Name: Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Esplora il flusso iporreico attraverso bedforms utilizzando esperimenti con colorante e simulazioni NetLogo. Questo metodo combina esperimenti fisici e software interattivo per illustrare principi idrologici e migliorare l'apprendimento.

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Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dalle sovvenzioni della National Science Foundation EAR-0810270, EAR-1215898 e EAR-1344280, nonché da una NSF Graduate Research Fellowship.

1. software di simulazione <ol><li> Utilizzare il software descritto in questa sezione. <ol><li> Scaricare e installare il multi-agente open-source linguaggio libero / modellazione e piattaforma di simulazione, NetLogo (Disponibile: <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/,</a> versione 5.1 o successiva). Nota: Questo software è disponibile a costo zero e funziona su tutti i principali sistemi operativi (Windows / Mac / Linux). </li><li> Scaricare i due file specifici di script simulazione (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) che accompagnano questa procedura di 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 volta che la piattaforma di simulazione è installato e questi file sono stati scaricati, facendo doppio clic su questi file si apre automaticamente tegli simulazioni fino, pronto per essere eseguito. </li></ol></li></ol> 2. Flume Dimostrazione <ol><li> Impostare il canale artificiale in laboratorio in modo che tutti i parametri (Tabella 1) rientrano nei limiti della gamma di parametri di simulazione mousedrop. Nota: I vincoli possono essere regolati in mousedrop, se richiesto per il sistema fisico modificando i cursori. <ol><li> Versare uno strato di circa 15-25 cm di sabbia nel canale artificiale. Misurare e registrare la conduttività idraulica e porosità della sabbia seguenti metodi standard 32,33. </li><li> Riempire il canale artificiale con circa 20-30 cm di acqua. </li><li> Avviare il canale e aumentare la portata ad un livello che è abbastanza veloce per spostare granelli di sabbia e quindi creare bedforms. Nota: La portata può essere ulteriormente regolata per raffinare caratteristiche bedform con la pratica. Dimensioni Bedform sono il risultato di portata, la profondità dell&#39;acqua e le proprietà di sabbia. </li><li> Consentire bedforms per sviluppare foR 12-24 ore per formare duna naturale / morfologia ondulazione. Per accelerare questo processo, manualmente forma dune regolari, e quindi consentire il trasporto di sedimenti per 4-12 ore. In alternativa, formare manualmente regolari dune triangolari. Nota: Dune triangolari regolari produrranno schemi regolari di scambio iporreica, ma non mostrare la maggior complessità duna naturale / bedforms increspatura. </li><li> Una volta che i bedforms desiderati siano raggiunti, ridurre la portata d&#39;acqua fino a letto sedimenti rallenta di trasporto e le caratteristiche bedform smettere di cambiare. <ol><li> Osservare visivamente il movimento di granelli di sedimento che comprende il letto, e ridurre il flusso fino a quando il movimento cessa. Nota: Ciò manterrà la morfologia letto per la durata dell&#39;esperimento. </li><li> Per confermare che lento, movimento episodica non è in corso, posizioni dei contrassegni o fotografia bedform e poi osservare in un secondo momento. Nota: È importante solo che bedforms non si muovono in maniera significativa nell&#39;intervallo di tempo dell&#39;esperimento, in modo che fornisceun tempo di osservazione sufficiente per confermare che bedforms sono stabili. </li></ol></li><li> Regolare pista canale artificiale e / o la profondità d&#39;acqua per ottenere un flusso uniforme sotto la portata ridotta. <ol><li> Controllo pendenza del canale attraverso apparecchiature costruito nel canale artificiale, di solito uno spinotto di motore o una manovella. Regolare la profondità dell&#39;acqua aggiungendo o rimuovendo l&#39;acqua dal canale artificiale. Nota: Nella configurazione sperimentale usata qui, l&#39;intero canale artificiale è montato su un perno sulla estremità a valle, e la pendenza è impostato da un martinetto motorizzato all&#39;estremità a monte. </li><li> Mentre la pompa è in funzione, selezionare due sedi longitudinali segnati con linee perpendicolari al fondo della canaletta. A queste posizioni, usare un righello per misurare la distanza lungo queste linee perpendicolari, tra la superficie dell&#39;acqua e la parte inferiore del canale artificiale. Nota: A seconda della configurazione canala, il fondo della canaletta può servire come linea di riferimento più inclinato rispetto al fondo della canaletta. Selezione di un lardistanza longitudinale ger produrrà una maggiore precisione. </li><li> Regolare la pendenza del canale e / o la profondità dell&#39;acqua e rimisurare finché le misure di distanza verticali sono uguali per ottenere un flusso uniforme. Misurare la distanza orizzontale inclinato lungo il fondo della canaletta tra queste due posizioni longitudinali. </li></ol></li><li> Fermare la pompa e aspettare che l&#39;acqua di smettere di muoversi; questo fornirà una superficie piana. Re-misurare la distanza tra la parte superiore del canale e la superficie dell&#39;acqua in ogni posizione longitudinale. Nota: La pendenza canale è uguale alla differenza tra queste misurazioni, divisa per la distanza orizzontale tra loro inclinate. </li><li> Riavviare la pompa. </li><li> Selezionare una sezione di prova, che dovrebbe essere un luogo vicino alla fine metà o a valle del canale artificiale dove le dune hanno formato uno schema regolare. Assicurarsi che questa sezione comprende almeno una bedform pieno. </li><li> Misurare e registrare la profondità dei sedimenti media (D) in thsezione di prova e con qualsiasi escogitare misura mano (trasparenti righelli sono l&#39;ideale). Per semplicità, utilizzare la distanza media di una cresta e di valle in fondo canale artificiale. </li><li> Misurare e registrare l&#39;altezza bedform media nella sezione di prova, definito come la differenza tra la profondità sedimento una cresta e la profondità sedimenti in un trogolo con un righello. Misura diversi bedforms per ottenere una buona stima della media. </li><li> Anche in questo caso utilizzando il righello, misura e registra la profondità media d&#39;acqua (d) nella sezione di prova, definito come la distanza media dalla superficie dell&#39;acqua al letto di sabbia. Anche in questo caso, utilizzare la profondità media acqua a creste dunali e bassi per la semplicità. </li><li> Registrare la portata del canale (Q) dal flussometro, e calcolare la velocità media come Q / (d * w), dove w è la larghezza del canale e d è la profondità dell&#39;acqua. Nota: La nostra flussometro viene inserito nel circuito di ricircolo della canaletta. </li><li> Misurae registrare la lunghezza d&#39;onda media bedform nella sezione di prova. Tipicamente, misurare la lunghezza d&#39;onda come la distanza tra le creste dunali successive. </li><li> Aprire la simulazione Mousedrop (nella piattaforma NetLogo) e controllare che tutte le misurazioni sono entro gli intervalli variabili specificate nell&#39;interfaccia utente simulazione. Se un parametro misurato non rientra nel campo di vincolo, regolare la gamma di parametri di simulazione facendo clic destro sul parametro &quot;slider&quot;, selezionando &quot;Modifica&quot;, e regolando i valori min / max. </li></ol></li><li> Visualizza scambio iporreico. <ol><li> Impostare la fotocamera in una posizione fissa (preferibilmente su un treppiede) indicate ortogonalmente alla parete canale artificiale con un unico bedform nella sezione di prova al centro del quadro. Nota: Questo permetterà di evitare problemi di prospettiva obliqua. </li><li> Scattare una foto di prova per verificare le condizioni. Regolare l&#39;illuminazione se i riflessi sono un problema. </li><li> Usando la siringa e l&#39;ago, fare 2-3 piccolo colorante injections vicino alla parete canale artificiale. Assicurarsi che queste iniezioni formano ~ bollini circolari 2 cm di porewater colorate in una varietà di posizioni verticali e orizzontali. Fare attenzione per ridurre al minimo il disturbo per il letto di sabbia durante l&#39;iniezione. Nota: Iniezioni di piccoli volumi di tintura permettono all&#39;utente vedere più dettagli e visualizzare i percorsi del flusso individuali. </li><li> Registrare l&#39;ora di inizio delle iniezioni di colorante e prendere una immagine iniziale. Opzionale: Può essere educativo rintracciare i fronti tintura iniziali con i marcatori su carta trasparente, in modo che il movimento colorante è facilmente osservabile in laboratorio, ma questi contorni anche bloccare piccole porzioni di fronti colorante in immagini, per cui vi è un trade- off. </li><li> Cattura le posizioni colorante anteriori a intervalli di tempo adeguati. Per lasso di tempo fotografia, utilizzare intervalli di 30 secondi per dare i risultati regolari. </li></ol></li></ol> 3. Simulazione <ol><li> Esegui Simulazione 1: Mousedrop e confrontarlo con il trasporto tintura osservato.<ol><li> Aprire lo script di simulazione denominato Mousedrop.nlogo. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> Figura 2. Mousedrop. Questo mostra dove traccianti sono a 7 diverse istanze nel tempo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> </li><li> Regolare i parametri di sistema fisiche indicate nella Tabella 1 in base alle condizioni sperimentali flume (in particolare: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, di porosità, ChannelVelocity, profondità, e Slope). Assicurati di prestare particolare attenzione alle unità per i parametri di input. </li><li> Regolare i cursori time1, TIME2, ecc per indicare tempi in cui il colore di simulazione di monitoraggio cambierà. Impostare questi cambiamenti di colore per abbinare tempi di osservazione, al fine di facilitare il confronto dei risultati della simulazione con le osservazioni. Nota: Se i parametri di tempo sono tutti impostati a 0, la simulazione mostrerà un singolo colore in tutto. </li><li> Dopo che tutti i parametri sono impostati, fare clic sul pulsante di impostazione. Nota: Il bedform dovrebbe apparire nella visualizzazione simulazione. </li><li> Fare clic sul pulsante del mouse-drop per indicare la posizione di partenza di traccianti virtuali. Si noti che più posizioni nel letto può essere cliccato. Tenere il mouse verso il basso per rilasciare tracciante più virtuale. Durante la simulazione movimento tintura, utilizzare il mouse per tracciare o fronti colorante (il confine intorno il colorante) o compilate il pieno area della regione tinto. Nota: L&#39;introduzione di più tracciante virtuale farà sì che la simulazione di eseguire più lentamente. I migliori risultati visivi varieranno con le prestazioni del computer. </li><li> Una volta che tutti i traccianti virtuali sono state collocate, è possibile fare clic sul pulsante di avanzamento per la prossima volta, che inizierà la simulazione e poi fermarlo a la prima volta oppure è possibile fare clic sul pulsante Vai / stop per iniziare la simulzione a tempo indeterminato. Non riutilizzare fare clic sul pulsante di impostazione, o dei rivelatori dovranno essere immessi di nuovo. Nota: Una volta che la simulazione inizia a funzionare, la velocità viene calcolata per la posizione di ciascun tracciante basato su parametri di simulazione nelle equazioni 4 e 5. I traccianti si muove secondo il campo di velocità per 100 secondi simulate e poi la velocità nella nuova posizione viene calcolata e la procedura viene ripetuta finché il tracciante lascia il sistema. </li><li> Facoltativamente, fare clic sul pulsante / stop andare più volte per mettere in pausa / continuare la simulazione. Confrontare le distribuzioni tintura simulati e misurati in diversi punti nel tempo. </li></ol></li><li> Simulazione Run 2: Interfaccia. <ol><li> Aprire lo script dal titolo Interface. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> Figura 3. Interfaccia. Questo dimostra 370 traccianti che attraversano il sottosuolo tramite la simulazione di interfaccia. Il pa traccianteTHS mostrano dove ogni tracciante è stato da quando è stato avviato a livello di interfaccia superficie dell&#39;acqua-sottosuolo. Alla fine tutti i percorsi di flusso dovrebbero tornare in acque di superficie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Nota: Questo script introduce traccianti virtuali sulla superficie alveo in modo flusso ponderato in base a velocità sottosuolo calcolati. Ciò fornisce una rappresentazione visiva delle relative quantità di acqua che scorre in (e fuori) alveo in luoghi diversi. </li><li> Iniziate cliccando impostazione seguita da go / stop. Nota: Questo farà eseguire la simulazione con le impostazioni predefinite. Lo switch re-goccia? È inizialmente impostato su off, quindi la distribuzione cumulativa tempo di permanenza verrà tracciata col passare del tempo. </li><li> Dopo aver osservato la simulazione con i parametri di default, fare clic su go / stop per interrompere la simulazione. </li><li&gt; Modifica uno o più parametri e quindi fare clic su configurazione seguita da go / stop. Nota: Questa operazione riavvierà la simulazione con i parametri che sono stati selezionati. </li></ol></li></ol>

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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...

Come acque superficiali si muove in un torrente, fiume o zona di marea crea sfumature di testa che guidano l&#39;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&#39;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 migliore comprensione dei processi che interessano il flusso attraverso il sedimento di prevedere il trasporto soluto in fiumi e affrontare grandi problemi ambientali derivanti dalla propagazione di materiali come nutrienti (ad esempio, ipossia costiera 10,11). Nonostante l&#39;importanza dello scambio iporreico, spesso non è descritta nei corsi di laurea in idrologia,meccanica dei fluidi, idraulica, ecc educatori che desiderano aggiungere scambio iporreico ai loro corsi potrebbero trovare utile avere visualizzazioni sperimentali e numerici che mostrano chiaramente questo processo. Sinuosità flusso di canale, livelli delle acque sotterranee circostanti, e la topografia alveo (cioè, bar, bedforms e tumuli biogene) tutti influenzano scambio iporreico a vari livelli 12-17. Questo studio si è concentrato su bedforms, come le dune e increspature, che di solito sono le caratteristiche geomorfologiche chiave che influenzano il flusso iporreico 14,15. Abbiamo creato un esperimento di simulazione numerica e di laboratorio di visualizzare il flusso attraverso una serie regolare di bedforms. Questa simulazione si basa su un corpo di precedenti ricerche relative percorsi di flusso iporreico caratteristiche del sistema per facilmente osservabili 15,18-21. Dato che questa ricerca costituisce la base scientifica per la simulazione, un breve riassunto degli aspetti fondamentali della teoria segue. Bedform topografia, T (x),è dato da: Equazione 1: <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq1.jpg" /> dove H è due volte l&#39;ampiezza del bedform, k è il numero d&#39;onda, ed x è la dimensione longitudinale parallelo alla superficie media alveo. Un esempio di questo bedform topografia è mostrato in Figura 1. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig1.jpg" /> Figura 1. definizioni e le impostazioni dei parametri controllati dall&#39;utente. In interfaccia, particelle traccianti vengono rilasciati in modo flusso ponderato al / all&#39;interfaccia sedimento acqua e monitorati attraverso il sedimento. Se show-sentieri? È &quot;On&quot; il marchio traccianti d&#39;acqua dove sono stati, mostrando i loro percorsi. Quando un tracciante torna in acque di superficie, questo cambia tegli numero totale dei traccianti nel sistema, quando ri-drop? è impostata su &quot;off&quot;. La trama distribuzione del tempo di residenza progressivo registra questa modifica tracciando il rapporto del numero di rivelatori rimanenti nel letto sedimenti al numero iniziale in funzione del tempo. Se ri-drop? È &quot;on&quot; allora traccianti che lasciano il sistema vengono sostituiti nello stesso modo di flusso ponderato particelle originali, e la trama cumulativo non è attivato. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Nome Parametro </td><td> Unità </td><td colspan="3"> Definizione </td><td> Interfaccia </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Lambda (λ) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Lunghezza d&#39;onda di bedform (vedi Figura 1) &lt;/ td&gt; <td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedformHeight (H) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Due volte l&#39;ampiezza bedform (vedi Figura 1) </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedDepth (D) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Profondità dei sedimenti (vedi Figura 1) </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> HydrCond (K) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Conducibilità idraulica </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Porosità (θ) </td><td></td><td colspan="3"> Porosità </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ChannelVelocity (U) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Velocità media in acque di superficie o il canale </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Profondità (d) </td><td> cm </td><td colspan="3"> La profondità dell&#39;acqua (vedi Figura 1) </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Pendenza (S) </td><td></td><td colspan="3"> Pendenza dei bedforms e la superficie dell&#39;acqua </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td&gt; <img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> NumParticles </td><td></td><td colspan="3"> Il numero di particelle rilasciate nel sistema. </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> Timex (Tempo1, Time2 ..) </td><td> min </td><td colspan="3"> Momento in cui si verifica ogni cambio di colore </td><td></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Pulsanti di simulazione </td><td></td><td colspan="3"> Definizione </td><td> Interfaccia </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Impostare </td><td></td><td colspan="3"> Impostare di la simulazione con parametri che figurano </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> go / stop </td><td></td><td colspan="3"> Avvia e arresta la simulazione </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Passo </td><td></td><td colspan="3"> Cliccando passaggio causa unico passaggio per passare. Questo permette agli utenti di rallentare il codice e vedere esattamente ciò che accade in 100 sec. </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> percorsi chiari </td><td></td><td colspan="3"> Cancella tutti lui i percorsi di particelle blu dallo schermo </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Anticipo per la prossima volta </td><td></td><td colspan="3"> Questo fa sì che il programma da eseguire fino al successivo cambio di colore (Timex)</td><td></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Mouse-drop </td><td></td><td colspan="3"> Questo tasto deve essere cliccato prima le particelle possono essere immessi nel sottosuolo cliccando su posizioni nel sottosuolo. </td><td></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> show-percorsi? </td><td></td><td colspan="3"> Se show-percorsi? è &quot;on&quot; le particelle di acqua lasciano una scia di blu mostrando dove sono stati (vedi Figura 1). </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ri-goccia? </td><td></td><td colspan="3"> Se ri-drop? è &quot;on&quot; le particelle sono sostituite in modo ponderato di flusso per ogni particella, che esce il sistema, e la trama cumulativo non funziona. Quando un particle esce dalla zona iporreica il numero di particelle nel sistema diminuisce se re-goccia? è &quot;off&quot; (vedi Figura 1). </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr></tbody></table> Tabella 1. Parametri iporreica e Simulazione controlli. Ogni parametro, pulsante, e di scorrimento che possono essere regolate dall&#39;utente è dato in questa tabella con una definizione. In questa simulazione, due processi inducono velocità del fluido nel letto di sabbia. Il primo è dovuto alle interazioni del flusso di corrente con bedforms. La testa di velocità all&#39;interfaccia acqua / sedimenti indotta dal bedforms è anche approssimativamente sinusoidale, e spostata di un quarto d&#39;onda dal bedform sé 22. L&#39;ampiezza della funzione testa velocità all&#39;interfaccia superficie sottosuolo è approssimata alle misurazioni di 16: ge = &quot;always&quot;&gt; Equazione 2: <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq2.jpg" /> dove U è la velocità dell&#39;acqua superficiale media, g è la costante gravitazionale, e d è la profondità dell&#39;acqua (Figura 1). La funzione di testa di velocità è quindi dato da: Equazione 3: <img alt="Equazione 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq3.jpg" /> Questa funzione testa può quindi essere utilizzato per calcolare la componente basato bedform-delle funzioni di velocità sottosuolo risolvendo l&#39;equazione di Laplace con un letto di sabbia profondità costante 20. Il secondo componente della velocità porewater è determinato dalla pendenza del sistema, S, che corrisponde ad un gradiente testa gravitazionale che rese scorrono verso valle proporzionales / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg &quot;/&gt; Le funzioni finali per velocità porewater sono.: Equazione 4: <img alt="Equazione 4" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq4.jpg" /> Equazione 5: <img alt="Equazione 5" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq5.jpg" /> dove u è la componente della velocità longitudinale v è la componente di velocità verticale, K è la conducibilità idraulica media del sedimento, è la porosità media dei sedimenti, y è la coordinata verticale, e D è la profondità dei sedimenti. Simulazioni di monitoraggio di particelle sono state create, che utilizzano il linguaggio di modellazione NetLogo e piattaforma di simulazione 23. I due implementazioni (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usano queste equazioni per modellare hypflusso orheic con lo stesso nucleo simulazione. La differenza principale è le posizioni iniziali delle particelle traccianti. Mousedrop permette all&#39;utente di posizionare tracciante simulato ovunque all&#39;interno del sottosuolo. Equazioni di velocità Subsurface 4 e 5 sono utilizzati per spostare il tracciante per simulare esperimenti di iniezione di tintura. In Interface, tracciante viene sempre collocato lungo il contorno della superficie / sottosuolo in un modo flusso ponderato. Questo imita la consegna di materiale dissolto e in sospensione dalle acque di superficie nel porewater, che è cruciale per comprendere lo scambio iporreico. Il tracciante poi si sposta all&#39;interno del sottosuolo fino a raggiungere di nuovo l&#39;acqua corrente. Tracciare i percorsi colorante nel canale e simulazione dei percorsi utilizzando NetLogo produce le linee di corrente del campo di portata, purché le condizioni di flusso e bedform morfologia rimangono costanti durante il periodo di osservazione. Interface.nlogo crea una distribuzione cumulativa tempo di residenza, che mostra la rapporto tra il numero diparticelle traccianti rimanenti nei sedimenti al numero iniziale di particelle traccianti poste al tempo 0 in funzione del tempo. Come discusso in un recente sondaggio della letteratura 24, rimane considerevole dibattito all&#39;interno della comunità di ricerca educativa sui meriti relativi di hands-on esperimenti di laboratorio contro laboratori simulati e modelli di computer. Da un lato, alcuni ritengono che &quot;esperienza pratica è al centro di apprendimento&quot; 25, e la cautela che gli argomenti risparmi possono essere alimentando la sostituzione di hands-on attività di laboratorio di simulazioni basate su computer, a scapito di studente comprensione 26. D&#39;altra parte, alcuni ricercatori di didattica delle scienze / ingegneria sostengono che le simulazioni sono almeno altrettanto efficace quanto tradizionali laboratori pratici 27, o discutono i vantaggi della simulazione al computer nel favorire centrato sullo studente &quot;apprendimento per scoperta&quot; 28. Anche se il consenso non è stato ridoleva, molti ricercatori hanno concluso che, idealmente, simulazioni al computer dovrebbero integrare, piuttosto che sostituire, le mani su esperimenti di laboratorio 29,30. Ci sono state anche le iniziative nell&#39;ambito della scienza e istruzione tecnica simultaneamente paio sperimentazione fisica e del mondo reale di rilevamento con simulazioni al computer dei fenomeni; vedi, ad esempio, &quot;Modellazione bifocali&quot; 31. Studenti possono acquisire una conoscenza concettuale profonda e una migliore comprensione del processo di ricerca scientifica interagendo sia con un sistema fisico, e una simulazione computerizzata di tale sistema. Questa procedura implica avere studenti di eseguire un esperimento di trasporto dei soluti che dimostra il flusso di scambio iporreica gravitazionale ed bedform indotta, e abbinare la propria impostazione e risultati sperimentali con una simulazione al computer degli stessi fenomeni. Questo confronto facilita importanti risultati-apprendimento degli studenti, e una discussione più approfondita di tegli metodo scientifico, e l&#39;interazione tra il modello / la teoria-costruzione e validazione empirica attraverso la raccolta dei dati. Dopo l&#39;esecuzione di questo confronto, gli studenti possono inoltre usufruire dei vantaggi di simulazione su computer per esplorare rapidamente un gran numero di scenari alternativi, cambiando i parametri del modello.

<table><tbody><tr><td>Progettazione del laboratorio di ingegneria</td> <td>del canale</td> Canale <td>da laboratorio personalizzato</td><td>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.</td></tr><tr><td>Flussimetro</td><td>Rosemount&nbsp;</td><td>8800 vortice&nbsp;</td><td>Questo si trova all'interno dell'anello di ricircolo del canale</td></tr><tr><td>Sabbia</td><td>USA. Silice</td><td>F30</td><td>Sabbia di ricerca per formare uno strato profondo 10-20 cm in tutto il canale</td></tr><tr><td>Campioni di colorante</td><td>da aziende</td><td></td> alimentari <td>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.)</td></tr><tr><td>Siringa</td><td>HSW</td><td>4100.000V0</td><td>5-10 ml, es. HSW Norm-Ject Siringa monouso in 2 parti</td></tr><tr><td>Ago da pipettaggio</td><td>Cadence Science</td><td>7942</td><td>14 calibri, estremità smussata da 6 pollici, per iniettare il colorante in profondità nella sabbia.</td></tr><tr><td>Fotocamera digitale</td><td>Qualsiasi</td><td></td><td>fotocamera digitale con treppiede fisso. (Le telecamere time lapse possono essere utilizzate per raccogliere dati rapidi e uniformemente distanziati.) Abbiamo usato una Nikon D7000.</td></tr><tr><td>Righello</td><td>Qualsiasi</td><td></td><td>Trasparente è il migliore.</td></tr><tr><td>Metro a nastro</td><td>Qualsiasi</td><td></td><td></td></tr><tr><td>software 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>

visualizzare iporreico flusso attraverso bedforms utilizzando esperimenti dye e simulazione

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

Scambio advective tra lo spazio dei pori dei sedimenti e la colonna d&#39;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&#39;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&#39;utente di visualizzare rapidamente l&#39;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.

L&#39;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...

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.

Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

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

L'obiettivo generale di questa procedura è dimostrare sperimentalmente il flusso ipo EIC utilizzando un software di modellazione che crea una simulazione in forte accordo con l'esperimento fisico. Questo metodo può aiutare a illustrare concetti chiave nel campo dell'idrologia mostrando come il flusso d'acqua attraverso i sedimenti al di sotto di un corso d'acqua sia influenzato dai sedimenti, dalla topografia e dalle proprietà dell'acqua superficiale. Sebbene questo metodo possa essere utilizzato per studiare il flusso iper IC, può anche essere impiegato in laboratori didattici per dimostrare il flusso iper IC a studenti di ogni livello.Il principale vantaggio di questa tecnica è che combina esperimenti di laboratorio fisici con un software interattivo che simula lo stesso fenomeno. La dimostrazione visiva mostra le somiglianze e le differenze spaziali tra gli esperimenti fisici e le simulazioni, incoraggiando lo sviluppo di una comprensione più approfondita dei principi iper. Iniziare installando il software necessario, ovvero NetLogo e due script da eseguire in net.Logo, caduta del mouse e interfaccia. Successivamente, seguendo le istruzioni nel protocollo testuale, configurare il canale sperimentale in modo che tutti i parametri rientrino nei vincoli di intervallo dei parametri della simulazione della caduta del mouse. Far funzionare il canale per 12-24 ore per creare una forma del letto con le caratteristiche desiderate.Regolare l'inclinazione del canale e la profondità dell'acqua per ottenere un flusso uniforme sulla forma del letto. L'obiettivo è che i granuli di sedimenti nelle forme del letto non appaiano in movimento, anche se un lieve movimento potrebbe essere inevitabile. In primo luogo, rendere il flusso uniforme mentre la pompa è in funzione.Selezionare due punti alla base del canale e registrare la distanza rispetto alla superficie dell'acqua per ciascuna linea. Successivamente, regolare la pendenza del canale o la profondità dell'acqua fino a quando queste misurazioni della distanza verticale risultano uguali. In secondo luogo, spegnere la pompa e attendere che l'acqua cessi di muoversi.Quindi, negli stessi punti di prima, misurare le distanze tra il fondo del canale e la superficie dell'acqua e misurare la distanza tra queste misurazioni verticali. Calcolare la pendenza del canale come la differenza tra queste misurazioni divisa per la distanza orizzontale inclinata tra di esse. Riavviare ora la pompa e selezionare una sezione di prova.Scegliere una posizione vicino alla metà o all'estremità a valle del canale dove le dune hanno formato un modello regolare. Questa sezione deve comprendere almeno una forma completa del letto. Nella sezione di prova.Eseguire alcune misurazioni utilizzando un righello trasparente. Innanzitutto, determinare la profondità media del sedimento effettuando misurazioni in un avvallamento della duna e sulla cresta di una duna. La differenza tra queste misurazioni corrisponde all'altezza della forma del letto.Successivamente, determinare la profondità media dell'acqua, ovvero la distanza media tra la superficie dell'acqua e la superficie del letto di sabbia. Quindi, misurare e registrare la lunghezza d'onda media delle forme del letto misurando la distanza tra creste di dune successive. Successivamente, registrare la portata del canale da un misuratore di flusso presente nel circuito di ricircolo e calcolare la velocità media del flusso.Ora, aprire la simulazione della caduta del mouse e verificare che tutte queste misure siano entro i limiti specificati nell'interfaccia utente. Se un parametro misurato è al di fuori del range previsto, regolare il range del parametro facendo clic con il tasto destro sul cursore, selezionando "modifica" e modificando i valori minimo e massimo. Per prima cosa, posizionare una telecamera su un treppiede orientata ortogonalmente rispetto alla parete del canale.L'immagine dovrebbe essere centrata su una singola forma di fondo nella sezione di prova. Se i riflessi costituiscono un problema, fissare la posizione della telecamera e regolare l'illuminazione; includere un righello nell'immagine può aiutare nella scala. Successivamente, utilizzando una siringa e un ago, effettuare due o tre piccole iniezioni di colorante vicino alla parete della vasca.Queste iniezioni dovrebbero formare chiazze di due centimetri di acqua colorata da versare, da posizionare in diverse posizioni verticali e orizzontali. Registrare l'orario di inizio delle iniezioni del colorante e scattare una foto iniziale. Può essere istruttivo utilizzare carta trasparente per tracciare i fronti iniziali di D e i contorni intorno al colorante.Pertanto, è più facile osservare i loro movimenti in laboratorio, ma questo metodo presenta dei compromessi. Utilizzando la fotocamera, acquisire le posizioni dei fronti di D negli intervalli di tempo appropriati. Per la fotografia time-lapse, utilizzare intervalli di 1/32 per ottenere risultati fluidi.Per una simulazione. Eseguire prima il rilascio del mouse e confrontare i risultati con il trasporto del colorante osservato. Nel rilascio del mouse, regolare i parametri del sistema fisico in modo da corrispondere alle condizioni sperimentali dei canali.Assicurarsi di prestare particolare attenzione alle unità di misura durante l'inserimento di questi parametri. Successivamente, regolare i cursori per indicare i momenti in cui il colore di tracciamento della simulazione cambierà. Impostare questi cambiamenti di colore in modo che corrispondano ai tempi osservati.Se tutti i parametri temporali sono impostati a zero, la simulazione mostrerà un colore uniforme. Dopo aver impostato tutti i parametri, fare clic sul pulsante di configurazione. La forma del letto dovrebbe apparire nella vista della simulazione.Successivamente, fare clic sul pulsante di rilascio del mouse per indicare le posizioni iniziali dei tracciatori virtuali. È possibile fare clic su più posizioni nel letto. Tenere premuto il pulsante del mouse per rilasciare ulteriori tracciatori virtuali.Dopo aver posizionato tutti i traccianti virtuali, è possibile fare clic sul pulsante "avanza al tempo successivo" per eseguire la simulazione. Fino al tempo uno, non fare nuovamente clic sul pulsante di configurazione, altrimenti i traccianti dovranno essere riposizionati. È inoltre possibile fare clic sul pulsante "avvia/ferma" per eseguire la simulazione.I traccianti continueranno a muoversi finché tutti i traccianti virtuali non avranno lasciato il sistema, a meno che non si prema il pulsante vai-ferma. Ancora una volta, questa funzione può essere utilizzata per mettere in pausa la simulazione, in modo da poter effettuare confronti tra le distribuzioni del colorante simulate e quelle misurate. Una volta avviata la simulazione, la velocità viene calcolata in corrispondenza della posizione di ciascun tracciante.In base ai parametri della simulazione, il tracciante si sposta in una nuova posizione utilizzando quella velocità, quindi la procedura viene ripetuta finché il tracciante non esce dal sistema. Successivamente, eseguire la simulazione dell'interfaccia cliccando prima su setup e poi su go stop. Questo avvierà la simulazione con le impostazioni predefinite.La simulazione dell'interfaccia introduce i traccianti virtuali sulla superficie del letto fluviale in modo ponderato rispetto al flusso, in base alle velocità sotterranee calcolate; per impostazione predefinita, le particelle lasciano tracce che mostrano i percorsi seguiti. Disattivare il pulsante "mostra tracce" per eliminare queste traiettorie. Attivando l'interruttore del punto rosso, si disattiva il grafico della distribuzione cumulativa del tempo di residenza e viene rilasciata una nuova particella ogni volta.Si esce dal sistema. Dopo aver osservato la simulazione con i parametri predefiniti, fare clic su "go stop" per arrestare la simulazione. Successivamente, modificare uno o più parametri e riavviare la simulazione con i nuovi parametri facendo clic su "setup", seguito da "go stop". In questo caso, abbiamo regolato l'altezza della forma del letto, eseguito la simulazione e quindi ripetuto il processo, modificando la profondità del letto per confrontare la simulazione con i risultati sperimentali.La fotografia iniziale è stata utilizzata per determinare la posizione del tracciante D simulato al tempo zero. Successivamente, la simulazione è stata eseguita per 34,2 minuti e confrontata con una fotografia scattata in quel momento. Nel complesso, il modello ha ottenuto risultati eccellenti.Ogni blob D si muove nelle stesse direzioni generali del modello e si deforma in modo simile ai blob D simulati. Tuttavia, un'analisi accurata rivela alcune discrepanze. Ad esempio, il blob D a destra assume una forma più simile a quella di un fagiolo rispetto alla simulazione.Questo è probabilmente dovuto alla depressione osservabile nella topografia della forma del letto immediatamente al di sopra di questo grumo, che si è formata durante l'iniezione nel sedimento. Un'altra discrepanza comune riguarda i tempi, che non erano perfetti neanche in questo caso. Ciò è probabilmente causato da piccoli errori nelle misurazioni delle proprietà del sedimento.Le discrepanze comuni derivano da una combinazione di errori di misurazione e effetti fisici di secondo ordine dovuti alla variabilità della geometria irregolare delle forme del letto e al compattamento dei sedimenti, e così via. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 24 ore. Durante l'esecuzione di questa procedura, è importante lasciare stabilizzare la forma del letto, essere pazienti e prestare attenzione alle unità di misura durante l'effettuazione e l'inserimento delle misurazioni.Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri esperimenti per rispondere a ulteriori domande sull'influenza della topografia, della conducibilità idraulica e delle proprietà dell'acqua superficiale sul flusso iper. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come visualizzare sperimentalmente il flusso iper e di come utilizzare le nostre simulazioni al computer.

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