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 растворенного транспорт в реках и адрес большие экологические проблемы, связанные с распространением материалов, таких как питательные вещества (например, прибрежные гипоксии 10,11). Несмотря на значимость hyporheic обмен, он часто не описано в бакалавриата в области гидрологии,механики жидкости, гидравлики и т.д. Педагоги, желающие добавить hyporheic обмен на их курсах может оказаться полезным иметь экспериментальные и численные визуализации, которые ясно показывают этот процесс.
Поток канала волнистость, прилегающих уровня грунтовых вод, а русло топография (т.е., бары, пласты, и биогенные курганы) влияют hyporheic обмен в разной степени 12-17. Это исследование сфокусировано на донных, таких как дюны и рябь, которая, как правило, ключевые особенности, влияющие на геоморфологические hyporheic поток 14,15. Мы создали численное моделирование и лабораторный эксперимент, чтобы визуализировать поток через обычный серии донных. Это моделирование основано на теле предыдущих исследований, касающихся hyporheic пути потока, чтобы легко наблюдаемые характеристики системы 15,18-21. Как это исследование формирует научную основу для моделирования, краткое описание ключевых аспектов теории следующим образом. Bedform топография, Т (х),дан кем-то:
Уравнение 1: 
где Н в два раза амплитуда bedform, К волновое, и х продольный размер параллельно средней русла поверхности. Примером такого bedform топографии показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Определения и настройки параметров контролируется пользователем. В интерфейс, трассирующие частицы высвобождаются в порядке потока-взвешенный на / интерфейс осадков воды и отслеживаются через осадка. Если шоу-путей? В "на" водяной знак TRACERS, где они были, показывая их пути. Когда Tracer возвращается к поверхности воды, это изменяет тон общее число индикаторов в системе, при повторном падение? устанавливается в положение "выключено". Совокупное участок распределение времени пребывания показывает это изменение путем построения соотношение количества индикаторов оставшихся в осадке постели начального числа как функции времени. Если повторное падение? "Включен", то индикаторы, которые оставляют систему заменены таким же образом, потока, взвешенных в исходных частиц, и совокупный участок отключена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Имя параметра | Единицы | Определение | Интерфейс | Mousedrop | ||
| Лямбда (λ) | см | Длина волны bedform (рисунок 1) </ TD> |  | | ||
| BedformHeight (Н) | см | Дважды амплитуда bedform (рисунок 1) | | | ||
| BedDepth (D) | см | Глубина осадков (рисунок 1) | | | ||
| HydrCond (К) | см / с | Гидравлическая проводимость | | | ||
| Пористость (θ) | Пористость | | | |||
| ChannelVelocity (U) | см / с | Средняя скорость в поверхностную воду или канала | | | ||
| Глубина (d) | см | Глубина воды (рисунок 1) | | | ||
| Склон (S) | Наклон донных и поверхностных вод | | ||||
| NumParticles | Число частиц выбрасывается в системе. | | ||||
| Timex (Время1, Время2 ..) | мин | Время, в котором происходит изменение цвета каждого | | |||
| Моделирование Кнопки | Определение | Интерфейс | Mousedrop | |||
| Настроить | Установите в очередной моделирование с использованием параметров, показанный | | | |||
| перейти / остановки | Начинает и останавливает моделирование | | | |||
| Шаг | Шаг Нажатие вызывает один временной шаг, чтобы пройти. Это позволяет пользователям, чтобы замедлить код и увидеть то, что происходит в 100 сек. | | ||||
| четкие пути | Очищает все, что он голубой пути частиц с экрана | | | |||
| Переход к следующему времени | Это заставляет программу работать, пока не время следующей смены цвета (Timex) | | ||||
| мыши падение | Эта кнопка должно быть установлено перед тем частицы могут быть помещены в недрах, нажав на местах в геологической среде. | | ||||
| шоу-пути? | Если шоу-путей? это "на" частицы воды оставить след синей, показывающие, где они были (рисунок 1). | | | |||
| вновь упасть? | Если повторное падение? "включен" частицы заменены в потоке взвешенного образом для каждой частицы, который выходит из системы, а общее участок не работает. Когда партияНКУ выходит из зоны hyporheic число частиц в системе, если повторно падение уменьшается? "выключено" (рисунок 1). | | ||||
Таблица 1. Параметры Hyporheic и симуляторы управления. Каждый параметр, кнопка, и ползунок, который можно регулировать пользователем, приведены в таблице наряду с определением.
В этой симуляции, два процесса вызывают скорость жидкости в слой песка. Первый из-за взаимодействия потока потока с донных. Глава скорость на границе вода / осадка, вызванного донных также приблизительно синусоидальной, и сдвинуты на четверть длины волны от самого bedform 22. Амплитуда функции головного скорость на поверхности подземного-интерфейс был аппроксимируется из измерений 16:
GE = "всегда"> Уравнение 2: 
где U- скорость поверхности воды средняя, г гравитационная постоянная, а г является глубина воды (рисунок 1). Функция скоростной напор затем определяется по формуле:
Уравнение 3: 
Эта функция головка затем может быть использована для вычисления bedform основе компонент функций подповерхностного скорости путем решения уравнения Лапласа с глубиной слоем постоянной песка 20. Второй компонент скорости поровой воды определяется по наклону системы, S, которая соответствует гравитационного градиента головки, что дает течь в направлении потока, пропорциональнойS / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> Окончательные функции для скорости поровой воды являются.:
Уравнение 4: 
Уравнение 5: 
где и продольная компонента скорости, v является вертикальной компоненты скорости, К представляет собой среднее гидравлическая проводимость осадка, средняя пористость осадков, у является вертикальная координата, а D является глубина отложений.
Отслеживание частиц моделирование были созданы, которые используют язык моделирования NetLogo и моделирования платформу 23. Два реализации (Mousedrop.nlogo и Interface.nlogo) использовать эти уравнения для моделирования Hyporheic поток с той же ядро моделирования. Основная разница заключается в начальные локации частиц трассирующими. Mousedrop позволяет пользователю разместить моделируется трассирующими в любом месте в пределах недр. Уравнения скорости недропользованию 4 и 5 используются для перемещения трассирующими красителя для имитации эксперименты инъекций. В интерфейс, трассирующими всегда помещается вдоль поверхности / подземной границы в потоке-взвешенный образом. Это имитирует доставку растворенного и взвешенного материала от поверхности воды в поровой воде, которая имеет решающее значение для понимания hyporheic обмен. Трассирующими затем переходит в недрах, пока снова не достигнет поток воды. Трассировка пути красителя в желобе и моделирования пути, используя NetLogo дает Линии тока поля течения, пока условия потока и bedform морфология период наблюдения остаются стабильными. Interface.nlogo создает совокупное распределение времени пребывания, который показывает Отношение количестватрассирующие частицы, оставшиеся в осадках в исходное числа меченых частиц, помещенных в момент времени 0, как функция времени.
Как отмечалось в недавнем обзоре 24 литературы, остается значительный дебаты в учебном научно-исследовательского сообщества о сравнительных достоинствах руки-на лабораторных экспериментов по сравнению с имитацией лабораториях и компьютерных моделей. С одной стороны, некоторые считают, что "практический опыт лежит в основе обучения" 25, и предупреждают, что экономия средств аргументы могут быть разжигании замену руки-на лабораторных деятельности по компьютерных симуляций, в ущерб студент понимание 26. С другой стороны, некоторые исследователи в области науки / инженерного образования утверждают, что моделирование по крайней мере, также эффективны, как традиционные практические занятия 27, или обсудить преимущества компьютерного моделирования-в содействии личностно-ориентированного обучения "открытие" 28. В то время как консенсус не был повторноболели многие исследователи пришли к выводу, что, в идеале, компьютерное моделирование должно дополнять, а не подменять, руки-на лабораторных экспериментах 29,30. Там были также инициативы в области науки и инженерного образования одновременно несколько физических экспериментов и реальных зондирования с компьютерного моделирования явлений; см, например, "бифокальные моделирование" 31.
Студенты могут получить более глубокое концептуальное знание и лучшего понимания научного исследовательского процесса, взаимодействуя как с физической системы, и компьютерное моделирование на основе этой системы. Эта процедура подразумевает наличие студенты выполняют транспортную эксперимент, который демонстрирует растворенного гравитационное и bedform-индуцированный поток hyporheic обмена и соответствовать их собственную экспериментальную установку и результаты с компьютерного моделирования те же явления. Это сравнение облегчает важные студенческие-результатов обучения и более глубокое обсуждение тон научный метод, и взаимодействие между модель / теории потенциала и эмпирической проверки посредством сбора данных. После выполнения этого сравнения, студенты могут также воспользоваться преимуществами моделирования компьютерной быстро изучить множество альтернативных сценариев путем изменения параметров модели.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. моделирования программного обеспечения
- Используйте программное обеспечение, описанное в этом разделе.
- 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). - Скачать два конкретных файлов сценариев моделирования (mousedrop.nlogo и interface.nlogo), которые сопровождают эту процедуру лаборатории. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
Примечание: После того, как платформа моделирования установлено и эти файлы были загружены, дважды щелкнув эти файлы автоматически открывается тон Симуляторы, готовый к запуску.
- 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).
2. Демонстрация Флум
- Настройте лабораторные желоб так, что все параметры (таблица 1) находятся в пределах ограничений диапазона параметр mousedrop моделирования.
Примечание: Ограничения могут быть скорректированы в mousedrop, если это требуется для физической системы, отредактировав ползунки.- Налейте слой примерно 15-25 см песка в желобе. Измерьте и запишите гидравлическую проводимость и пористость песка следующую стандартными методами 32,33.
- Заполните желоб с примерно 20-30 см воды.
- Начните желоб и увеличить расход до уровня, который является достаточно быстро, чтобы двигаться песчинок и, таким образом, чтобы создать пласты.
Примечание: Скорость потока может быть уточнена для уточнения bedform характеристики с практикой. Bedform размеры являются результатом расхода, глубиной воды и песка свойств. - Разрешить пласты развивать FOг 12-24 ч, чтобы сформировать естественный дюну / волновой морфологии. Чтобы ускорить этот процесс, вручную формировать регулярные дюны, а затем позволить наносов для 4-12 часов. Кроме того, вручную формировать регулярные треугольные дюны.
Примечание: Регулярные треугольные дюны даст регулярные паттерны hyporheic обмена, но не будет показывать, как много сложность, естественно дюны / пульсации донных. - После того, как желаемые пласты будут достигнуты, уменьшить расход воды до тех пор, донных отложений транспортные замедляет и bedform характеристики не остановить изменения.
- Визуально наблюдать движение наносов зерна, включающих кровать, и уменьшить поток до движения не прекращается.
Примечание: Это позволит сохранить морфологию слоем в течение всего срока эксперимента. - Чтобы подтвердить, что медленно, эпизодическая движения не происходит, знак или фотография bedform позиции и затем наблюдать на более позднее время.
Примечание: Важно лишь, что пласты существенно не перемещаются по времени эксперимента, так что обеспечиваетдостаточное время наблюдения подтвердить, что пласты являются стабильными.
- Визуально наблюдать движение наносов зерна, включающих кровать, и уменьшить поток до движения не прекращается.
- Отрегулируйте наклон водовода и / или глубины воды, чтобы достичь равномерного потока при пониженном расходе.
- Наклон канала управления через оборудование построено в желоб, как правило, либо моторизованной разъем или ручные. Отрегулируйте глубину воды, добавляя или удаляя воду из лотка.
Примечание: В экспериментальной установки здесь, весь желоб установлен на шарниром на нижнем конце, а наклон устанавливается моторизованным гнездо на входном конце. - В то время как насос работает, выберите два продольных местоположения, помеченные линий, перпендикулярных к нижней части лотка. В этих местах, использовать линейку для измерения расстояния вдоль этих линий, перпендикулярных, между поверхностью воды и нижней части лотка.
Примечание: В зависимости от настройки лотка, дно желоба может служить лучше наклонной опорной линии, чем в нижней части лотка. Выбор LARгер продольное расстояние даст большую точность. - Отрегулируйте наклон лотка и / или глубины воды и повторное измерение, пока вертикальные измерения расстояния не то же самое, чтобы добиться равномерного потока. Измерить наклонной горизонтальное расстояние вдоль нижней части лотка между этими двумя продольными местах.
- Наклон канала управления через оборудование построено в желоб, как правило, либо моторизованной разъем или ручные. Отрегулируйте глубину воды, добавляя или удаляя воду из лотка.
- Остановите насос и подождите, пока вода прекратить движение; это обеспечит ровную поверхность. Re-измерить расстояние между верхней части лотка и поверхностью воды в каждом продольном местоположении.
Примечание: Наклон канала равна разнице между этих измерений, деленное на наклонной горизонтальной расстояния между ними. - Перезапустите насос.
- Выберите раздел тестирования, которая должна быть расположение рядом с средней или ниже по течению конце лотка, где дюны, образованной регулярный узор. Убедитесь, что этот раздел охватывает, по крайней мере один полный bedform.
- Измерьте и запишите среднюю глубину осадка (D) в гоТестовый раздел электронной любой измерительной руки завещанию (прозрачные правители идеально). Для простоты, используйте среднее расстояние гребня и впадины до лотка нижней.
- Измерить и записать среднюю высоту bedform в испытательной секции, определяется как разница между глубиной осадка на гребне, а глубина осадка в корыте с помощью линейки. Измерьте несколько пласты, чтобы получить хорошую оценку в среднем.
- Снова используя линейку, измерьте и запишите среднюю глубину воды (D) в испытательной секции, определяемый как среднее расстояние от поверхности воды до слой песка. Опять же, использовать среднюю глубину воды на дюны гребнями и впадинами для простоты.
- Запишите расхода канала (Q) от расходомера, и вычислить среднюю скорость как Q / (D * W), где W является ширина лотка и d является глубина воды.
Примечание: Наша расходомера вставляется в контур рециркул ции из лотка. - Мераи записывают среднюю длину волны bedform в испытательной секции. Как правило, измерить длину волны, расстояние между последовательными гребнями дюн.
- Откройте моделирование Mousedrop (в платформе NetLogo) и убедитесь, что все измерения в переменных диапазонах, указанных в пользовательском интерфейсе моделирования. Если измеряемый параметр выходит за пределы диапазона ограничения, настроить диапазон параметров моделирования, щелкнув правой кнопкой по параметру "слайдер", выбрав пункт "Изменить", и корректировки / макс значения мин.
- Представьте hyporheic обмен.
- Установите камеру в определенном месте (желательно на штатив) отметил перпендикулярно стене лотка с одной bedform в испытательной секции центром на картинке.
Примечание: Это позволит избежать проблем наклонной точки зрения. - Сделайте пробный снимок, чтобы убедиться условия. Отрегулируйте освещение, если размышления являются проблемой.
- Использование шприца и иглы, сделать 2-3 маленький я покраситьnjections возле лотка стене. Убедитесь, что эти инъекции образуют ~ 2 см круглые пятна цветной поровой воды в различных вертикальных и горизонтальных местах. Осторожность, чтобы свести к минимуму помехи для слой песка в процессе инъекции.
Примечание: Инъекции небольших объемов красителя позволяют пользователю видеть больше деталей и просматривать отдельные пути потока. - Запишите время начала инъекций красителя и принять первоначальную картину.
Дополнительно: Это может быть образовательным проследить фронты начальные красителя с маркерами на бумаге прозрачности, так что движение краситель легко наблюдать в лаборатории, но эти очертания будет также блокировать небольшими порциями фронтов красителя в фотографии, так что есть торговыми выключен. - Захват передние краситель позиции в соответствующих интервалах времени. Для времени киносъемки, использовать 30 интервалов сек, чтобы дать гладкие результаты.
- Установите камеру в определенном месте (желательно на штатив) отметил перпендикулярно стене лотка с одной bedform в испытательной секции центром на картинке.
3. Моделирование
- Запустите моделирование 1: Mousedrop и сравнить с наблюдаемой транспорта красителя.
- Откройте сценарий моделирования имени Mousedrop.nlogo.
Рисунок 2. Mousedrop. Это показывает, где индикаторы находятся на 7 различных случаях во времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. - Отрегулируйте физические параметры системы, показанные в таблице 1, чтобы соответствовать горное ущелье экспериментальные условия (а именно: лямбда, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, пористость, ChannelVelocity, глубина, и наклон). Будьте уверены, чтобы обратить пристальное внимание на единицы при вводе входных параметров.
- Отрегулируйте ползунки TIME1, TiMe2 и т.д., чтобы указать время, когда моделирование отслеживания цвет будет меняться. Установите эти изменения цвета, чтобы соответствовать времени наблюдения для того, чтобы облегчить сравнение результатов моделирования с наблюдениями.
ЗаметкаЕсли параметры Время все установлено в 0, моделирование покажет один цвет во всем. - После того как все параметры заданы, нажмите кнопку настройки.
Примечание: bedform должен появиться в окне моделирования. - Нажмите кнопку мыши на падение, чтобы указать начальную местоположения виртуальных индикаторов. Обратите внимание, что несколько мест в постели может быть нажата. Держите мышь вниз, чтобы освободить больше виртуальной Tracer. При моделировании движения краситель, использовать мышь, чтобы либо проследить фронты красителя (граница вокруг красителя) или заполнить всю площадь окрашенной области.
Примечание: Введение больше виртуальный трассировщик будет вызывать моделирование работать более медленно. Лучшие визуальные результаты будут меняться в зависимости от производительности компьютера. - После того, как все виртуальные индикаторов были размещены, вы можете либо нажмите перейти к следующему кнопки времени, который будет начать моделирование, а затем остановить его в первый раз или вы можете нажать кнопку Go / стоп, чтобы начать сеанс одновременной игрывания на неопределенный срок. Не повторно нажмите кнопку настройки, или трассеры должны быть размещены снова.
Примечание: После того, как моделирование начинает работать, скорость рассчитывается для расположения каждого индикатора на основе параметров моделирования в уравнениях 4 и 5. трассирующие движется в соответствии с полем скоростей на 100 моделируемых секунд, а затем скорость на новом месте рассчитывается и процедура повторяется до тех пор трассировщик не покидает систему. - При желании, нажмите кнопку / стоп идут несколько раз, чтобы приостановить / продолжить моделирование. Сравнить распределения моделируемых и измеренных красителей в различных точках времени.
- Откройте сценарий моделирования имени Mousedrop.nlogo.
- Запустите моделирование 2: Интерфейс.
- Откройте сценарий под названием Интерфейс.
Рисунок 3. Интерфейс. Это показывает, 370 индикаторов, проходящие через недр с помощью симуляции интерфейса. Трассирующими годовыхтыс показать, где каждый трейсер был, поскольку он был запущен на поверхности воды подземной интерфейса. В конце концов все пути потока должно вернуться к поверхности воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Примечание: Этот сценарий представляет виртуальных индикаторов на поверхности русла потока в-взвешенный образом на основе рассчитанных подземных скоростей. Это дает наглядное представление относительных количеств воды впадающих в (и из) русла в различных местах. - Начните с нажатия установки с последующим Go / остановки.
Примечание: Это будет запустить моделирование с настройками по умолчанию. Переключатель повторного падения? Изначально выключен, так что кумулятивное распределение времени пребывания будет построена, как проходит время. - После наблюдения за симуляцию с параметрами по умолчанию, нажмите пойти / остановить, чтобы остановить симуляцию.
Примечание: Это будет перезагрузить моделирования с, что были выбранным параметрам. - Откройте сценарий под названием Интерфейс.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative 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. В целом модель делает превосходную работу по завоеванию движение окрашенных воды на этом интервале времени. Клякса в первую очередь краситель, расположенный на подветренной стороне bedform, выходит отложения в обоих модельных и экспериментальных систем. Вторые удлиняется и проходит вниз образуя форму полумесяца, как она распространяется, так что некоторые из индикатора выходит ниже по потоку от исходного местоположения и некоторые вверх по течению. Клякса в прошлом краситель распространяется вверх по течению, и некоторые из индикатора путешествует глубже в отложениях. Это показывает, что обмен происходит hyporheic под донных и закономерности hyporheic потока обмена относятся к bedform геометрию. Сильный соглашение между моделирования и эксперимента подтверждает модельных уравнений до уровня первого порядка. Эта процедура также ясно показывает, что hyporheic обмен является существенным процессом, который весы с размером bedform, и что почти половина поровой воды течет вверх под донных. При ближайшем рассмотрении, однако, небольшие различия можно увидеть между наблюдаемой и транспорта моделируемой красителя. Моделирование является более гладкой, чем картины фактического красителя и не распространяется, как глубоко в осадок. Эти расхождения являются результатом сочетания ошибок измерений и второго порядка физических эффектов, возникающих от геометрии нерегулярных bedform, изменчивости осадков упаковки и т.д., как описано в таблице 2.
4 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 53285 / 53285fig4.jpg "/>
Рисунок 4. Сравнение лотка красителей фронты в моделировании. Краска вводили в желобе и фотография была сделана во время 0. трассеры были помещены в недрах с использованием Mousedrop в тех же местах, как краситель. Трейсеры затем переехал на 34,2 моделирования минут и моделирование затем по сравнению с принятым 34,2 картинке мин после первоначального изображения. Модели, наблюдаемые на красителях и моделирование сравнить также на более позднее время. Есть некоторые расхождения, связанные с пространственными изменениями в области потока, который не захвачен модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Общие источники расхождений | ожидаемый результат | |
| Фактический глава профиль разнERS от предполагаемой синусоидальной кривой | Асимметрия в потоке поровой воды под bedform | |
| Нерегулярные серии донных | Потенциальные отклонения в поля течения на месте наблюдения | |
| На вашем осадок глубина слоя | Вертикальное сжатие профиль поровой воды | |
| Неравномерное (т.е., нестационарных) течь над кроватью | Дополнительные компоненты высота головы, что накладывают дополнительный компонент поровой воды потока (например, увеличение асимметрии циркуляции вода в поре клетки под bedform.) | |
| Неоднородность в упаковке отложения | Пространственная изменчивость в поровой воде потока (пятна отложений с высоким и низким скорости) | |
| Значительное нарушение отложений при введении красителя | Краска-релиз вертикально через вч инжекции дырок | |
| Использование без водорастворимой краски или недостаточного растворения или смешивания красителя перед инъекцией | Объединение красителя в поровой воде, неравномерной поровой воды транспорта или медленной мобилизации красителя из мест инъекций. | |
| Неточные измерения (часто из-за единиц) | Это может привести к неправильным результатам резко | |
| Предполагаемый отсутствие дисперсии в моделировании | Некоторые расширение форм красителей | |
Таблица 2. Источники расхождения между наблюдений и моделирования. Список общих источников ошибки перечислены в этой таблице.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 углубленным презентации речных гидравлики, наносов и механики hyporheic обмен , Независимо от уровня, использование этой простой модели визуализации в виде интерактивных технологий позволяет студентам сформировать глубокое понимание этих сложных и важных явлений, чем будет достигнута через абстрактной теории и дискуссии.
При использовании этих методов, различия между физической системы и simulatiна не следует рассматривать как "ошибок", но вместо этого как "доступный момент", т.е. отправной точкой для обсуждения, что в конечном счете приведет к большей обучения. Студенты должны быть во главе рассмотреть ряд вопросов, в том числе: Каковы все источники ошибок (в модели, измерениях, а лабораторная процедура)? Какие из них потенциально может способствовать несоответствие между моделирования и наблюдений? Что упрощает предположения были сделаны в формулировке модели? Насколько важны небольшие расхождения, и они делают модель "неправильно"? Как статистик Джордж Коробка классно сказал, "По сути, все модели неверны, но некоторые из них полезны." 34 хорошая научная модель фиксирует определенные существенные черты системы, что приводит к лучшему пониманию, в то время как она не учитывает данные, которые являются менее актуальны к вопросу под рукой. Это лотка лабораторный эксперимент и сопровождение simulatioн обеспечить прекрасное исследование для студентов в понимании сильные и слабые стороны модели и экспериментального метода. Таким образом, не только студенты приобретают большую беглость с основными понятиями hyporheic обмена и растворенного транспорта, но они узнали о взаимодополняющих отношений (и иногда сложного взаимодействия) между теорией потенциала и сбора данных, между компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов. Кроме того, эта связь из лаборатории и моделирование способствует развитию важных навыков метакогнитивных 35 о том, как знание приобретается через научно исследовательского процесса, путем опроса, что мы знаем и как мы ее знаем. Растущее число исследований свидетельствует об эффективности преподавания метакогнитивных (ака высшего порядка мышления) навыков 36-38.
Есть множество причин для отклонения между наблюдаемыми и моделируемых трассирующих траекторий. Чрезмерное боковое движение изиглы во время инъекции создаст льготную путь потока в песке, что позволяет избежать краситель непосредственно в толще воды. Наши уравнения скорости не включают в поперечном или продольном дисперсии. В желобе, геометрия bedform более асимметричным, чем идеализированной синусоиды определенной при моделировании. Отложения никогда не полностью однородная; изменения в упаковке и размеров отложений влияет на местную гидравлическую проводимость и пористость. В то время как это все для минимизации миграции bedform путем уменьшения скорости насоса водовода, прежде чем инъекции красителей, некоторые миграция может еще произойти. Bedform миграции изменяет положение bedform гребня по отношению к закачиваемой красителя, тем самым изменяя подповерхностных гидродинамику. Экспериментальные flowpaths будет поэтому всегда отличаются от моделирования, но общая картина движения индикаторного не должно измениться. В условиях эксперимента, используемых здесь, существует сильная соглашение между результатами моделирования и потока наблюдается красителя. Сложения и NAL сложности, такие как осадок неоднородности, фрактальной bedform топографии, разгрузки подземных вод, трехмерной топографии, поток крест-канала, и временных вариаций в потоке потока происходят во многих природных систем. Методы трассирующие краситель, описанные здесь, могут быть использованы для изучения влияния этих процессов через подходящее модификации лотка настройки эксперимента. Этот подход может быть использован для исследований, а также в учебных целях, а визуализация потока обычно используется для проверки гипотез о процессах управления, а также может быть использована для расчета материальных потоков и баланса массы, например hyporheic потоков обмена между потоком и осадка постели 21. Методы Краска трассирующими, похожие на те, что описаны здесь, были использованы для определения влияния русла морфологии, осадка неоднородности, разгрузки подземных вод, и перезарядить на hyporheic обмен, а также для оценки связанных с ними процессов, таких как вода в поре потоков, вызванных волнами 39-42.
Содержание "> В то время как простая модель потока используется здесь продемонстрировали достаточно точное воспроизведение hyporheic потока при тщательно контролируемых лабораторных условиях, его использование в моделировании сложных природных систем ограничена. Наши сценарии были написаны на языке программирования NetLogo здесь, прежде всего, в качестве учебного пособия, потому что он обеспечивает простой, бесплатный и с открытым исходным кодом на базе агентов платформу моделирования, и потому, что она поддерживает отличные визуализации и легко манипулировать пользователя входных параметров, которые облегчают обучения. Другие подходы были разработаны, чтобы имитировать hyporheic обмен с более сложной геометрией системы 14 , 20 и осадок структура 43,44. Разнообразие инструментов бесплатно / с открытым исходным кодом (например, Modflow) и коммерческие программные пакеты (например, COMSOL) использовать конечное значение и методы конечных элементов, которые могут быть полезны при моделировании hyporheic поток под более сложной геометрии и с подземной неоднородности 15,45-48.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Flume | Engineering Laboratory Design | Custom | Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours. Alternatively a small teaching flume can be constructed for under 300 dollars following the guidelines provided in our supplementary materials. |
| Flowmeter | Rosemount | 8800 vortex | This is located inside the recirculation loop of the flume |
| Sand | US. Silica | F30 | Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume |
| Dye | Samples from food companies | Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution. Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol.) | |
| Syringe | HSW | 4100.000V0 | 5-10 ml, e.g. HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe |
| Pipetting Needle | Cadence Science | 7942 | 14-gage, 6-in blunt end, to inject the dye deep into the sand. |
| Digital Camera | Any | Digital camera with steady tripod. (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.) We used a Nikon D7000. | |
| Ruler | Any | Transparent is best. | |
| Measuring Tape | Any | ||
| Netlogo Software | 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 |
References
- Huettel, M., Webster, I. T. Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).
- Bencala, K. E., Walters, R. A. Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream - a Transient Storage Model. Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).
- Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
- Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana. Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).
- Fuller, C. C., Harvey, J. W. Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona. Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).
- Jones, J. B., Mulholland, P. J. Streams and Ground Waters. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).
- McKnight, D. M., et al. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity. Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).
- Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
- Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
- Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA. Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).
- Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos. Coast Est S. 58, 211-240 (2001).
- Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
- Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
- Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model. Water Resour Res. 48, (2012).
- Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Wörman, A., Salehin, M., Packman, A. I. A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders. Water Resour Res. 46, (2010).
- Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield. Geophys Res Lett. 34, (2007).
- Tonina, D., Buffington, J. M. A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat. Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).
- Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
- Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments. Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).
- Wörman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography. Geophys Res Lett. 33, (2006).
- Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms. Wat Resour Res. 48, (2012).
- Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
- Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
- Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
- Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
- Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
- Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation. Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).
- Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
- Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
- Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
- 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).
- Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
- Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
- Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. , John Wiley & Sons. (1987).
- Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906 (1979).
- Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).
- Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
- Zohar, A., Ben David, A. Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component. Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).
- Fox, A., Boano, F., Arnon, S. Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms. Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).
- Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
- Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
- Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
- Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange. Water Resour Res. 40, (2004).
- Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
- Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
- Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
- Tonina, D., Buffington, J. M. Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling. Water Resour Res. 43, (2007).
- Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , US Geological Survey. Reston, VA, USA. (2000).
