염료 실험 및 시뮬레이션을 사용하여 Bedforms을 통해 Hyporheic 흐름을 시각화

이 절차의 전반적인 목표는 물리적 실험과 매우 일치하는 시뮬레이션을 생성하는 모델링 소프트웨어를 사용하여 하이포 EIC 흐름을 실험적으로 시연하는 것입니다. 이 방법은 하천 아래의 퇴적물을 통한 물의 흐름이 퇴적물, 지형 및 지표수 특성에 의해 어떻게 영향을 받는지 보여줌으로써 수문학 분야의 주요 개념을 입증하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법은 하이퍼 IC 흐름을 조사하는 데 사용할 수 있지만 모든 수준의 학생들에게 하이퍼 IC 흐름을 시연하기 위해 교육 실험실에서도 사용할 수 있습니다.

이 기술의 주요 장점은 동일한 현상을 시뮬레이션하는 대화형 컴퓨터 소프트웨어와 물리적 실험실 실험을 결합한다는 것입니다. 시각적 시연은 물리적 실험과 시뮬레이션 간의 공간적 유사성과 불일치를 보여주며, 이는 하이퍼 원리에 대한 더 깊은 이해의 개발을 장려합니다. net 로고와 net에서 실행할 두 개의 스크립트인 필요한 소프트웨어를 설치하는 것으로 시작합니다.

로고, 마우스 드롭 및 인터페이스. 다음으로, 텍스트 프로토콜의 지침에 따라 모든 매개변수가 마우스 드롭 시뮬레이션 매개변수 범위 제약 조건 내에 속하도록 실험실 수로를 설정합니다. 12-24시간 동안 수로를 실행하여 원하는 특성을 가진 침대 형태를 만듭니다.

베드 형태 위로 균일한 흐름을 달성하기 위해 수로 경사와 수심을 조정합니다. 목표는 침대 형태의 퇴적물 입자가 움직이는 것처럼 보이지 않도록 하는 것이지만 약간의 움직임은 불가피할 수 있습니다. 먼저 펌프가 작동하는 동안 흐름을 균일하게 만드십시오.

수로 아래쪽에서 두 점을 선택하고 각 선에 대해 수면까지의 거리를 기록합니다. 그런 다음 이러한 수직 거리 측정이 동일해질 때까지 수로의 기울기 또는 수심에 맞게 조정합니다. 둘째, 펌프를 멈추고 물이 움직임을 멈출 때까지 기다립니다.

그런 다음 이전과 동일한 위치에서 수로 바닥에서 수면까지의 거리를 측정하고 이러한 수직 측정 사이의 거리를 측정합니다. 채널 기울기를 이러한 측정값 간의 차이를 측정값 사이의 경사된 수평 거리로 나눈 값으로 계산합니다. 이제 펌프를 다시 시작하고 테스트 섹션을 선택합니다.

모래 언덕이 규칙적인 패턴을 형성한 수로의 중간 또는 하류 끝 근처의 위치를 선택하십시오. 이 섹션은 하나 이상의 풀 베드 형태를 포함해야 합니다. 테스트 섹션에서.

투명 눈금자를 사용하여 몇 가지 측정을 수행합니다. 먼저, 모래 언덕 골과 모래 언덕 마루에서 측정을 수행하여 평균 퇴적물 깊이를 결정합니다. 이러한 측정값의 차이는 베드 formm 높이입니다.

다음으로, 수면에서 모래 바닥 표면까지의 평균 거리인 평균 수심을 찾으십시오. 그런 다음 연속적인 모래 언덕 마루 사이의 거리를 측정하여 평균 침대 형태 파장을 측정하고 기록합니다. 다음으로, 재순환 루프의 유량계에서 수로 유량을 기록하고 평균 유속을 계산합니다.

이제 마우스 드롭 시뮬레이션을 열고 이러한 모든 측정값이 사용자 인터페이스에 지정된 범위 내에 있는지 확인합니다. 측정된 매개변수가 제약 범위를 벗어나는 경우 슬라이더를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 최소값과 최대값을 선택, 편집 및 조정하여 매개변수 범위를 조정합니다. 먼저 수로 벽을 직각으로 가리키는 삼각대에 카메라를 설치합니다.

그림은 테스트 섹션의 싱글 침대 형태 중앙에 있어야 합니다. 반사가 문제인 경우 카메라의 위치를 수정하고 그림의 눈금자를 포함하여 조명을 조정하면 크기 조정에 도움이 될 수 있습니다. 다음으로, 주사기와 바늘을 사용하여 수로 벽 근처에 두세 개의 작은 염료 주입을 만듭니다.

이러한 주사는 다양한 수직 및 수평 위치에 배치해야 하는 2cm 길이의 유색 붓는 물 패치를 형성해야 합니다. 염료 주입 시작 시간을 기록하고 초기 사진을 찍습니다. 투명 용지를 사용하여 초기 D 앞면과 염료 주변의 경계를 추적하는 것은 교육적일 수 있습니다.

따라서 실험실에서 그들의 움직임을 관찰하는 것이 더 쉽지만 이 방법에는 장단점이 있습니다. 카메라를 사용하여 적절한 시간 간격으로 D 전면 위치를 캡처합니다. 타임랩스 사진의 경우 부드러운 결과를 위해 32번째 간격을 사용하십시오.

시뮬레이션을 위해. 먼저 마우스 드롭을 실행하고 결과를 관찰된 염료 수송과 비교합니다. 마우스 드롭에서 수로 실험 조건과 일치하도록 물리적 시스템 매개변수를 조정합니다.

이러한 매개변수를 입력할 때 단위에 주의해야 합니다. 그런 다음 슬라이더를 조정하여 시뮬레이션 추적 색상이 변경되는 시간을 표시합니다. 관찰된 시간과 일치하도록 이러한 색상 변경을 설정합니다.

시간 매개변수가 모두 0으로 설정된 경우 시뮬레이션은 전체적으로 단일 색상을 표시합니다. 모든 매개변수를 설정한 후 설정 버튼을 클릭합니다. 침대 formm이 시뮬레이션 뷰에 나타나야 합니다.

그런 다음 마우스 드롭 버튼을 클릭하여 가상 트레이서의 시작 위치를 표시합니다. 침대의 여러 위치를 클릭할 수 있습니다. 마우스를 누르고 있으면 더 많은 가상 트레이서가 해제됩니다.

모든 가상 트레이서가 배치되면 다음 시간으로 진행 버튼을 클릭하여 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 시간이 될 때까지 설정 버튼을 다시 클릭하지 마십시오. 그렇지 않으면 트레이서를 다시 배치해야 합니다. go stop 버튼을 클릭하여 시뮬레이션을 실행할 수도 있습니다.

추적 프로그램은 이동 중지 버튼을 누르지 않는 한 모든 가상 추적 프로그램이 시스템을 떠날 때까지 계속 움직입니다. 다시 말하지만, 이를 사용하여 시뮬레이션을 일시 중지할 수 있으므로 시뮬레이션된 염료 분포와 측정된 염료 분포를 비교할 수 있습니다. 시뮬레이션이 실행되기 시작하면 각 트레이서의 위치에 대한 속도가 계산됩니다.

시뮬레이션 매개변수에 따라 트레이서는 해당 속도를 사용하여 새 위치로 이동한 다음 트레이서가 시스템을 떠날 때까지 절차가 반복됩니다. 그런 다음 setup(설정)을 클릭한 다음 go stop(중지)을 클릭하여 인터페이스 시뮬레이션을 실행합니다. 이렇게 하면 기본 설정으로 시뮬레이션이 실행됩니다.

인터페이스 시뮬레이션은 계산된 지하 속도를 기반으로 플럭스 가중치 방식으로 하천 바닥 표면에 가상 추적기를 도입하며, 기본적으로 입자는 경로가 어디에 있었는지 보여줍니다. 경로 표시 버튼을 끄면 이러한 경로가 제거됩니다. 빨간색 드롭 스위치를 켜면 누적 체류 시간 분포 플롯이 비활성화되고 매번 새 입자가 방출됩니다.

하나는 시스템을 종료합니다. 기본 매개변수로 시뮬레이션을 관찰한 후 go stop을 클릭하여 시뮬레이션을 중지합니다. 그런 다음 하나 이상의 매개변수를 변경하고 설정을 클릭하여 새 매개변수로 시뮬레이션을 다시 시작한 다음 여기에서 중지하고 베드 형태 높이를 조정하고 시뮬레이션을 실행한 다음 프로세스를 반복하여 베드 깊이를 조정하여 시뮬레이션을 실험 결과와 비교합니다.

초기 사진은 시간 0에서 시뮬레이션된 D 트레이서의 배치를 결정하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 34.2분 동안 시뮬레이션을 실행하고 당시 촬영된 사진과 비교했습니다. 전반적으로 모델은 훌륭하게 작동했습니다.

각 D 블롭은 모델과 동일한 일반 방향으로 이동하며 시뮬레이션된 D 블롭과 유사하게 변형됩니다. 그러나 주의 깊게 살펴보면 몇 가지 불일치가 있습니다. 예를 들어, 오른쪽의 D 블롭은 시뮬레이션보다 더 많은 콩 모양을 형성합니다.

이것은 아마도 이 블롭 바로 위의 지층 형태 지형에서 관찰 가능한 딥(dip) 때문일 수 있는데, 이는 퇴적물에 주입되는 동안 생성되었습니다. 또 다른 일반적인 불일치는 타이밍인데, 이 역시 완벽하지 않았습니다. 이것은 퇴적물 특성 측정에 약간의 오류가 있기 때문일 수 있습니다.

일반적인 불일치는 측정 오류와 불규칙한 베드 formm 형상 변동성 및 퇴적물 패킹 등으로 인한 2차 물리적 효과의 조합으로 형성됩니다. 이 기술을 마스터하면 24시간 안에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 침대 형태가 안정되도록 하고, 인내심을 갖고, 측정을 하고 입력하는 동안 단위에 주의를 기울이는 것이 중요합니다.

이 절차에 따라 지형, 수리학적 전도성 및 지표수 특성이 하이퍼 플로우에 미치는 영향에 대한 추가 질문에 답하기 위해 다른 실험을 수행할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 하이퍼 플로우를 실험적으로 시각화하는 방법과 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.