Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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....

Protocol

1. Simulação Software

1. Use o software descrito nesta seção.
   1. 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).
   2. Baixe os dois arquivos de script de simulação específicos (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) que acompanham este procedimento laboratorial. (Available:

Results

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.......

Discussion

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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