Este manuscrito descreve como criar formas de leito regulares em uma calha, visualizar o fluxo através das formas de leito e usar simulações de computador para simular o fluxo hiporreico. As simulações de computador se comparam bem com as observações experimentais. Essa simulação e experimento acoplados são adequados para fins educacionais e de pesquisa.
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Artigo de método
Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação
Neste artigo
Resumo
Resumo
Advective troca entre o espaço dos poros dos sedimentos e da coluna de água que cobre, chamado de troca hyporheic em ambientes fluviais, impulsiona transporte de soluto em rios e muitos processos biogeoquímicos importantes. Para melhorar a compreensão desses processos através de manifestação visual, criamos uma simulação de fluxo hyporheic no multi-agente plataforma de modelagem de computador NetLogo. A simulação mostra marcador virtual fluindo através de um leito coberto com bedforms bidimensionais. Sedimento, de fluxo, e bedform características são usadas como variáveis de entrada para o modelo. Nós ilustramos como estas simulações combinar observações experimentais obtidos em experiências flume laboratório com base em parâmetros de entrada medidos. Corante é injetado nos sedimentos flume para visualizar o fluxo água intersticial. Para efeito de comparação partículas tracer virtuais são colocados nos mesmos locais na simulação. Esta simulação e laboratório de experimentação, casada tem sido usado com sucesso em cursos de graduação e gradualaboratórios te de visualizar diretamente as interações rio-água intersticial e mostrar como simulações de fluxo baseado em física pode reproduzir fenômenos ambientais. Os alunos tiraram fotos do leito através das paredes transparentes flume e comparou-os a formas do corante no mesmo horário na simulação. Isto resultou em tendências muito semelhantes, o que permitiu aos alunos a compreender melhor tanto os padrões de fluxo e do modelo matemático. As simulações também permitem ao usuário visualizar rapidamente o impacto de cada parâmetro de entrada, executando várias simulações. Este processo também pode ser usado em aplicações de pesquisa para ilustrar os processos básicos, referem fluxos interfacial e transporte água intersticial, e apoiar modelação baseada no processo quantitativo.
Introdução
À medida que a água de superfície em um córrego, rio ou zona das marés cria gradientes de cabeça que levam a água para dentro e para fora dos sedimentos 1. Em sistemas fluviais a parte dos sedimentos Streambed onde ocorre essa troca é conhecida como a zona de 2,3 hyporheic. Esta zona é importante porque muitos nutrientes e poluentes são armazenados, depositado, ou transformado dentro da zona hyporheic 4-9. A quantidade de tempo que um marcador passa no sedimento é chamado de tempo de residência. Ambas as vezes de residência e os locais dos caminhos de fluxo afetam os processos de transformação. A melhor compreensão dos processos que a....
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Protocolo
1. Simulação Software
- Use o software descrito nesta seção.
- Baixe e instale o open-source multi-agente linguagem livre / modelagem e plataforma de simulação, NetLogo (Disponível: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versão 5.1 ou posterior).
Nota: Este software está disponível sem nenhum custo e é executado em todos os principais sistemas operacionais (Windows / Mac / Linux). - Baixe os dois arquivos de script de simulação específicos (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) que acompanham este procedimento laboratorial. (Available:
- Baixe e instale o open-source multi-agente linguagem livre / modelagem e plataforma de simulação, NetLogo (Disponível: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, versão 5.1 ou posterior).
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Resultados
O uso de uma simulação em conjunto com experimentos permite que os alunos a observar as semelhanças e diferenças entre modelos matemáticos idealizadas e sistemas reais mais complexos. A Figura 4 mostra um exemplo comparando fotografias de injeção de corantes com simulações Mousedrop. A fotografia inicial é usado para determinar a colocação do traçador corante simulado no tempo zero, e, em seguida, a simulação é executado por 34,2 min e em comparação com uma fotografia tirada nesse momento. Em g.......
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Discussão
Em conjunto, os de demonstração e de rastreamento de partículas simulações flume fornecer uma introdução abrangente para o fluxo hyporheic para uma variedade de audiências. Os participantes de todos os níveis são fornecidos evidência visual para a ocorrência de troca hyporheic induzida por bedforms, ea forte variabilidade nos caminhos de fluxo de subsuperfície sob bedforms. Estes procedimentos podem ser usados como uma simples demonstração de fluxo de água intersticial para alunos de graduação ou K-12 alunos, ou ele p.......
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Divulgações
Os autores não têm nada a divulgar.
Agradecimentos
Este material é baseado no trabalho apoiado pelas concessões EAR-0810270, EAR-1215898 e EAR-1344280 da National Science Foundation, bem como em uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da NSF.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Calha de laboratório de engenharia de | calha | Calha de laboratório personalizada com lados transparentes por 24-48 horas. Alternativamente, uma pequena calha de ensino pode ser construída por menos de 300 dólares, seguindo as diretrizes fornecidas em nossos materiais suplementares. | |
| Medidor de vazão | Rosemount | 8800 vórtice | Este está localizado dentro do circuito de recirculação da calha |
| Areia | NÓS. Sílica | F30 | Areia de grau de pesquisa para formar uma camada de 10-20 cm de profundidade em toda a calha |
| Amostras de corante | de empresas | alimentícias Corante de grau alimentício solúvel em água transformado em uma solução aquosa. Cores escuras como vermelho, azul e verde funcionam melhor. (Evite corantes alimentares em propilenoglicol.) | |
| Seringa | HSW | 4100.000V0 | 5-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject Seringa descartável de 2 partes |
| Agulha de pipetagem | Cadence Science | 7942 | 14-gage, 6-in extremidade romba, para injetar o corante profundamente na areia. |
| Câmera digital | Qualquer | câmera digital com tripé estável. (As câmeras de lapso de tempo podem ser usadas para coletar dados rápidos e uniformemente espaçados.) Usamos uma Nikon D7000. | |
| Régua | Qualquer | Transparente é o melhor. | |
| Fita métrica | Qualquer | ||
| software 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 |
Referências
- 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).
- Bencala, K. E., Walters, R. A.
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Reimpressões e permissões
