色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

Summary

この原稿は、水路に規則的なベッドフォームを作成する方法、ベッドフォームを通る流れを視覚化する方法、およびコンピュータシミュレーションを使用して低流体の流れをシミュレートする方法を説明しています。 コンピュータシミュレーションは、実験的観測とよく比較されます。 このシミュレーションと実験の連成は、研究目的と教育目的の両方に適しています。

Abstract

河川環境でhyporheic為替と呼ばれる堆積物の孔空間と重なる水柱、間の移流交換は、川や多くの重要な生物地球化学的プロセス中の溶質の輸送を駆動します。ビジュアルデモを通じてこれらのプロセスの理解を改善するために、我々は、マルチエージェントコンピューターモデリングプラットフォームNetLogoにhyporheic流れのシミュレーションを作成しました。シミュレーションは、2次元のベッドフォームで覆われた河床を流れる仮想トレーサーを示しています。土砂、流量、及び堆積形態の特徴は、モデルの入力変数として使用されています。私たちは、これらのシミュレーションは、測定された入力パラメータに基づいて、実験室での水路実験からの実験観察と一致している方法を示しています。染料は、間隙水の流れを可視化するために水路堆積物内に注入されます。比較のために、仮想トレーサー粒子は、シミュレーションにおいて同じ位置に配置されます。この結合されたシミュレーションと実験室実験は、学部とgraduaで正常に使用されていますTE研究所が直接川間隙水の相互作用を可視化し、物理ベースのフローシミュレーションは環境現象を再現する方法を示します。学生は、透明な水路の壁を通ってベッドの写真を取って、シミュレーションで同じ時間に色素の形状にそれらを比較しました。これは、学生がより良い流れのパターンと数学的モデルの両方を理解することは許され非常によく似た傾向をもたらしました。シミュレーションは、ユーザが迅速に複数のシミュレーションを実行することにより、各入力パラメータの影響を視覚化することを可能にします。このプロセスはまた、基本的なプロセスを例示界面フラックスおよび間隙水の輸送に関連し、定量的なプロセスベースのモデリングを支援するための研究用途に使用することができます。

Introduction

ストリーム、川、あるいは潮間帯における地表水が移動すると、それはへと堆積物¹から水を駆動ヘッド勾配を作成します。河川のシステムではこの交換が発生した河床堆積物の一部がhyporheicゾーン^2,3として知られています。多くの栄養素や汚染物質は、保存された堆積、またはhyporheicゾーン^4-9内変換されるため、このゾーンは重要です。トレーサーが土砂に費やす時間の量は、滞留時間と呼ばれています。両方の滞留時間と流路の位置は、変換プロセスに影響を与えます。土砂を通る流れに影響を与えるプロセスの改善された理解は、河川での溶質の輸送を予測し、そのような栄養素（ 例えば、沿岸低酸素症^10,11）などの材料の伝播に起因する大規模な環境問題に対処するために必要とされています。 hyporheic交流の重要性にもかかわらず、それは多くの場合、水文学における学部のコースで説明されていません、そのコースにhyporheic交換を追加することを望む流体力学、水理学などの教育者は、それが便利はっきりこのプロセスを示した実験と数値ビジュアライゼーションを持って見つけることができます。

ストリームチャネル曲がりくねり、周囲の地下水位と河床地形（ すなわち、バー、ベッドフォーム、および生体塚）は、すべての様々な程度^12-17にhyporhei....

Protocol

1.シミュレーションソフト

1. このセクションで説明されているソフトウェアを使用してください。
   1. ダウンロードしてインストールフリー/オープンソースのマルチエージェントモデリング言語およびシミュレーションプラットフォームを、NetLogo（利用可能：http://ccl.northwestern.edu/netlogo/、バージョン5.1以降）。
      注：このソフトウェアは無償で利用可能で、すべての主要なオペレーティングシステム（Windows / Mac用/ Linux）の上で実行されます。
   2. 本研究室の手順を伴う2つの特定のシミュレーション・スクリプト・ファイル（mousedrop.nlogoとinterface.nlogo）をダウンロードします。 (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      注：シミュ....

Results

実験と組み合わせてシミュレーションを使用することは、学生が理想化された数学的モデルと、より複雑な実際のシステムの類似点と相違点を観察することを可能にする。 図4は Mousedropシミュレーションと色素注入の写真を比較した例を示しています。最初の写真は、時間ゼロでのシミュレートされた染料トレーサーの配置を決定するために使用され、その後、シミュレーションが34.2分間実行し、その時点で撮影した写真と比較されます。全体的なモデルは、この時間間隔で染めた水の動きをキャプチャするの優れた仕事をしていません。堆積形態の風下側に位置する第1の色素ブロブは、両方のシミュレートされたとの実験系での堆積物を終了します。第二伸長し、​​元の場所といくつかの上流のトレーサー出口の一部が下流のように、それは、広がるよう三日月形を形成下っ。最後の色素ブロブは、上流に伝播し、トレーサーの一部が深く移動します堆積物に。これはhyporheic交換がベッドフォームの下とhyporheic交換流のパターンはジオメトリを堆積形態に関係していることを発生することを示しています。シミュレーションと実験の間に強い.......

Discussion

併せて、水路のデモと粒子追跡シミュレーションは、観客の範囲に対するhyporheic流れを総合的に紹介しています。すべてのレベルの参加者は、ベッドフォームによって誘発されるhyporheic交換、およびベッドフォームの下の地下流路に強い変動の発生を視覚的証拠を提供しています。これらの手順は、学部生やK-12学生のための間隙水の流れの簡単なデモとして使用することができ、またはそれは河川水理学の詳細なプレゼンテーションと一緒に大学院コース、土砂輸送、およびhyporheic交換の仕組みに使用することができます。レベルに関係なく、インタラクティブな技術として、この単純な可視化モデルの使用は、学生が抽象的理論や議論を通じて達成されるよりも、これらの複雑かつ重要な現象のより深い理解を形成することができます。

これらの方法で、物理システムとsimulatiとの違いを使用している間「ミス」と見たが、代わりに最終的には大きな学習につながる議論のための「教えやすい瞬間」、 すなわち 、出発点としてするべきではありません。 （モデルでは、測定、および実験手順）誤差の原因のすべてのどの.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
フルーム	エンジニアリングラボラトリーデザイン		24-48時間クリアサイドを備えたカスタムラボフルーム。 あるいは、小さな教育用水路は、補足資料に記載されているガイドラインに従って、300ドル未満で建設することができます。
流量計	ローズマウント	8800渦	これは、フルームの再循環ループの内側にあります
砂	の米国。シリカ	F30	水路全体に10-20cmの深さの層を形成する研究グレードの砂
食品会社の		染料	溶性食品グレードの染料を水溶液にしました。赤、青、緑などの暗い色が最適です。(プロピレングリコールの食用色素は避けてください。
シリンジ	HSW	4100.000V0	5-10 ml、e.g. HSW Norm-Ject 2 部使い捨てシリンジ
ピペッティング ニードル	ケイデンス サイエンス	7942	14 ゲージ、6 インチ 鈍い端、  砂の奥深くに染料を注入します。
デジタルカメラ	デジタルカメラ。		(タイムラプスカメラを使用して、等間隔のデータを素早く収集できます。私たちはニコンD7000を使用しました。
定規	:任意の		透明が最適です。
測定テープ	任意の
Netlogo ソフトウェア	CCL		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