Name: Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Aprenda a visualizar o fluxo hiporreico através de bedforms usando experimentos com corante e simulações computacionais no NetLogo. Este método integra abordagens experimentais e computacionais para ensinar conceitos hidrológicos.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

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.

1. Simulação Software <ol><li> Use o software descrito nesta seção. <ol><li> Baixe e instale o open-source multi-agente linguagem livre / modelagem e plataforma de simulação, NetLogo (Disponível: <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/,</a> 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). </li><li> Baixe os dois arquivos de script de simulação específicos (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) que acompanham este procedimento laboratorial. (Available: <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a> and <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a> ) Nota: Uma vez que a plataforma de simulação está instalado e esses arquivos foram baixados, clicando duas vezes esses arquivos automaticamente abre tele simulações up, pronto para ser executado. </li></ol></li></ol> 2. Demonstração Flume <ol><li> Configure a calha de laboratório para que todos os parâmetros (Tabela 1) cair dentro da simulação mousedrop restrições alcance parâmetro. Nota: As restrições podem ser ajustados em mousedrop, se necessário para o sistema físico, editando os controles deslizantes. <ol><li> Despeje uma camada de cerca de 15-25 cm de areia na calha. Meça e registre a condutividade hidráulica e porosidade da areia seguinte métodos padrão 32,33. </li><li> Encha a calha com cerca de 20-30 cm de água. </li><li> Comece a caleira e aumentar a taxa de fluxo para um nível que é suficientemente rápido para mover os grãos de areia e, assim, para criar bedforms. Nota: A taxa de fluxo pode ser ajustado para refinar ainda mais características bedform com a prática. Tamanhos Bedform são um resultado da taxa de fluxo, a profundidade da água e as propriedades de areia. </li><li> Permitir bedforms para desenvolver for 12-24 horas para formar dunas naturais / morfologia ondulação. Para acelerar este processo, manualmente moldar dunas regulares, e então permitir o transporte de sedimentos para 4-12 horas. Alternativamente, formar manualmente dunas triangulares regulares. Nota: dunas triangulares regulares irá produzir padrões regulares de troca hyporheic, mas não vai mostrar toda a complexidade que dunas naturais / bedforms ondulação. </li><li> Uma vez que os bedforms desejados são alcançados, reduzir a taxa de fluxo de água até que retarda transporte de sedimentos cama e características bedform parar de mudar. <ol><li> Visualmente observar o movimento dos grãos de sedimentos que constituem a cama, e reduzir o fluxo até que o movimento cessa. Nota: Isto irá preservar a morfologia cama para a duração da experiência. </li><li> Para confirmar que, de movimento lento episódica não está ocorrendo, marca ou fotografia bedform posições e, em seguida, observar em um momento posterior. Nota: Só é importante que bedforms não se movem significativamente durante o período do experimento, de modo que forneceum tempo suficiente para confirmar a observação de que bedforms são estáveis. </li></ol></li><li> Ajuste inclinação calha e / ou profundidade da água para conseguir um fluxo uniforme sob a vazão reduzida. <ol><li> Declividade do canal de controle através de equipamentos construídos para o canal, tipicamente uma tomada de motorizada ou uma mão-manivela. Ajustar a profundidade da água, adicionando ou removendo a água da calha. Nota: Na configuração experimental aqui utilizado, toda a caleira é montada sobre um pivô na extremidade a jusante, e a inclinação é definida por um macaco motorizado na extremidade a montante. </li><li> Enquanto a bomba estiver funcionando, selecione duas localizações longitudinais marcados com linhas perpendiculares para o fundo da calha. Nestes locais, usar uma régua para medir a distância ao longo destas linhas perpendiculares, entre a superfície da água e a parte inferior da calha. Nota: Dependendo da configuração do canal, a parte inferior da calha pode servir como uma linha de referência mais inclinada do que a parte inferior da calha. A seleção de um larger distância longitudinal renderá maior precisão. </li><li> Ajustar a inclinação da caleira e / ou a profundidade da água e re-medida até que as medições de distância verticais são o mesmo para conseguir um fluxo uniforme. Medir a distância horizontal inclinado ao longo da parte inferior da calha entre estas duas localizações longitudinais. </li></ol></li><li> Pare a bomba e esperar a água parar de se mover; isto irá proporcionar uma superfície plana. Re-medir a distância entre a parte superior da calha e a superfície da água em cada posição longitudinal. Nota: O declive canal é igual à diferença entre estas medidas, dividida pela distância horizontal inclinado entre eles. </li><li> Re-ligar a bomba. </li><li> Seleccionar uma secção de ensaio, o qual deve ser de uma localização perto da extremidade a jusante do meio ou da caleira onde dunas ter formado um padrão regular. Certifique-se de que esta seção abrange pelo menos um bedform completo. </li><li> Meça e registre a profundidade média de sedimentos (D) em thseção e teste com qualquer devise de medição mão (governantes transparentes são ideais). Por simplicidade, utilize a distância média de uma crista e calha para o fundo da calha. </li><li> Medir e registar a altura média bedform na secção de ensaio, definido como a diferença entre a profundidade do sedimento numa crista e a profundidade do sedimento em uma calha com uma régua. Meça várias bedforms para obter uma boa estimativa da média. </li><li> Novamente usando a régua, medir e registrar a profundidade de água média (d) na seção de teste, definido como a distância média da superfície da água para o leito de areia. Mais uma vez, use a profundidade de água média em cristas de dunas e depressões pela simplicidade. </li><li> Grave o caudal de canal (Q) a partir do medidor de fluxo, e calcular a velocidade média como Q / (d * w), onde w é a largura da calha e d é a profundidade da água. Nota: O medidor de fluxo está inserido no circuito de recirculação do canal hidráulico. </li><li> Medidae registrar o comprimento de onda média bedform na seção de teste. Normalmente, medir o comprimento de onda como a distância entre sucessivas cristas de dunas. </li><li> Abra a simulação Mousedrop (na plataforma NetLogo) e verifique se todas as medições estão dentro dos intervalos variáveis ​​especificadas na interface do usuário simulação. Se um parâmetro medido cai fora da faixa de restrição, ajustar a gama de parâmetros de simulação clicando com o botão direito sobre o parâmetro &quot;slider&quot;, selecionando &quot;editar&quot;, e ajustando os valores mínimo e máximo /. </li></ol></li><li> Visualize troca hyporheic. <ol><li> Defina a câmera em um local fixo (de preferência em um tripé) apontou ortogonalmente à parede da calha com um único bedform na seção de teste centrado na imagem. Nota: Isso irá evitar problemas de perspectiva inclinada. </li><li> Tire uma foto de teste para verificar as condições. Ajuste a iluminação se reflexões são um problema. </li><li> Usando a seringa ea agulha, fazer 2-3 pequena i corantenjections perto da parede de caleira. Certifique-se de que estas injecções de formar ~ 2 cm manchas redondas de água intersticial colorido em uma variedade de locais verticais e horizontais. Tenha cuidado para minimizar a perturbação do leito de areia durante a injecção. Nota: Injeções de volumes menores de corante permitem ao usuário ver mais detalhes e visualizar caminhos de transmissão individuais. </li><li> Grave a hora de início das injeções de corantes e ter uma visão inicial. Opcional: Pode ser educativo para traçar as frentes iniciais de corante com marcadores em papel de transparência, de modo que o movimento corante é facilmente observável em laboratório, mas estes contornos também irá bloquear pequenas porções das frentes de corantes em imagens, para que haja um trade- desligado. </li><li> Capturar as posições dianteiras tintura em intervalos de tempo apropriados. Para a fotografia do lapso de tempo, use intervalos de 30 seg a dar resultados suaves. </li></ol></li></ol> 3. Simulação <ol><li> Executar Simulação 1: Mousedrop e comparar com transporte observada corante.<ol><li> Abra o script de simulação chamado Mousedrop.nlogo. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> Figura 2. Mousedrop. Isso mostra onde marcadores são em 7 casos diferentes no tempo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> </li><li> Ajustar os parâmetros do sistema físicas apresentadas na Tabela 1 para coincidir com condições experimentais flume (especificamente: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, porosidade, ChannelVelocity, profundidade e inclinação). Certifique-se de prestar muita atenção para as unidades quando entrar parâmetros de entrada. </li><li> Ajuste sliders TIME1, Time2, etc. para indicar momentos em que a cor da simulação de monitoramento vai mudar. Definir essas alterações de cor para combinar com o tempo de observação, a fim de facilitar a comparação dos resultados da simulação com observações. Nota: Se os parâmetros de tempo são todos definido para 0, a simulação irá exibir uma única cor por toda parte. </li><li> Depois que todos os parâmetros são definidos, clique no botão de configuração. Nota: O bedform deve aparecer na vista de simulação. </li><li> Clique no botão do mouse-drop para indicar os locais de partida dos marcadores virtuais. Note-se que vários locais na cama pode ser clicado. Segure o mouse para baixo para liberar tracer mais virtual. Ao simular o movimento corante, use o mouse para traçar qualquer frentes corante (o limite em torno do corante) ou preencher a área total da região tingido. Nota: A introdução de mais marcador virtual vai fazer com que a simulação para executar mais lentamente. Os melhores resultados visuais irão variar com o desempenho do computador. </li><li> Depois de todos os marcadores virtuais foram colocados, você pode clicar no botão Avançar para a próxima vez, que irá iniciar a simulação e depois pará-lo na primeira vez, ou você pode clicar no botão go / paragem para iniciar a simulção indefinidamente. Não re clique com o botão de configuração, ou os marcadores terá que ser colocado novamente. Observação: Uma vez que a simulação começa a funcionar, a velocidade é calculada para a localização de cada marcador com base em parâmetros de simulação nas Equações 4 e 5. Os traçadores se move de acordo com o campo de velocidade para 100 segundos simulados e em seguida a velocidade com a nova localização é calculada e o procedimento é repetido até que o marcador deixa o sistema. </li><li> Opcionalmente, clique no botão / stop go repetidamente para pausar / continuar a simulação. Comparar as distribuições de corante simulados e medidos em diferentes pontos no tempo. </li></ol></li><li> Executar Simulação 2: Interface. <ol><li> Abra o script intitulado Interface. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> Figura 3. Interface. Isso mostra 370 marcadores fluem através do subsolo utilizando a simulação interface. O pa tracerths mostrar onde cada marcador tem sido desde que foi iniciado na interface da superfície da água-subsuperfície. Eventualmente, todos os caminhos de fluxo deve retornar para a superfície da água. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Nota: Este script apresenta marcadores virtuais na superfície leito de uma maneira fluxo ponderada com base em velocidades de subsuperfície calculados. Isso fornece uma representação visual das quantidades relativas de água que fluem em (e fora) do leito do rio em diferentes locais. </li><li> Comece clicando configuração seguido de go / stop. Nota: Isto irá executar a simulação com as configurações padrão. O interruptor de re-drop? É definido inicialmente para fora, de modo a distribuição do tempo de residência cumulativa serão plotados como o tempo passa. </li><li> Depois de observar a simulação com os parâmetros padrão, clique em ir / parar para interromper a simulação. </li><li&gt; Alterar um ou mais parâmetros e, em seguida, clique em configuração seguido de go / stop. Nota: Isso irá reiniciar a simulação com os parâmetros que foram selecionados. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Huettel, M., Webster, I. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHuettel%2C+M+%22Porewater+flow+in+permeable+sediments.+In%3A+The+benthic+boundary+layer%3A+Transport+processes+and+biogeochemistry%22">Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry</a>. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).</li>
<li>Bencala, K. E., Walters, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simulation+of+Solute+Transport+in+a+Mountain+Pool-and-Riffle+Stream+-+a+Transient+Storage+Model%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream - a Transient Storage Model.</a> Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).</li>
<li>Williams, D. D., Hynes, H. B. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Occurrence+of+Benthos+Deep+in+Substratum+of+a+Stream%5BTitle%5D)+AND+%22Freshwater+Biol%22%5BJournal%5D)">Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream.</a> Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).</li>
<li>Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+Behavior+during+Surface+Groundwater+Interaction%2C+Silver-Bow+Creek%2C+Montana%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana.</a> Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).</li>
<li>Fuller, C. C., Harvey, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactive+uptake+of+trace+metals+in+the+hyporheic+zone+of+a+mining-contaminated+stream%2C+Pinal+Creek%2C+Arizona%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona.</a> Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).</li>
<li>Jones, J. B., Mulholland, P. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJones%2C+JB+%22Streams+and+Ground+Waters%22">Streams and Ground Waters</a>. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).</li>
<li>McKnight, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectrofluorometric+characterization+of+dissolved+organic+matter+for+indication+of+precursor+organic+material+and+aromaticity%5BTitle%5D)+AND+%22Limnol+Oceanogr%22%5BJournal%5D)">Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity.</a> Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).</li>
<li>Mulholland, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inter-biome+comparison+of+factors+controlling+stream+metabolism%5BTitle%5D)+AND+%22Freshwater+Biol%22%5BJournal%5D)">Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism.</a> Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).</li>
<li>Peterson, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+nitrogen+export+from+watersheds+by+headwater+streams%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams.</a> Science. 292, 86-90 (2001).</li>
<li>Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term+changes+in+concentrations+and+flux+of+nitrogen+in+the+Mississippi+River+Basin%2C+USA%5BTitle%5D)+AND+%22Hydrol+Process%22%5BJournal%5D)">Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA.</a> Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).</li>
<li>Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+seasonal+hypoxia+on+continental+shelf+benthos%5BTitle%5D)+AND+%22Coast+Est+S%22%5BJournal%5D)">Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos.</a> Coast Est S. 58, 211-240 (2001).</li>
<li>Huettel, M., Gust, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+bioroughness+on+interfacial+solute+exchange+in+permeable+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22Mar+Ecol+Prog+Ser%22%5BJournal%5D)">Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments.</a> Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).</li>
<li>Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Residence+time+of+bedform-driven+hyporheic+exchange%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Water+Resour%22%5BJournal%5D)">Residence time of bedform-driven hyporheic exchange.</a> Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).</li>
<li>Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+controls+and+predictability+of+stream+hyporheic+flow+evaluated+with+a+multiscale+model%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model.</a> Water Resour Res. 48, (2012).</li>
<li>Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Wörman, A., Salehin, M., Packman, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multiscale+model+for+integrating+hyporheic+exchange+from+ripples+to+meanders%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders.</a> Water Resour Res. 46, (2010).</li>
<li>Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fractal+topography+and+subsurface+water+flows+from+fluvial+bedforms+to+the+continental+shield%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys+Res+Lett%22%5BJournal%5D)">Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield.</a> Geophys Res Lett. 34, (2007).</li>
<li>Tonina, D., Buffington, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+model+for+analyzing+the+effects+of+salmon+redds+on+hyporheic+exchange+and+egg+pocket+habitat%5BTitle%5D)+AND+%22Can+J+Fish+Aquat+Sci%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat.</a> Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).</li>
<li>Elliott, A. H., Brooks, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+of+nonsorbing+solutes+to+a+streambed+with+bed+forms%3A+Theory%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory.</a> Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).</li>
<li>Elliott, A. H., Brooks, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+of+nonsorbing+solutes+to+a+streambed+with+bed+forms%3A+Laboratory+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments.</a> Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).</li>
<li>Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exact+three-dimensional+spectral+solution+to+surface-groundwater+interactions+with+arbitrary+surface+topography%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys+Res+Lett%22%5BJournal%5D)">Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography.</a> Geophys Res Lett. 33, (2006).</li>
<li>Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparative+experimental+and+multiphysics+computational+fluid+dynamics+study+of+coupled+surface-subsurface+flow+in+bed+forms%5BTitle%5D)+AND+%22Wat+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms.</a> Wat Resour Res. 48, (2012).</li>
<li>Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bed+Form+Resistances+in+Open+Channel+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22J+Hydraul+Eng-Asce%22%5BJournal%5D)">Bed Form Resistances in Open Channel Flows.</a> J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).</li>
<li>Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from:
 <a target="_blank" href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/</a> (1999).</li>
<li>Ma, J., Nickerson, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hands-on+simulated%2C+and+remote+laboratories%3A+A+comparative+literature+review%5BTitle%5D)+AND+%22Acm+Comput+Surv%22%5BJournal%5D)">Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review.</a> Acm Comput Surv. 38, (2006).</li>
<li>Nersessian, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conceptual+change+in+science+and+in+science+education%5BTitle%5D)+AND+%22Synthese%22%5BJournal%5D)">Conceptual change in science and in science education.</a> Synthese. 80, 163-183 (1989).</li>
<li>Magin, D., Kanapathipillai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+students%27+understanding+of+the+role+of+experimentation%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Engineering+Education%22%5BJournal%5D)">Engineering students' understanding of the role of experimentation.</a> European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).</li>
<li>Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+web-based%2C+interactive+virtual+laboratory+system+for+unit+operations+and+process+systems+engineering+education%3A+issues%2C+design+and+implementation%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Chem+Eng%22%5BJournal%5D)">A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation.</a> Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).</li>
<li>Smith, P. R., Pollard, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Role+of+Computer-Simulations+in+Engineering-Education%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Educ%22%5BJournal%5D)">The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education.</a> Comput Educ. 10, 335-340 (1986).</li>
<li>Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Collaborative+web-based+experimentation+in+flexible+engineering+education%5BTitle%5D)+AND+%22Ieee+T+Educ%22%5BJournal%5D)">Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education.</a> Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).</li>
<li>Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).</li>
<li>Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning. Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).</li>
<li>Freeze, R. A., Cherry, J. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFreeze%2C+RA+%22Groundwater%22">Groundwater</a>. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).</li>
<li>Todd, D. K., Mays, L. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTodd%2C+DK+%22Groundwater+Hydrology%22">Groundwater Hydrology</a>. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).</li>
<li>Box, G. E., Draper, N. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBox%2C+GE+%22Empirical+Model-Building+and+Response+Surfaces%22">Empirical Model-Building and Response Surfaces</a>. , John Wiley & Sons. (1987).</li>
<li>Flavell, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metacognition+and+cognitive+monitoring%3A+A+new+area+of+cognitive%E2%80%93developmental+inquiry%5BTitle%5D)+AND+%22American+Psychologist%22%5BJournal%5D)">Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry.</a> American Psychologist. 34, 906(1979).</li>
<li>Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBransford%2C+JD+%22How+People+Learn%22">How People Learn</a>. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).</li>
<li>Pintrich, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+metacognitive+knowledge+in+learning%2C+teaching%2C+and+assessing%5BTitle%5D)+AND+%22Theor+Pract%22%5BJournal%5D)">The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing.</a> Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).</li>
<li>Zohar, A., Ben David, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Paving+a+clear+path+in+a+thick+forest%3A+a+conceptual+analysis+of+a+metacognitive+component%5BTitle%5D)+AND+%22Metacogn+Learn%22%5BJournal%5D)">Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component.</a> Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).</li>
<li>Fox, A., Boano, F., Arnon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+losing+and+gaining+streamflow+conditions+on+hyporheic+exchange+fluxes+induced+by+dune-shaped+bed+forms%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms.</a> Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).</li>
<li>Norman, F. A., Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+transport+in+hyporheic+zones+due+to+bedforms%3A+An+experimental+study%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study.</a> Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).</li>
<li>Precht, E., Huettel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+wave-driven+advective+pore+water+exchange+in+a+permeable+coastal+sediment%5BTitle%5D)+AND+%22J+Sea+Res%22%5BJournal%5D)">Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment.</a> J Sea Res. 51, 93-107 (2004).</li>
<li>Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyporheic+exchange+with+heterogeneous+streambeds%3A+Laboratory+experiments+and+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling.</a> Water Resour Res. 40, (2004).</li>
<li>Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+heterogeneity%2C+bed+forms%2C+and+stream+curvature+on+subchannel+hyporheic+exchange%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange.</a> Water Resour Res. 40, (2004).</li>
<li>Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyporheic+flow+and+residence+time+distributions+in+heterogeneous+cross-bedded+sediment%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment.</a> Water Resour Res. 45, (2009).</li>
<li>Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sinuosity-driven+hyporheic+exchange+in+meandering+rivers%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys+Res+Lett%22%5BJournal%5D)">Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers.</a> Geophys Res Lett. 33, (2006).</li>
<li>Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+model+for+lateral+hyporheic+flow+based+on+valley+slope+and+channel+sinuosity%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity.</a> Water Resour Res. 45, (2009).</li>
<li>Tonina, D., Buffington, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyporheic+exchange+in+gravel+bed+rivers+with+pool-riffle+morphology%3A+Laboratory+experiments+and+three-dimensional+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour+Res%22%5BJournal%5D)">Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling.</a> Water Resour Res. 43, (2007).</li>
<li>Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHarbaugh%2C+AW+%22MODFLOW-2000%2C+the+US+Geological+Survey+modular+ground-water+model%3A+User+guide+to+modularization+concepts+and+the+ground-water+flow+process%22">MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process</a>. , US Geological Survey. Reston, VA, USA. (2000).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

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...

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 afectam o escoamento através do sedimento é necessário para estimar o transporte de soluto em rios e dirigir grandes problemas ambientais resultantes da propagação de materiais tais como nutrientes (por exemplo, de hipoxia costeira 10,11). Apesar da importância do intercâmbio hyporheic, que muitas vezes não é descrita em cursos de graduação em hidrologia,mecânica dos fluidos, hidráulica, etc. educadores que desejam adicionar troca hyporheic para seus cursos poderia encontrá-lo útil para ter visualizações experimentais e numéricos que mostram claramente este processo. Sinuosidade córrego canal, níveis freáticos circundantes, e topografia leito (ou seja, bares, bedforms, e montes biogénicas) afetam troca hyporheic em diferentes graus 12-17. Este estudo incidiu sobre bedforms, tais como dunas e ondulações, que são geralmente características geomorfológicas principais que afetam o fluxo hyporheic 14,15. Criamos uma simulação e laboratório experimento numérico para visualizar o fluxo através de uma série regular de bedforms. Esta simulação é baseado em um corpo de pesquisa anterior relativa caminhos de fluxo hyporheic características do sistema para facilmente observáveis ​​15,18-21. Como esta pesquisa constitui a base científica para a simulação, um breve resumo dos aspectos-chave da teoria segue. Bedform topografia, T (x),É dado por: Equação 1: <img alt="Equação 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq1.jpg" /> em que H é o dobro da amplitude do bedform, k é o número de onda, e X é a dimensão longitudinal paralelo à superfície média leito. Um exemplo deste topografia bedform é mostrado na Figura 1. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig1.jpg" /> Figura 1. definições e configurações de parâmetro controlado pelo usuário. Em Interface, partículas traçadores são liberados de forma fluxo ponderada na interface água / sedimento e rastreados através do sedimento. Se show-caminhos? É &quot;on&quot; a marca traçadores de água onde eles foram, mostrando seus caminhos. Quando um marcador retorna para a água de superfície, isso muda tele número total de marcadores no sistema, quando re-drop? é definido como &quot;off&quot;. A trama de distribuição cumulativa tempo de residência mostra esta mudança traçando a razão entre o número de marcadores que permanecem no leito de sedimentos para o número inicial como uma função do tempo. Se re-drop? É &quot;on&quot;, em seguida, traçadores que deixam o sistema são substituídas da mesma maneira fluxo ponderada como partículas originais, eo enredo cumulativa está desativado. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Nome parâmetro </td><td> Unidades </td><td colspan="3"> Definição </td><td> Interface </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Lambda (λ) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Comprimento de onda de bedform (ver Figura 1) &lt;/ td&gt; <td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedformHeight (H) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Duas vezes a amplitude bedform (veja a Figura 1) </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedDepth (D) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Profundidade dos sedimentos (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> HydrCond (K) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Condutividade hidráulica </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Porosidade (θ) </td><td></td><td colspan="3"> Porosidade </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ChannelVelocity (L) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Velocidade média na superfície da água ou canal </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Profundidade (d) </td><td> cm </td><td colspan="3"> A profundidade da água (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Slope (S) </td><td></td><td colspan="3"> Inclinação da superfície da água e bedforms </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td&gt; <img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> NumParticles </td><td></td><td colspan="3"> O número de partículas libertadas para o sistema. </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> Timex (Time1, Time2 ..) </td><td> min </td><td colspan="3"> Hora em que cada mudança de cor ocorre </td><td></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Simulação Botões </td><td></td><td colspan="3"> Definição </td><td> Interface </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Estabelecer </td><td></td><td colspan="3"> Defina-se a simulação de uso de parâmetros mostrados </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ir / parar </td><td></td><td colspan="3"> Inicia e pára a simulação </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Passo </td><td></td><td colspan="3"> Clicando etapa faz com que um passo de tempo para passar. Isso permite que usuários para abrandar o código e ver exatamente o que acontece em 100 segundos. </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> caminhos claros </td><td></td><td colspan="3"> Limpa todos os caminhos ele partículas azuis da tela </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Avançar para a próxima época </td><td></td><td colspan="3"> Isso faz com que o programa seja executado até a próxima mudança de cor (Timex)</td><td></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> rato-drop </td><td></td><td colspan="3"> Este botão deve ser clicado antes de partículas podem ser colocados no subsolo clicando em locais em subsuperfície. </td><td></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> show-caminhos? </td><td></td><td colspan="3"> Se show-caminhos? é &quot;on&quot; as partículas de água deixam um rastro de exibição azul onde eles foram (ver Figura 1). </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> re-largar? </td><td></td><td colspan="3"> Se re-drop? é &quot;ligado&quot; as partículas são substituídos de um modo ponderado para cada fluxo de partículas, que sai do sistema, e a trama cumulativo não funciona. Quando um partiCLE sai da zona hyporheic o número de partículas no sistema diminui, se re-gota? é &quot;off&quot; (veja a Figura 1). </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr></tbody></table> Tabela 1. Parâmetros Hyporheic e Simulação controles. Cada parâmetro, botão e controle deslizante que pode ser ajustado pelo usuário é dado nesta tabela, juntamente com uma definição. Nesta simulação, dois processos induzir velocidade do fluido no leito de areia. O primeiro é devido às interações do fluxo de córrego com bedforms. A cabeça de velocidade na interface água / sedimento induzida por bedforms também é de aproximadamente sinusoidal, e trocou por um comprimento de onda trimestre do próprio bedform 22. A amplitude da função cabeça de velocidade na interface de superfície-subsuperficial foi aproximada a partir de medições 16: ge = &quot;always&quot;&gt; Equação 2: <img alt="Equação 2" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq2.jpg" /> onde U é a velocidade média de superfície de água, g é a constante gravitacional, e d é a profundidade da água (mostrado na Figura 1). A função de cabeça de velocidade é então dado por: Equação 3: <img alt="Equação 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq3.jpg" /> Esta função de cabeça pode então ser usado para calcular a componente-base de bedform as funções de velocidade subsuperficial, resolvendo a equação de Laplace, com uma profundidade de leito de areia constante 20. O segundo componente da velocidade água intersticial é determinada pela inclinação do sistema, S, o que corresponde a um gradiente gravitacional cabeça que os rendimentos de fluxo na direcção a jusante proporcionals / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg &quot;/&gt; As funções finais para velocidade água intersticial são.: Equação 4: <img alt="Equação 4" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq4.jpg" /> Equação 5: <img alt="Equação 5" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq5.jpg" /> onde L é o componente de velocidade longitudinal, v é a componente de velocidade vertical, K é a condutividade hidráulica média diária do sedimento, é a porosidade média dos sedimentos, Y é a coordenada vertical, e D é a profundidade dos sedimentos. Simulações de rastreamento de partículas foram criadas, que utilizam a linguagem de modelagem NetLogo e plataforma de simulação 23. As duas implementações (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usam estas equações para modelar hyporheic fluxo com o mesmo núcleo de simulação. A principal diferença é nos locais iniciais das partículas marcadoras. Mousedrop permite que o utilizador coloque traçador simulado em qualquer lugar dentro do subsolo. Equações de velocidade Subsurface 4 e 5 são usados ​​para mover o marcador para simular experimentos de injeção de corante. Em Interface, tracer é sempre colocada ao longo do limite de superfície / subsuperfície de uma maneira fluxo ponderada. Este imita a entrega de material dissolvido e suspenso da água de superfície na água intersticial, o que é crucial para a compreensão de câmbio hyporheic. O marcador, em seguida, move-se dentro da subsuperfície até que novamente atinge a água corrente. Traçando os caminhos de corante na caleira e simulando os caminhos usando NetLogo produz as linhas de corrente do flowfield, contanto que as condições de fluxo e morfologia bedform permanecer estável durante o período de observação. Interface.nlogo cria uma distribuição de tempo de residência cumulativa, que mostra o razão entre o número departículas marcadoras restantes nos sedimentos para o número inicial de partículas marcadoras colocados no tempo 0 como uma função do tempo. Como discutido em uma recente pesquisa da literatura 24, continua a haver considerável debate dentro da comunidade da pesquisa educacional sobre os méritos relativos de hands-on experimentos de laboratório contra laboratórios simulados e modelos de computador. Por um lado, alguns acham que &quot;hands-on experiência está no cerne da aprendizagem&quot; 25, e cuidado que os argumentos de redução de custos pode ser alimentando a substituição de atividades práticas de laboratório por simulações baseadas em computador, em detrimento de estudante entendimento 26. Por outro lado, alguns pesquisadores em ensino de ciências / engenharia argumentam que as simulações são pelo menos tão eficaz quanto a tradicional hands-on labs 27, ou discutir os benefícios do computador-simulação na promoção centrado no aluno &quot;aprendizagem pela descoberta&quot; 28. Enquanto consenso não foi redoía, muitos pesquisadores concluíram que, idealmente, simulações de computador deve complementar, e não substituir, hands-on experimentos de laboratório 29,30. Também houve iniciativas no âmbito da ciência e da educação em engenharia para a experimentação física e do mundo real sentindo com simulações de computador dos fenômenos simultaneamente casal; ver, por exemplo, &quot;modelagem bifocal&quot; 31. Os estudantes podem obter um conhecimento mais profundo conceptual e uma melhor compreensão do processo de investigação científica, interagindo com tanto um sistema físico, e uma simulação por computador desse sistema. Este procedimento implica ter os alunos realizam um experimento de transporte de solutos que demonstra fluxo cambial hyporheic gravitacional e induzida por bedform, e combinar a sua própria configuração experimental e os resultados com uma simulação de computador dos mesmos fenômenos. Esta comparação facilita os resultados da aprendizagem no aluno importantes e uma discussão mais profunda de tele método científico, e interacção entre a modelo / construção de teoria e validação empírica através da recolha de dados. Depois de realizar esta comparação, os estudantes também podem aproveitar os benefícios da simulação baseada em computador para explorar rapidamente uma infinidade de cenários alternativos, alterando os parâmetros do modelo.

<table><tbody><tr><td>Calha de laboratório de engenharia de</td><td></td> <td>calha</td><td>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.</td></tr><tr><td>Medidor de vazão</td><td>Rosemount&nbsp;</td><td>8800 vórtice&nbsp;</td><td>Este está localizado dentro do circuito de recirculação da calha</td></tr><tr><td>Areia</td><td>NÓS. Sílica</td><td>F30</td><td>Areia de grau de pesquisa para formar uma camada de 10-20 cm de profundidade em toda a calha</td></tr><tr><td>Amostras de corante</td><td>de empresas</td><td></td><td>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.)</td></tr><tr><td>Seringa</td><td>HSW</td><td>4100.000V0</td><td>5-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject Seringa descartável de 2 partes</td></tr><tr><td>Agulha de pipetagem</td><td>Cadence Science</td><td>7942</td><td>14-gage, 6-in extremidade romba,&nbsp; para injetar o corante profundamente na areia.</td></tr><tr><td>Câmera digital</td><td>Qualquer</td><td></td><td>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.</td></tr><tr><td>Régua</td><td>Qualquer</td><td></td><td>Transparente é o melhor.</td></tr><tr><td>Fita métrica</td><td>Qualquer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>software Netlogo</td><td>CCL</td><td></td><td><a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/</a></td></tr><tr><td>Mousedrop.nlogo</td><td>Netlogo Commons</td><td>4259</td><td><a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a></td></tr><tr><td>Interface.nlogo</td><td>Netlogo Commons</td><td>4258</td><td><a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a></td></tr></tbody></table>

visualizando hyporheic fluxo através bedforms usando experimentos corante e simulação

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

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.

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...

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.

Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute ...

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar experimentalmente o fluxo hiporreico utilizando um software de modelagem que cria uma simulação compatível com o experimento físico. Este método pode auxiliar na demonstração de conceitos fundamentais na área de hidrologia, mostrando como o fluxo de água através dos sedimentos sob um curso d'água é influenciado pelos sedimentos, pela topografia e pelas propriedades da água superficial. Embora este método possa ser usado para investigar o fluxo hiporreico, ele também pode ser aplicado em laboratórios educacionais para demonstrar o fluxo hiporreico a estudantes de todos os níveis.A principal vantagem dessa técnica é que ela combina experimentos laboratoriais físicos com um software interativo de computador que simula o mesmo fenômeno. A demonstração visual mostra as semelhanças e discrepâncias espaciais entre os experimentos físicos e as simulações, o que estimula o desenvolvimento de uma compreensão mais profunda dos princípios hiper. Comece instalando o software necessário, que é o NetLogo e dois scripts para executar no Net.Em seguida, queda do camundongo e interface. Depois, seguindo as instruções no protocolo textual, configure o

visualizing-hyporheic-flow-through-bedforms-using-dye-experiments

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

Dispositivos microfluídicos pode ser usado para visualizar os complexos processos naturais em tempo real e nas escalas físico apropriado. Temos desenvolvido um dispositivo simples microfluídicos que imita características-chave de meios porosos naturais para o estudo de crescimento e de transporte de bactérias no subsolo.

Janela em um Microworld: Simple sistemas microfluídicos para estudar o transporte microbiana em Meios Porosos

Os biofilmes têm interações complexas com o ambiente circundante. Para investigar de forma abrangente as interações biofilme-ambiente, apresentamos aqui uma série de métodos para criar um ambiente químico heterogêneo para o desenvolvimento do biofilme, quantificar a velocidade do fluxo local e analisar o transporte de massa dentro e ao redor das colônias de biofilme.

Métodos de caracterização da Co-desenvolvimento de biofilme e Habitat Heterogeneidade

Este estudo apresenta um método de escavação para investigar hidrológico subsuperfície, geoquímicos e heterogeneidade microbiológica de um lisímetro de solo. O lisímetro simula um hillslope artificial que foi inicialmente sob condição homogênea e tinha sido submetido a aproximadamente 5.000 mm de água ao longo de oito ciclos de irrigação em um período de 18 meses.

Monólito escavação para Coupled Hidrológicos, geoquímicos e microbiológicos Investigações

O manuscrito apresenta um protocolo para a condução de experimentos de transporte de sedimentos de carga de cama onde as partículas em movimento são rastreadas por análise de imagem. A facilidade experimental, os procedimentos para execução de execução e processamento de dados e, finalmente, alguns resultados de prova de conceito são apresentados aqui.

Rastreamento de partículas Lagrangian baseado em imagem em experiências de carga de cama

É apresentado um protocolo para o estudo de difusão de marcadores passivos em fluxo laminar controlado por pressão. O procedimento é aplicável a várias geometrias de tubo capilar.

A difusão dos marcadores passivos em fluxo Laminar da tesoura

O objetivo do protocolo é permitir a visualização dos campos detalhados do fluxo e a determinação da tesoura Near-Boundary e das tensões normais dentro de um furo do vasculhar do equilíbrio induzido por um encanamento de vibração.

Visualização do campo de fluxo em torno de um encanamento vibratório dentro de um furo de Scour do equilíbrio

Para quantificar o fluxo microvascular de sequências de imagem capilar de fluxo de alta velocidade, desenvolvemos o software STAFF (Spatial Temporal Analysis of Fieldwise Flow). Em todo o campo de imagem completo e ao longo do tempo, a EQUIPE avalia as velocidades de fluxo e gera uma sequência de mapas espaciais codificados por cores para visualização e saída tabular para análises quantitativas.

Análise Temporal Espacial do Fluxo de Campo na Microvasculatura

Este protocolo descreve a simulação, fabricação e caracterização de absorvedores metamaterial THz. Tais absorventes, quando acoplado com um sensor apropriado, ter aplicações em imagiologia THz e espectroscopia.

Fabricação de simulação, e Caracterização de THz Absorvedores de metamateriais

Uma célula de cisalhamento é desenvolvido para medições de pequeno ângulo de dispersão de neutrões no plano gradiente de velocidade da velocidade de cisalhamento e é usada para caracterizar os fluidos complexos. Medições espacialmente resolvidos na direção gradiente de velocidade são possíveis para o estudo de materiais de bandas de cisalhamento. As aplicações incluem investigações de dispersões coloidais, as soluções de polímero, e as estruturas de auto-montagem.

Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-Small Angle Neutron Scattering

Apresentamos um protocolo para o uso de um tribômetro assistido piezoeletricamente e um perfilômetro óptico para investigar a dependência do desgaste ultrassônico e da redução do atrito na velocidade linear, pressão de contato e propriedades da superfície.

Experimentos em Ultrasonic Lubrificação Usando um tribômetro piezoelectricamente-assistida e Profilometer Optical

Aprenda a visualizar o fluxo hiporreico através de bedforms usando experimentos com corante e simulações computacionais no NetLogo. Este método integra abordagens experimentais e computacionais para ensinar conceitos hidrológicos.

Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

Explorar mais vídeos