Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

Summary

Questo manoscritto descrive come creare forme di letto regolari in un canale, visualizzare il flusso attraverso le forme di letto e utilizzare simulazioni al computer per simulare il flusso iporreico. Le simulazioni al computer si confrontano bene con le osservazioni sperimentali. Questa simulazione ed esperimento accoppiati è adatta sia per scopi di ricerca che educativi.

Abstract

Scambio advective tra lo spazio dei pori dei sedimenti e la colonna d'acqua sovrastante, denominato scambio iporreico in ambienti fluviali, guida trasporto dei soluti in fiumi e molti importanti processi biogeochimici. Per migliorare la comprensione di questi processi attraverso dimostrazione visiva, abbiamo creato una simulazione del flusso iporreico nel multi-agente piattaforma di modellazione informatica NetLogo. La simulazione mostra tracciante virtuale fluisce attraverso streambed coperto con bedforms bidimensionali. Sedimenti, di flusso, e bedform caratteristiche vengono utilizzate come variabili di input per il modello. Illustriamo come queste simulazioni corrispondono osservazioni sperimentali da esperimenti flume laboratorio sulla base di parametri di input misurati. Colorante viene iniettato nei sedimenti flume per visualizzare il flusso porewater. Per confronto particelle traccianti virtuali sono collocati nelle stesse posizioni nella simulazione. Questo esperimento di simulazione e di laboratorio accoppiato è stato utilizzato con successo in laurea e gradualaboratori te di visualizzare direttamente le interazioni fiume porewater e mostrano come le simulazioni di flusso basati fisicamente in grado di riprodurre fenomeni ambientali. Gli studenti hanno preso fotografie del letto attraverso le pareti a circolazione d'acqua trasparenti e li hanno confrontati a forme del colorante alla stessa ora nella simulazione. Ciò ha provocato le tendenze molto simili, che ha permesso agli studenti di comprendere meglio sia i modelli di flusso e il modello matematico. Le simulazioni consentono anche all'utente di visualizzare rapidamente l'impatto di ogni parametro di ingresso eseguendo simulazioni multiple. Questo processo può essere utilizzato anche in applicazioni di ricerca per illustrare processi di base, in relazione flussi di interfaccia e di trasporto porewater, e supportare la modellazione basata su processo quantitativo.

Introduction

Come acque superficiali si muove in un torrente, fiume o zona di marea crea sfumature di testa che guidano l'acqua dentro e fuori dei sedimenti ^1. Nei sistemi fluviali porzione dei sedimenti alveo in cui si verifica questo scambio è nota come zona di ^2,3 iporreico. Questa zona è importante perché molte sostanze nutritive e inquinanti sono memorizzati, depositati, o trasformati all'interno della zona iporreico ^4-9. La quantità di tempo trascorre un tracciante nel sedimento è chiamato un tempo di permanenza. Entrambi i tempi di permanenza e le posizioni dei percorsi di flusso influenzano i processi di trasformazione. È necessaria una mi....

Protocol

1. software di simulazione

1. Utilizzare il software descritto in questa sezione.
   1. Scaricare e installare il multi-agente open-source linguaggio libero / modellazione e piattaforma di simulazione, NetLogo (Disponibile: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versione 5.1 o successiva).
      Nota: Questo software è disponibile a costo zero e funziona su tutti i principali sistemi operativi (Windows / Mac / Linux).
   2. Scaricare i due file specifici di script simulazione (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) che accompagnano questa procedura di laboratorio. (Available:

Results

L'uso di una simulazione, in combinato disposto con gli esperimenti permette agli studenti di osservare le somiglianze e le differenze tra i modelli matematici idealizzati e sistemi reali complessi. Figura 4 mostra un esempio confrontando colorante fotografie di iniezione con simulazioni Mousedrop. La fotografia iniziale viene utilizzato per determinare la posizione del colorante tracciante simulato al tempo zero, e quindi la simulazione viene eseguita per 34,2 min e confrontato con una fot.......

Discussion

In concomitanza, le simulazioni di dimostrazione e di monitoraggio delle particelle flume forniscono una completa introduzione al flusso iporreico per una gamma di pubblico. I partecipanti di tutti i livelli sono previste prove visive per il verificarsi di scambio iporreico indotta da bedforms, e la forte variabilità dei percorsi di flusso sotterraneo sotto bedforms. Queste procedure possono essere utilizzate come una semplice dimostrazione del flusso porewater per laureandi o K-12 studenti, oppure può essere utilizzato.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Progettazione del laboratorio di ingegneria	del canale	da laboratorio personalizzato	con lati trasparenti per 24-48 ore. In alternativa, è possibile costruire un piccolo canale didattico per meno di 300 dollari, seguendo le linee guida fornite nei nostri materiali supplementari.
Flussimetro	Rosemount	8800 vortice	Questo si trova all'interno dell'anello di ricircolo del canale
Sabbia	USA. Silice	F30	Sabbia di ricerca per formare uno strato profondo 10-20 cm in tutto il canale
Campioni di colorante	da aziende		Colorante idrosolubile per uso alimentare trasformato in una soluzione acquosa. I colori scuri come il rosso, il blu e il verde funzionano meglio. (Evitare i coloranti alimentari nel glicole propilenico.)
Siringa	HSW	4100.000V0	5-10 ml, es. HSW Norm-Ject Siringa monouso in 2 parti
Ago da pipettaggio	Cadence Science	7942	14 calibri, estremità smussata da 6 pollici, per iniettare il colorante in profondità nella sabbia.
Fotocamera digitale	Qualsiasi		fotocamera digitale con treppiede fisso. (Le telecamere time lapse possono essere utilizzate per raccogliere dati rapidi e uniformemente distanziati.) Abbiamo usato una Nikon D7000.
Righello	Qualsiasi		Trasparente è il migliore.
Metro a nastro	Qualsiasi
software Netlogo	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