Визуализация Hyporheic поток через пласты Использование Dye эксперименты и моделирование

Summary

В этой рукописи описывается, как создать правильные формы слоя в лотке, визуализировать поток через формы слоя и использовать компьютерное моделирование для моделирования гипорейного потока. Компьютерное моделирование хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями. Это сопряженное моделирование и эксперимент хорошо подходят как для исследовательских, так и для образовательных целей.

Abstract

Адвективная обмен между порового пространства осадков, а в столбце вышележащих воды, называемой hyporheic обмен в речных условиях, приводы растворенного транспорт в реках и многих важных биохимических процессов. Для улучшения понимания этих процессов через наглядной демонстрации, мы создали имитацию hyporheic потока в многоагентных компьютерного моделирования платформы NetLogo. Моделирование показывает, виртуальный трассирующими протекающей через русла, покрытые двумерных донных. Засыпные, расхода и bedform характеристики используются в качестве входных переменных для модели. Проиллюстрируем, как эти модели соответствуют экспериментальные наблюдения от лаборатории водопропускных экспериментов на основе измеренных входных параметров. Краситель вводится в водопропускных осадков визуализировать поток поровой воды. Для сравнения виртуальные частицы трассирующими размещаются в тех же местах в симуляции. Это в сочетании моделирование и лабораторный эксперимент был успешно использован в студентов и graduaТе лаборатории непосредственно визуализировать река-поровой воды взаимодействий и показать, как моделирование потока физически, основанные может воспроизводить экологические явления. Студенты сфотографировали слой через прозрачные стенки лотка и сравнили их с формами красителя в то же время в процессе моделирования. Это привело к очень похожих тенденций, которые позволили студентам лучше понять и закономерности течения и математическую модель. Моделирование также позволяет пользователю быстро визуализировать влияние каждого входного параметра, выполнив несколько моделирования. Этот процесс также может быть использован в исследовательских целях, чтобы проиллюстрировать основные процессы, относятся межфазных потоков и поровой воды транспорта, и поддерживать количественный моделирование процессов на основе.

Introduction

Как поверхностных водных движется в потоке, реку или приливной зоне создает головные градиенты, которые управляют воды в и из отложений ^1. В речных систем часть русла отложений, где этот обмен происходит известен как hyporheic зоны ^2,3. Эта зона является важным, поскольку многие питательные вещества и загрязнители хранятся, хранение, или превращается в hyporheic зоны ^4-9. Количество времени трассирующими проводит в осадке называется время пребывания. Оба раза на жительство и расположение протоков влияют на процессы трансформации. Более глубокое понимание процессов, затрагивающих потока через осадка необходимо, чтобы предсказать раство....

Protocol

1. моделирования программного обеспечения

1. Используйте программное обеспечение, описанное в этом разделе.
   1. Скачать и установить бесплатную / с открытым исходным кодом многоагентная язык моделирования и моделирования платформу, NetLogo (Доступно: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/~~HEAD=dobj, версии 5.1 или более поздней версии).
      Примечание: Это программное обеспечение доступно бесплатно и работает на всех основных операционных систем (Windows / Mac / Linux).
   2. Скачать два конкретных файлов сценариев моделирования (mousedrop.nlogo и interface.nlogo), которые сопровожд....

Results

Использование моделирования в сочетании с экспериментами позволяет студентам наблюдать сходства и различия между идеализированным математических моделей и более сложных реальных систем. Рисунок 4 показывает пример сравнения красителей фотографии впрыска с Mousedrop моделирования. Начальное фотография используется для определения расположения индикаторного моделируемой красителя в нулевой момент времени, а затем запустить моделирование 34,2 мин и по сравнению с фотографией, сделанной в то время........

Discussion

В сочетании, эти водотоки демонстрационные и отслеживания частиц моделирование обеспечивает всестороннее введение в hyporheic потока для широкой аудитории. Участники всех уровней при условии, визуальное свидетельство для возникновения hyporheic обмен индуцированной донных и сильной изменчивости в пути подземных потоков под донных. Эти процедуры могут быть использованы в качестве простой демонстрации поровой воды потока для студентов или K-12 студентов, или он может быть использован в аспирантуре в сочетании с более углу.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Проектирование лаборатории	изготовлению	лотков	Специальный лабораторный лоток с прозрачными сторонами в течение 24-48 часов. В качестве альтернативы можно построить небольшой учебный лоток менее чем за 300 долларов, следуя рекомендациям, представленным в наших дополнительных материалах.
Расходомер	Rosemount	8800 vortex	Он расположен внутри контура рециркуляции лотка
Песок	США. Диоксид кремния	F30	Исследовательский песок для образования слоя глубиной 10-20 см по всему лотку
Образцы красителя	от пищевых компаний		Водорастворимый пищевой краситель, приготовленный в водный раствор. Лучше всего подходят темные цвета, такие как красный, синий и зеленый. (Избегайте пищевых красителей в пропиленгликоле.)
Шприц	HSW	4100.000V0	5-10 мл, e.g. HSW Norm-Ject 2-компонентный одноразовый шприц
Пипетирующая игла	Cadence Science	7942	14-gage, 6-inch тупой конец,  для введения красителя глубоко в песок.
Цифровая камера	Любая		цифровая камера с устойчивым штативом. (Покадровые камеры можно использовать для быстрого сбора равномерно распределенных данных.) Мы использовали Nikon D7000.
Лучше всего подойдет	линейка	Any
Измерительная лента	любое
программное обеспечение Netlogo	CCL		http://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogo	Netlogo	Commons 4259	http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogo	Netlogo Commons	4258	http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258