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.

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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>

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</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 canal de laboratório de modo que todos os parâmetros estejam dentro das restrições do intervalo de parâmetros da simulação de queda do camundongo. Execute o canal por 12 a 24 horas para criar uma forma de leito com as características desejadas.Ajuste a inclinação do canal e a profundidade da água para obter um fluxo uniforme sobre a forma do leito. O objetivo é que os grãos de sedimento nas formas do leito não pareçam estar se movendo, embora um pequeno movimento possa ser inevitável. Primeiro, torne o fluxo uniforme enquanto a bomba estiver funcionando.Selecione dois pontos na parte inferior do canal e registre a distância até a superfície da água para cada linha. Em seguida, ajuste a inclinação do canal ou a profundidade da água até que essas medições de distância vertical sejam iguais. Em segundo lugar, desligue a bomba e aguarde até que a água pare de se mover.Em seguida, nos mesmos locais de antes, meça as distâncias da base do canal até a superfície da água e meça a distância entre essas medições verticais. Calcule a declividade do canal como a diferença entre essas medições dividida pela distância horizontal inclinada entre elas. Agora, reinicie a bomba e selecione uma seção de teste.Escolha um local próximo à extremidade média ou final do canal onde as dunas tenham formado um padrão regular. Esta seção deve abranger pelo menos uma forma completa do leito. Na seção de teste.Realize algumas medições utilizando uma régua transparente. Primeiro, determine a profundidade média do sedimento realizando medições em um vale de dunas e em um cume de dunas. A diferença entre essas medições é a altura da forma do leito.Em seguida, determine a profundidade média da água, que é a distância média entre a superfície da água e a superfície do leito de areia. Depois, meça e registre o comprimento de onda médio das formas do leito, medindo a distância entre cristas sucessivas de dunas. Em seguida, registre a vazão do canal a partir de um medidor de vazão no circuito de recirculação e calcule a velocidade média do fluxo.Agora, abra a simulação de queda do mouse e verifique se todas essas medidas estão dentro dos intervalos especificados na interface do usuário. Se um parâmetro medido estiver fora do intervalo estipulado, ajuste o intervalo do parâmetro clicando com o botão direito no controle deslizante, selecionando editar e ajustando os valores mínimo e máximo. Primeiro, posicione uma câmera em um tripé apontada ortogonalmente para a parede do canal.A imagem deve ser centralizada em uma única forma de leito na seção de teste. Se reflexos forem um problema, fixe a posição da câmera e ajuste a iluminação; incluir uma régua na imagem pode ajudar na escala. Em seguida, utilizando uma seringa e uma agulha, faça duas ou três pequenas injeções de corante próximo à parede do canal.Essas injeções devem formar manchas de dois centímetros de água colorida, que devem ser colocadas em diversas posições verticais e horizontais. Registre o horário inicial das injeções do corante e tire uma foto inicial. Pode ser instrutivo usar papel vegetal para rastrear os frentes iniciais de D e os contornos ao redor do corante.Assim, é mais fácil observar seus movimentos no laboratório, mas esse método apresenta suas compensações. Com a câmera, capture as posições das frentes de D nos intervalos de tempo apropriados. Para a fotografia com lapso de tempo, utilize intervalos de 1/32 para resultados suaves.Para uma simulação, primeiro execute a queda do mouse e compare os resultados com o transporte de corante observado. Na queda do mouse, ajuste os parâmetros do sistema físico para corresponder às condições experimentais dos canais.Certifique-se de prestar atenção cuidadosa às unidades ao inserir esses parâmetros. Em seguida, ajuste os controles deslizantes para indicar em quais momentos a cor de rastreamento da simulação mudará. Defina essas mudanças de cor para corresponder aos tempos observados.Se os parâmetros de tempo forem todos definidos como zero, a simulação exibirá uma única cor em toda a extensão. Depois que todos os parâmetros forem definidos, clique no botão de configuração. A forma do leito deve aparecer na visualização da simulação.Em seguida, clique no botão de soltar do mouse para indicar as posições iniciais dos traçadores virtuais. Vários pontos no leito podem ser clicados. Mantenha o botão do mouse pressionado para liberar mais traçadores virtuais.Depois que todos os traçadores virtuais tiverem sido posicionados, você pode clicar no botão avançar para o próximo tempo para executar a simulação. Até o tempo um, não clique novamente no botão de configuração, ou os traçadores terão que ser posicionados novamente. Você também pode clicar no botão ir parar para executar a simulação.Os traçadores continuarão se movendo até que todos os traçadores virtuais tenham saído do sistema, a menos que você pressione o botão de parada. Novamente, isso pode ser usado para pausar a simulação, permitindo que comparações sejam feitas entre as distribuições de corante simulada e medida. Assim que a simulação começar a rodar, a velocidade é calculada para a posição de cada traçador.Com base nos parâmetros da simulação, o traçador se move para uma nova localização usando essa velocidade, e então o procedimento é repetido até que o traçador deixe o sistema. Em seguida, execute a simulação da interface clicando em configuração seguido por ir parar. Isso executará a simulação com as configurações padrão.A simulação da interface introduz traçadores virtuais sobre a superfície do leito do curso d'água de forma ponderada pelo fluxo, com base nas velocidades subsuperficiais calculadas. Por padrão, as partículas deixam trajetórias indicando os locais por onde passaram. Desative o botão mostrar trajetórias para eliminar esses traços. Ao ligar a chave da gota vermelha, o gráfico da distribuição acumulada do tempo de residência é desativado e uma nova partícula é liberada a cada vez.Um sai do sistema. Após observar a simulação com os parâmetros padrão, clique em go stop para interromper a simulação. Em seguida, altere um ou mais parâmetros e reinicie a simulação com os novos parâmetros clicando em setup, seguido por go stop. Aqui, ajustamos a altura da forma do leito, executamos a simulação e depois repetimos o processo, ajustando a profundidade do leito para comparar a simulação com os resultados experimentais.A fotografia inicial foi usada para determinar a posição do traçador D simulado no tempo zero. Em seguida, a simulação foi executada por 34,2 minutos e comparada com uma fotografia tirada naquele momento. No geral, o modelo desempenhou um excelente trabalho.Cada blob D se move nas mesmas direções gerais do modelo e se deforma de maneira semelhante aos blobs D simulados. No entanto, uma inspeção cuidadosa revela algumas discrepâncias. Por exemplo, o blob D à direita forma mais uma forma de feijão do que a simulação.Isso provavelmente se deve à depressão observável na topografia da forma do leito imediatamente acima desse agregado, que foi criada durante sua injeção no sedimento. Outra discrepância comum é o cronograma, que também não foi perfeito. Isso provavelmente ocorre devido a pequenos erros nas medições das propriedades do sedimento.Discrepâncias comuns são formadas a partir de uma combinação de erros de medição e efeitos físicos de segunda ordem devido à variabilidade na geometria irregular das formas do leito e ao empacotamento do sedimento, entre outros fatores. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em 24 horas. Ao realizar este procedimento, é importante permitir que a forma do leito se estabilize, ser paciente e prestar atenção às unidades ao fazer e inserir as medições.Após este procedimento, outros experimentos podem ser realizados para responder perguntas adicionais sobre a influência da topografia, da condutividade hidráulica e das propriedades da água superficial no fluxo hiper. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como visualizar experimentalmente o fluxo hiper e de como utilizar nossas simulações computacionais.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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