Method Article

염료 실험 및 시뮬레이션을 사용하여 Bedforms을 통해 Hyporheic 흐름을 시각화

DOI:

10.3791/53285

⸱

November 18th, 2015

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

In This Article

Summary

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이 원고는 수로에서 규칙적인 침대 형태를 만들고, 침대 형태를 통한 흐름을 시각화하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 저유변 흐름을 시뮬레이션하는 방법을 설명합니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 실험적 관찰과 잘 비교됩니다. 이 결합된 시뮬레이션과 실험은 연구 및 교육 목적 모두에 적합합니다.

Abstract

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하천 환경에서 hyporheic 교류라는 퇴적물의 공극 공간과 위에 놓인 물 열 사이의 이류 교환, 강, 많은 중요한 생지 화학 과정에서 용질 수송을 구동한다. 영상 시범을 통해 이러한 프로세스의 이해를 개선하기 위해 다중 에이전트 컴퓨터 모델링 플랫폼 NetLogo에 hyporheic 유동 시뮬레이션을 만들었다. 시뮬레이션은 두 가지 차원 bedforms 덮여 하상 흐르는 가상 추적을 보여줍니다. 침전물 흘러 bedform 특성 모델의 입력 변수로 사용된다. 우리는이 시뮬레이션 측정 입력 매개 변수를 기반으로 실험실 수조 실험에서 실험 관찰과 일치하는 방법을 보여줍니다. 염료 porewater 유동을 시각화 플룸 퇴적물에 주입된다. 비교를 위해 가상 추적 입자 시뮬레이션에서 같은 위치에 배치됩니다. 이 결합 된 시뮬레이션 및 실험실 실험은 학부 및 gradua에서 성공적으로 사용되어왔다테 실험실 직접 강 - porewater 상호 작용을 시각화하고 물리적 기반 흐름 시뮬레이션 환경 현상을 재현 할 수있는 방법을 보여줍니다. 학생들은 투명 수로의 벽을 통해 침대의 사진을 가져다가 시뮬레이션에서 같은 시간에 염료의 모양에 비교했다. 이것은 학생들이 더 나은 흐름 패턴과 수학적 모델을 모두 이해 할 수 매우 유사한 경​​향, 결과. 시뮬레이션은 또한 사용자가 신속하게 여러 시뮬레이션을 실행하여 각 입력 변수의 영향을 시각화 할 수있다. 이 프로세스는 또한 계면 플럭스 porewater 수송 관련 기본 프로세스를 도시 한 프로세스 정량적 기반 모델링을 지원하는 응용 연구에 사용될 수있다.

Introduction

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표면 물 스트림으로 이동, 강, 또는 갯벌 지역으로는로와 퇴적물 1의 물을 드라이브 헤드 그라디언트를 만듭니다. 하천 시스템에서이 교환이 발생하는 하상 퇴적물의 부분은 hyporheic 영역 2,3로 알려져있다. 많은 영양분과 오염 물질 저장 침착, 또는 hyporheic 영역 4-9에서 변환되기 때문에이 영역은 중요하다. 추적은 퇴적물에서 소모하는 시간은 체류 시간이라고합니다. 두 체류 시간 및 유로의 위치 변환 공정에 영향을 미친다. 침강물 흐름에 영향을주는 방법의 이해를 개선 하천 용질 수송을 예측 및 영양분 (예를 들면, 연안 저산소증 10,11) 등의 재료의 전파로 인한 큰 환경 문제를 해결하기 위해 필요하다. hyporheic 교환의 중요성에도 불구하고, 그것은 종종 문학 학부 과정에 설명되지 않은,그 과정에 hyporheic 교환을 추가하고자하는 유체 역학 등, 유압, 교육자는 유용 명확하게이 과정을 보여 실험 및 수치 적 시각화를 찾을 수 있습니다.

스트림 채널 꾸불 꾸불, 주변 지하수 수준 및 하상 지형 (즉, 바, bedforms 및 생물 고분)는 모든 변화도 12-17에 hy....

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Protocol

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1. 시뮬레이션 소프트웨어

  1. 이 절에서 설명하는 소프트웨어를 사용합니다.
    1. (: 사용 가능 자유 / 오픈 소스 멀티 에이전트 모델링 언어 및 시뮬레이션 플랫폼, NetLogo 다운로드하여 설치 http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ , 버전 5.1 이상).
      참고 :이 소프트웨어는 무료로 제공되며, 모든 주요 운영 체제 (윈도우 / 맥 / 리눅스)에서 실행됩니다.
    2. 이 실험 절차를 수반 두 가지 특정 시뮬레이션 스크립트 파일 (mousedrop.nlogo 및 interface.nlogo)를 다운로드합니다. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      참고 : 시뮬레이션 플랫폼이 설치되어 있고....

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Results

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실험과 함께 시뮬레이션의 사용은 학생들이. 유사점과 이상화 된 수학적 모델과 더 복잡한 실제 시스템의 차이를 관찰 4 Mousedrop 시뮬레이션과 염료 주입 사진을 비교 한 예를 보여주고있다 할 수 있습니다. 사진은 초기 시간 제로에서 시뮬레이션 된 염료 트레이서의 배치를 결정하는 데 사용되며, 다음의 시뮬레이션은 그 시점에서 촬영 된 사진과 비교하여 34.2 분 동안 실행된다. 전체 모델은이 시간 간격 염색 물의 움직임을 캡처하는 훌륭한 일을한다. bedform의 리 측면에있는 첫 번째 염료 얼룩은 모두 시뮬레이션과 실험 시스템에서의 퇴적물을 종료합니다. 두 번째가 신장 및 추적 중 일부는 하류의 원래 위치와 일부 상류의 종료 있도록이 퍼지는 등의 초승달 모양을 형성하는 아래로 이동합니다. 마지막 염료 덩어리는 상류 전파 및 추적 중 일부는 깊은 여행 퇴적물에. 이 hyporheic 교환 bedforms에서와 hyporheic 교환 흐름.......

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Discussion

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관련하여, 수로 데모 및 입자 추적 시뮬레이션은 관객의 범위에 대한 hyporheic 흐름에 대한 포괄적 인 소개를 제공합니다. 모든 레벨의 참가자들은 bedforms에 의해 유도 hyporheic 교환의 발생 및 bedforms 아래 지하 흐름 경로에 강한 변화에 대한 시각적 인 증거를 제공한다. 이러한 절차는 대학생 또는 K-12 학생 porewater 흐름의 간단한 시연으로 사용할 수도 있고, 이것은 더 강 유압 심층 프레젠테이션 퇴적물 전송 및 hyporheic 교환 메커니즘과 함께 대학원 과정에 사용될 수있다 . 에 관계없이 수준의 상호 작용 기술 등이 간단한 시각화 모델의 사용은 학생들이 추상적 인 이론 및 토론을 통해 달성되는 것보다 이러한 복잡하고 중요한 현상의 깊은 이해를 형성 할 수 있습니다.

이러한 방법, 시스템 및 물리적 simulati 차이점을 사용하면서에는 "실수"로 간주되어서는 안되며, 대신 즉 "가르침을받.......

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Disclosures

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저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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이 자료는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 보조금 EAR-0810270, EAR-1215898, EAR-1344280 및 NSF 대학원 연구 펠로우십의 지원을 받는 작업을 기반으로 합니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
수로공학 실험실 설계24-48 시간 동안 측면이 투명한 맞춤형 실험실 수로. 또는 보충 자료에 제공된 지침에 따라 300달러 미만으로 작은 교육 수로를 건설할 수 있습니다.
유량계Rosemount 8800 소용돌이 이것은 수로의 재순환 루프 내부에 있습니다
모래미국. 실리카F30수로 전체에 10-20cm 깊이의 층을 형성하는 연구 등급 모래
염료식품 회사의수용액으로 만든 수용성 식품 등급 염료. 빨간색, 파란색 및 녹색과 같은 어두운 색상이 가장 잘 작동합니다. (프로필렌 글리콜에 함유된 식품 염료는 피하십시오.)
주사기HSW4100.000V05-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject 2-part 일회용 주사기
Pipetting Needle CadenceScience794214-게이지, 6-in 뭉툭한 끝,  염료를 모래 깊숙이 주입합니다.
디지털 카메라모든디지털 카메라. (타임랩스 카메라를 사용하여 빠르고 균일한 간격의 데이터를 수집할 수 있습니다.) 우리는 니콘 D7000을 사용했습니다.
RulerAnyTransparent가 가장 좋습니다.
줄자Any
Netlogo SoftwareCCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogo넷로고 커먼즈4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258
염료 샘플을 꾸준한 삼각대가 있는

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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.

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Hyporheic FlowBedform SimulationDye ExperimentsNetLogo ModelingFlume ExperimentsSediment TransportPorewater FlowVirtual TracersFlow VisualizationComputer Simulation

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