Visualiseren Hyporheic Flow Through bedforms behulp Dye Experimenten en Simulation

Summary

This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.

Abstract

Advectieve uitwisseling tussen de poriën van de sedimenten en de bovenliggende waterkolom, genaamd hyporheic uitwisseling in fluviatiele omgevingen, rijdt stoftransport in rivieren en vele belangrijke biogeochemische processen. Voor een beter begrip van deze processen door middel van visuele demonstratie te verbeteren, hebben we een hyporheic stroom simulatie in de multi-agent computermodellen platform NetLogo. De simulatie toont virtuele tracer stroomt door een streambed bedekt met tweedimensionale bedforms. Sediment, stroom en bodemstructuren kenmerken worden gebruikt als input variabelen voor het model. We illustreren hoe deze simulaties overeenkomen met experimentele waarnemingen van laboratoriumgoot experimenten op basis van gemeten invoerparameters. Kleurstof wordt geïnjecteerd in de goot sedimenten het poriewater stroming visualiseren. Ter vergelijking virtuele tracer deeltjes worden geplaatst op dezelfde locaties in de simulatie. Deze gekoppelde simulatie en lab-experiment is met succes gebruikt in undergraduate en gradualaboratoria om direct te visualiseren rivier-poriënwater interacties en laten zien hoe fysiek-gebaseerde stromingssimulaties milieu verschijnselen kunnen reproduceren. Studenten namen foto's van het bed door de transparante wanden goot en vergeleken met vormen van de kleurstof op dezelfde tijdstippen in de simulatie. Dit resulteerde in een zeer gelijkaardige trends, waardoor de studenten om beter te begrijpen zowel de stromingspatronen en het wiskundige model. De simulaties laten de gebruiker ook om de impact van elke parameter ingang snel visualiseren door het uitvoeren van meerdere simulaties. Deze werkwijze kan ook worden gebruikt in onderzoekstoepassingen te illustreren basisprocessen, betrekking grensvlak vloeimiddelen en poriewater transport en ondersteuning kwantitatieve procesmatige modeling.

Introduction

Als oppervlakte water beweegt in een beek, rivier of getijdenzone creëert hoofd hellingen die het water drijven in en uit de sedimenten ^1. In riviersystemen het gedeelte van de streambed sedimenten waarin deze uitwisseling plaatsvindt is bekend als de hyporheic zone ^2,3. Deze zone is belangrijk omdat veel voedingsstoffen en verontreinigende stoffen worden opgeslagen, gestort of getransformeerd binnen de hyporheic zone ^4-9. De tijd die een tracer doorbrengt in het sediment wordt een verblijfstijd. Beide verblijftijden en de locaties van de stromingswegen invloed op de transformatie processen. Beter begrip van de processen die stroming ....

Protocol

1. Simulatie Software

1. Gebruik de in dit hoofdstuk beschreven software.
   1. Download en installeer de gratis / open-source multi-agent modelleertaal en simulatie platform, NetLogo (beschikbaar: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versie 5.1 of hoger).
      Opmerking: Deze software is beschikbaar zonder kosten en draait op alle belangrijke besturingssystemen (Windows / Mac / Linux).
   2. Download de twee specifieke simulatie script bestanden (mousedrop.nlogo en interface.nlogo) dat dit laboratorium procedure te begeleiden. (Available:

Results

Het gebruik van een simulatie in combinatie met experimenten kunnen studenten van de overeenkomsten en verschillen tussen geïdealiseerde wiskundige modellen en meer complexe echte systemen te observeren. Figuur 4 toont een voorbeeld vergelijken kleurstof injectie foto's met Mousedrop simulaties. De eerste foto wordt gebruikt om de plaatsing van gesimuleerde kleurstof tracer bepaald op tijdstip nul en daarna wordt de simulatie uitgevoerd voor 34,2 min en vergeleken met een foto op dat moment.......

Discussion

In combinatie, de goot demonstratie en deeltjes volgen simulaties bieden een uitgebreide inleiding op hyporheic stroom voor een scala aan doelgroepen. Deelnemers aan alle niveaus worden voorzien visueel bewijs voor het optreden van hyporheic uitwisseling geïnduceerd door bodemstructuren en de sterke variabiliteit in ondergrondse stroompaden onder bedforms. Deze procedures kunnen worden gebruikt als een eenvoudige demonstratie van poriewater stroom voor studenten of K-12 studenten of het kan worden gebruikt in graduate v.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Flume	Engineering Laboratory Design	Custom	Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours. Alternatively a small teaching flume can be constructed for under 300 dollars following the guidelines provided in our supplementary materials.
Flowmeter	Rosemount	8800 vortex	This is located inside the recirculation loop of the flume
Sand	US. Silica	F30	Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume
Dye	Samples from food companies		Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution. Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol.)
Syringe	HSW	4100.000V0	5-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe
Pipetting Needle	Cadence Science	7942	14-gage, 6-in blunt end,  to inject the dye deep into the sand.
Digital Camera	Any		Digital camera with steady tripod. (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.) We used a Nikon D7000.
Ruler	Any		Transparent is best.
Measuring Tape	Any
Netlogo Software	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