Wizualizacja przepływu hiporheicznego przez formy łóżka za pomocą eksperymentów i symulacji barwników

Summary

Ten manuskrypt opisuje, jak tworzyć regularne formy podłoża w korycie, wizualizować przepływ przez formy łóżka i używać symulacji komputerowych do symulacji przepływu hiporetycznego. Symulacje komputerowe wypadają dobrze w porównaniu z obserwacjami eksperymentalnymi. Ta sprzężona symulacja i eksperyment doskonale nadaje się zarówno do celów badawczych, jak i edukacyjnych.

Abstract

Wymiana adwektywna między przestrzenią porów osadów a leżącym nad nią słupem wody, zwana wymianą hiporeiczną w środowiskach rzecznych, napędza transport substancji rozpuszczonych w rzekach i wiele ważnych procesów biogeochemicznych. Aby lepiej zrozumieć te procesy poprzez demonstrację wizualną, stworzyliśmy symulację przepływu hiporeicznego na wieloagentowej platformie modelowania komputerowego NetLogo. Symulacja pokazuje wirtualny znacznik przepływający przez koryto strumienia pokrytego dwuwymiarowymi formami podłoża. Charakterystyka osadu, przepływu i kształtu podłoża jest używana jako zmienne wejściowe dla modelu. Pokazujemy, w jaki sposób symulacje te pasują do obserwacji eksperymentalnych z laboratoryjnych eksperymentów na kanałach wodnych opartych na zmierzonych parametrach wejściowych. Barwnik jest wstrzykiwany do osadów korytowych w celu uwidocznienia przepływu wody porowej. Dla porównania, wirtualne cząstki znacznikowe są umieszczane w tych samych miejscach symulacji. Ta sprzężona symulacja i eksperyment laboratoryjny został z powodzeniem wykorzystany w laboratoriach licencjackich i magisterskich do bezpośredniej wizualizacji interakcji między rzeką a wodą porową i pokazania, w jaki sposób symulacje przepływu oparte na fizyce mogą odtwarzać zjawiska środowiskowe. Studenci zrobili zdjęcia łóżka przez przezroczyste ścianki koryta i porównali je z kształtami barwnika w tym samym czasie w symulacji. Doprowadziło to do powstania bardzo podobnych trendów, co pozwoliło studentom lepiej zrozumieć zarówno wzorce przepływu, jak i model matematyczny. Symulacje pozwalają również użytkownikowi szybko zwizualizować wpływ każdego parametru wejściowego poprzez przeprowadzenie wielu symulacji. Proces ten może być również wykorzystany w zastosowaniach badawczych do zilustrowania podstawowych procesów, powiązania strumieni międzyfazowych z transportem wody porowej oraz wsparcia ilościowego modelowania opartego na procesach.

Introduction

Gdy woda powierzchniowa porusza się w strumieniu, rzece lub strefie pływów, tworzy gradienty głowy, które kierują wodę do i z osadów¹. W systemach rzecznych część osadów koryta strumienia, w której zachodzi ta wymiana, jest znana jako strefa hiporeiczna^2,3. Strefa ta jest ważna, ponieważ wiele składników odżywczych i zanieczyszczeń jest magazynowanych, osadzanych lub przekształcanych w strefie hiporeicznej^4-9. Czas, jaki znacznik spędza w osadzie, nazywany jest czasem przebywania. Zarówno czasy przebywania, jak i lokalizacje ścieżek przepływu mają wpływ na procesy transformacji. Lepsze zrozumienie procesów wpływających na przepływ prze....

Protocol

1. Oprogramowanie symulacyjne

1. Korzystaj z oprogramowania opisanego w tym rozdziale.
   1. Pobierz i zainstaluj darmowy/otwarty język modelowania wieloagentowego i platformę symulacyjną NetLogo (dostępna: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, wersja 5.1 lub nowsza).
      Uwaga: To oprogramowanie jest dostępne bezpłatnie i działa na wszystkich głównych systemach operacyjnych (Windows/Mac/Linux).
   2. Pobierz dwa specjalne pliki skryptów symulacyjnych (mousedrop.nlogo i interface.nlogo), które towarzyszą tej procedurze laboratoryjnej. (Dostępne:

Results

Użycie symulacji w połączeniu z eksperymentami pozwala uczniom obserwować podobieństwa i różnice między wyidealizowanymi modelami matematycznymi a bardziej złożonymi systemami rzeczywistymi. Rysunek 4 przedstawia przykład porównujący zdjęcia wtrysku barwnika z symulacjami Mousedrop. Początkowa fotografia służy do określenia położenia symulowanego znacznika barwnika w czasie zero, a następnie symulacja jest uruchamiana przez 34,2 minuty i porównywana ze zdjęciem wykonanym w tym czasie. Ogólnie rz.......

Discussion

W połączeniu z demonstracją koryta i symulacjami śledzenia cząstek stanowią kompleksowe wprowadzenie do przepływu hiporeicznego dla szerokiego grona odbiorców. Uczestnikom na wszystkich poziomach przedstawiono wizualne dowody na występowanie wymiany hiporeicznej indukowanej przez formy podłoża oraz silną zmienność podpowierzchniowych ścieżek przepływu pod formami podłoża. Procedury te mogą być wykorzystane jako prosta demonstracja przepływu wody porowej dla studentów studiów licencjackich lub studentów K-12 lub mogą być .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Projekt	laboratorium inżynieryjnego	Flume	Niestandardowy kanał laboratoryjny z przezroczystymi bokami przez 24-48 godzin. Alternatywnie można zbudować mały kanał dydaktyczny za mniej niż 300 dolarów, postępując zgodnie ze wskazówkami zawartymi w naszych materiałach dodatkowych.
Przepływomierz	Rosemount	8800 wir	Znajduje się on wewnątrz pętli recyrkulacyjnej koryta
Piasek	USA. Krzemionka	F30	Piasek klasy badawczej tworzący warstwę o głębokości 10-20 cm w całym korycie
Próbki barwnika	z firm		Rozpuszczalny w wodzie barwnik spożywczy przekształcony w roztwór wodny. Najlepiej sprawdzają się ciemne kolory, takie jak czerwony, niebieski i zielony. (Unikaj barwników spożywczych w glikolu propylenowym.)
Strzykawka	HSW	4100.000V0	5-10 ml, np. HSW Norm-Ject 2-częściowa jednorazowa strzykawka
Igła do pipetowania	Cadence Science	7942	14-g, 6-calowa końcówka,  do wstrzykiwania barwnika głęboko w piasek.
Aparat cyfrowy	Dowolny		aparat cyfrowy ze stabilnym statywem. (Kamery poklatkowe mogą być używane do zbierania szybkich, równomiernie rozmieszczonych danych). Użyliśmy aparatu Nikon D7000.
Linijka	Dowolna		przezroczysta jest najlepsza.
Taśma miernicza	Dowolne
oprogramowanie Netlogo	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