בדרגת מזון המיוצר לתמיסה מימית. צבעים כהים כמו אדום, כחול וירוק עובדים הכי טוב. (הימנע מצבעי מאכל בפרופילן גליקול.)
מזרקHSW4100.000V05-10 מ"ל, למשל HSW Norm-Ject מזרק חד פעמי 2 חלקים
Pipetting NeedleCadence Science794214-gage, 6-in selfnt end,  כדי להזריק את הצבע עמוק לתוך החול.
מצלמה דיגיטליתכלמצלמה דיגיטלית עם חצובה יציבה. (ניתן להשתמש במצלמות Time lapse כדי לאסוף נתונים מהירים במרווחים שווים.) השתמשנו במצלמת Nikon D7000.
סרגלכלשקוף הוא הטוב ביותר.
סרט מדידהכל
תוכנת NetlogoCCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogoNetlogo Commons4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258
צינור מעבדה מזון צבע

מקורות

  1. Huettel, M., Webster, I. T. Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).
  2. Bencala, K. E., Walters, R. A. Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream - a Transient Storage Model. Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).
  3. Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
  4. Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana. Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).
  5. Fuller, C. C., Harvey, J. W. Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona. Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).
  6. Jones, J. B., Mulholland, P. J. Streams and Ground Waters. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).
  7. McKnight, D. M., et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity. Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).
  8. Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
  9. Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
  10. Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA. Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).
  11. Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos. Coast Est S. 58, 211-240 (2001).
  12. Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
  13. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
  14. Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model. Water Resour Res. 48, (2012).
  15. Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Wörman, A., Salehin, M., Packman, A. I. A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders. Water Resour Res. 46, (2010).
  16. Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield. Geophys Res Lett. 34, (2007).
  17. Tonina, D., Buffington, J. M. A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat. Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).
  18. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
  19. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments. Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).
  20. Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  21. Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms. Wat Resour Res. 48, (2012).
  22. Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
  23. Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
  24. Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
  25. Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
  26. Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
  27. Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation. Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).
  28. Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
  29. Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
  30. Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
  31. Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning. Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).
  32. Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
  33. Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
  34. Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. , John Wiley & Sons. (1987).
  35. Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906(1979).
  36. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).
  37. Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
  38. Zohar, A., Ben David, A. Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component. Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).
  39. Fox, A., Boano, F., Arnon, S. Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms. Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).
  40. Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
  41. Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
  42. Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
  43. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange. Water Resour Res. 40, (2004).
  44. Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
  45. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  46. Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
  47. Tonina, D., Buffington, J. M. Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling. Water Resour Res. 43, (2007).
  48. Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , US Geological Survey. Reston, VA, USA. (2000).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

NetLogo

מאמרים קשורים