Yöntem makalesi

Boya Deneyler ve Simülasyonu kullanarak yatak oluşumları sayesinde Hyporheic Akışı görselleştirme

11.9K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/53285

⸱

18 Kasım 2015

 ,  ,  , 
1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College

Bu makalede

Özet

Bu el yazması, bir kanalda düzenli yatak formlarının nasıl oluşturulacağını, yatak formlarından nasıl akışın görselleştirileceğini ve hiporeik akışı simüle etmek için bilgisayar simülasyonlarının nasıl kullanılacağını açıklar. Bilgisayar simülasyonları, deneysel gözlemlerle iyi bir şekilde karşılaştırılır. Bu birleştirilmiş simülasyon ve deney, hem araştırma hem de eğitim amaçları için çok uygundur.

Özet

Akarsu ortamlarında hyporheic değişim denilen sedimanlar gözenek alanı ve örten su sütunu arasındaki Advektif değişimi, nehirler ve birçok önemli biyokimyasal süreçlerde çözünen taşıma sürücüleri. Görsel gösteri ile bu süreçlerin anlaşılmasını artırmak için, multi-ajan bilgisayar modelleme platformu NetLogo bir hyporheic akış simülasyonu oluşturdu. Simülasyon iki boyutlu yatak oluşumları ile kaplanmış bir dere akan sanal izleyici gösterir. Tortu, akış ve sediment özellikleri modeli için girdi değişkenleri olarak kullanılır. Biz bu simülasyonlar ölçülen girdi parametreleri dayalı laboratuvar kanalet deneyler deneysel gözlemlerini maç nasıl göstermektedir. Boya gözenek suyu akışını görselleştirmek için kanalet sedimanlar enjekte edilir. Karşılaştırma için sanal izleyici parçacıkları simülasyon aynı yerlere yerleştirilir. Bu birleştiğinde simülasyon ve laboratuar deneyi lisans ve gradua de başarıyla kullanılmaktadırte laboratuarlar doğrudan nehir gözenek suyu etkileşimleri görselleştirmek ve fiziksel tabanlı akış simülasyonları çevresel fenomenleri üretebileceği nasıl göstermek için. Öğrenciler şeffaf oluklu duvarlarından yatağın fotoğraflarını aldı ve simülasyon aynı zamanlarda boya şekilleri karşılaştırıldı. Bu öğrencilerin daha iyi akış modelleri ve matematiksel model hem de anlamak için izin çok benzer trendler, sonuçlandı. Simülasyonlar da kullanıcının hızlı çoklu simülasyonlar çalıştırarak her giriş parametresi etkisini görselleştirmek için izin verir. Bu işlem, aynı zamanda ara yüzey akışına ve gözenek suyu taşıma ilgili temel işlemleri açıklamaktadır ve sayısal işlem tabanlı modelleme desteklemek için araştırma uygulamalarında kullanılabilir.

Giriş

Yüzey suyu akımında hamle, nehir veya gelgit bölgesi olarak, içine ve sedimanlar 1 su dışarı götürmek baş gradyanlar oluşturur. Akarsu sistemlerinde bu değişim meydana dere sedimanlar kısmı hyporheic bölge 2,3 olarak bilinir. Birçok besin ve kirleticiler, saklanan tevdi veya hyporheic bölge 4-9 içinde dönüşür çünkü bu bölge çok önemlidir. Bir izleyici tortu harcadığı zaman miktarı kalma süresini denir. Hem kalış süreleri ve akış yollarının yerleri dönüşüm süreçlerini etkiler. Sediment akışını etkileyen süreçlerin daha iyi anlaşılması nehirlerde çözünen taşıma tahmin ve besin (örn kıyı hipoksi 10,11) gibi malzemelerin yayılması kaynaklanan büyük çevre sorunları çözmek için gereklidir. Hyporheic değişim önemli olmasına rağmen, genellikle hidrolojide ders programı açıklanmamış olan,Onların kurslara hyporheic alışverişi eklemek isteyen sıvısı vb mekaniği, hidrolik, Eğitimciler yararlı, bu süreci açıkça gösteren deneysel ve sayısal görselleştirme var bulabiliriz.

Akış kanalı sinuosity, çevredeki yeraltı suyu seviyeleri ve dere topografi (yani, barlar, yatak oluşumları ve biyojenik höyük) Tüm değişen derecelerde 12-17 kadar hyporheic alışverişini etkiler. Bu çalışma böyle genellikle hyporheic akışı 14,15 etkileyen kilit jeomorfolojik özellikleri şunlardır tepeleri ve dalgalanmalar gibi yatak oluşumları, üzerinde duruldu. Biz yatak oluşumları düzenli dizi akışını görselleştirmek için bir sayısal simülasyon ve laboratuar deneyi yarattı. Bu simülasyon hyporheic akış yolları kolayca gözlemlenebilir sistem özellikleri 15,18-21 ilişkin daha önceki araştırmaların bir gövde dayanmaktadır. Bu araştırma simülasyonu için bilimsel bir arka plan oluşturur gibi, teorinin temel yönlerini kısa bir özeti izler. Yatak oluşum topografisi, t (x),ile elde edilir:

Denklem 1:
figure-introduction-1

H kez sediment genliği burada, k, dalga sayısı ve x, ortalama dere yüzeyine uzunlamasına boyutu paraleldir. Bu sediment topografya bir örnek, Şekil 1 'de gösterilmiştir.

figure-introduction-2
Şekil 1. Parametre tanımları ve ayarlar kullanıcı tarafından kontrol edilir. Interface, izleyici partikülleri su / sediman arayüzünde bir akı ağırlıklı biçimde yayımlanan ve sediment ile takip ettik. Show-yolları ise? Su izleyiciler işareti "konulu" Onlar, kendi yollarını gösteren edilmiştir nerede. Bir izleyici yüzey suyuna döndüğünde, bu t değiştirirbırak yeniden zaman o sistemdeki izleyiciler toplam sayısı? "kapalı" olarak ayarlanmış. Kümülatif bekleme süresi dağılımı arsa zamanın bir fonksiyonu olarak ilk sayısını tortu yatak kalan izleyicilerin sayısı oranı grafiğinin çizilmesiyle bu değişiklik gösterir. Yeniden açılan olur? O sistemi terk izleyiciler orijinal parçacıklar aynı akı ağırlıklı bir şekilde değiştirilir ve birikimli arsa devre dışı "konulu" dir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Parametre Adı Birimler Tanım Arayüz Mousedrop
Lambda (λ) cm Sediment ve Dalgaboyu (Şekil 1) figure-introduction-3figure-introduction-4
BedformHeight (H) cm İki kez sediment genlik (Şekil 1) figure-introduction-5figure-introduction-6
BedDepth (D) cm Sedimanlar Derinliği (Şekil 1) figure-introduction-7figure-introduction-8
HydrCond (K) cm / sn Hidrolik İletkenlik figure-introduction-9figure-introduction-10
Gözeneklilik (θ) Gözeneklilik figure-introduction-11figure-introduction-12
ChannelVelocity (U) cm / sn Yüzey suyu veya kanalda ortalama hız figure-introduction-13figure-introduction-14
Derinlik (d) cm Su derinliği (Şekil 1) figure-introduction-15figure-introduction-16
Yamaç (S) Yatak oluşumları ve su yüzeyi eğimi figure-introduction-17 figure-introduction-18
NumParticles Parçacıkların sayısı sistemine yayımladı. figure-introduction-19
Timex (Süresi1, Süresi2 ..) dk Her renk değişimi meydana geldiği zamanı figure-introduction-20
Simülasyon Düğmeler Tanım Arayüz Mousedrop
Kurmak Gösterilen parametreler kullanılarak simülasyon 's kurmak figure-introduction-21figure-introduction-22
dur / go Başlatır ve benzetim durur figure-introduction-23figure-introduction-24
Adım Adımı tıklamak geçmek için bir kez adım olur. Bu, kullanıcıların kod yavaşlatmak ve 100 saniyede ne olur tam olarak görmenizi sağlar. figure-introduction-25
açık yollar Ekranından tüm o mavi parçacık yolları temizler figure-introduction-26figure-introduction-27
Bir sonraki zaman Advance Bu sonraki renk değişimi zamanına kadar (Timex) çalışmasına programın nedenfigure-introduction-28
Fare bırak Parçacıklar yeraltında yerle ilgili tıklayarak yeraltında yerleştirilebilir önce Bu düğme tıklandığında gerekir. figure-introduction-29
show-yollar? Show-yolları ise? su tanecikleri olmuştur mavi gösteren bir iz bırakmak "açık" olduğu (bakınız Şekil 1). figure-introduction-30figure-introduction-31
yeniden açılan? Yeniden açılan Eğer? parçacıklar sistemini çıkar her parçacığın, bir akı ağırlıklı bir şekilde değiştirilir ve birikimli arsa çalışmıyor "konulu" dir. Ne zaman bir particle sistemindeki parçacık sayısı yeniden açılan varsa azalır hyporheic bölge çıkar? "kapalı" dır (Şekil 1). figure-introduction-32

Kullanıcı tarafından ayarlanabilir Tablo 1. Hyporheic Parametreler ve Simülasyon Kontrolleri. Her parametre, düğme ve kaymak tanımı ile birlikte bu tabloda verilmiştir.

Bu simülasyonda, iki işlem kum yatakta akışkan hızı neden olur. İlk yatak oluşumları sahip bir akım akışının etkileşimlerine bağlıdır. Yatak oluşumları tarafından uyarılan su / sediman arayüzünde hız başkanı da yaklaşık sinüs ve sediment kendisi 22 çeyrek dalga boyu kaymıştır. Yüzey altı arayüzünde hız kafa fonksiyonunun genlik 16 olarak ölçümlerden yaklaştırılmış edilmiştir:

ge = "always"> Denklem 2:
figure-introduction-33

U ortalama yüzey suyu hızıdır, g yerçekimi sabiti ve d (Şekil 1 'de gösterildiği gibi), su derinliğidir. Hız kafa işlevi sonra verilir:

Denklem 3:
figure-introduction-34

Bu kafa fonksiyonu daha sonra sabit bir kum yatağı derinliği 20 Laplace denklemi çözerek altı hızı fonksiyonlarının sediment bazlı bileşen hesaplamak için de kullanılabilir. Gözenek suyu hızının ikinci bileşen verimleri ile orantılı devamı doğrultusunda akan bir yerçekimsel kafası gradyanı tekabül sistemi, S eğimi tarafından belirlenirs / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> gözenek suyu hızı için son fonksiyonlar.:

Denklem 4:
figure-introduction-35

Denklem 5:
figure-introduction-36

u uzunlamasına hız bileşeni olduğu, v, y dikey koordinat, düşey hız bileşeni, K, sediment ortalama hidrolik iletkenlik sedimanlar ortalama gözeneklilik olduğunu ve D çökelleri derinliğidir.

NetLogo modelleme dili ve simülasyon platformu 23 kullanmak oluşturulan parçacık izleme simülasyonları. İki uygulamaları (Mousedrop.nlogo ve Interface.nlogo) Hyp modellemek için bu denklemleri kullanmakAynı simülasyon çekirdekli orheic akışı. Temel fark izleyici parçacıkların başlangıç ​​konumları olduğunu. Mousedrop kullanıcı herhangi bir yerde yeraltı içinde simüle izleyici yerleştirmek için izin verir. Yeraltı hız denklemleri 4 ve 5 boya enjeksiyon deneyleri simüle etmek izleyici taşımak için kullanılır. Arayüz olarak, izleyici her zaman akı ağırlıklı bir şekilde yüzey / yeraltı sınır boyunca yerleştirilir. Bu hyporheic değişimi anlamak için çok önemlidir gözenek suyu, içine yüzey suyundan çözülmüş ve süspansiyon halindeki malzemenin teslim taklit eder. Tekrar dere suyunu ulaşıncaya kadar izleyici sonra yeraltı içinde hareket eder. Oluklu boya yolları Takip ve NetLogo kullanarak yolları taklit akış alanının akıcılık verir, sürece akış koşulları ve sediment morfolojisi gözlem döneminde sabit kalması olarak. Interface.nlogo gösteren bir kümülatif bekleme süresi dağılımı oluşturur sayısına oranızamanın bir fonksiyonu olarak zaman 0 yerleştirilmiş izleyici parçacıkların başlangıç ​​sayısı sedimanlarda kalan iz parçacıklar.

Son literatür taraması 24 tartışıldığı gibi, eller simüle laboratuarları ve bilgisayar modelleri karşı laboratuvar deneyleri göreli yararları hakkında eğitim araştırma toplum içinde önemli bir tartışma süregelmektedir. Bir yandan bazı 25 "hands-on deneyimi öğrenme kalbidir" ve hissediyorum maliyet tasarrufu argümanlar aleyhine, eller bilgisayar tabanlı simülasyonları ile laboratuar faaliyetleri değiştirilmesi yakıt olabileceğini dikkat Öğrenci anlayışı 26. Öte yandan, fen / mühendislik eğitiminde bazı araştırmacılar simülasyonları geleneksel laboratuvarlar 27 eller en az kadar etkili olduğunu iddia ya da öğrenci merkezli "keşif öğrenme" 28 güçlendirmede bilgisayar simülasyonu yararları tartışmak. Fikir birliği yeniden edilmemiş olsa daağrıyordu, pek çok araştırmacı, ideal, bilgisayar simülasyonları laboratuvar deneylerinde 29,30 hands-on, ek, yerine yerini gerektiğini sonucuna varmışlardır. Ayrıca bilim ve mühendislik eğitiminin içinde girişimler olmuştur eşzamanlı birkaç fiziksel deney ve fenomenlerin bilgisayar simülasyonları ile algılama gerçek dünya; bakınız, örneğin, "bifokal modelleme" 31.

Öğrenciler daha derin bir kavramsal bilgi ve fiziksel sistemi ve bu sistemin bir bilgisayar tabanlı simülasyon hem de etkileşerek bilimsel araştırma sürecinin bir anlayışa olabilir. Bu prosedür öğrencilerin yerçekimsel ve sediment kaynaklı hyporheic değişim akışını gösteren bir çözünen taşıma deneyi gerçekleştirmek zorunda içerir ve aynı olayların bir bilgisayar simülasyonu kendi deney düzeneği ve sonuçları maç. Bu karşılaştırma önemli öğrenci öğrenme çıktılarını ve t daha derin bir tartışma kolaylaştırırO bilimsel yöntem ve model / teori kurma ve veri toplama yoluyla ampirik doğrulama arasındaki etkileşim. Bu karşılaştırma yaptıktan sonra, öğrenciler de hızla model parametrelerini değiştirerek alternatif senaryolar çok sayıda keşfetmek için bilgisayar tabanlı simülasyon faydalarından yararlanabilirsiniz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Simülasyon Yazılımı

  1. Bu bölümde tarif edilen yazılım kullanın.
    1. (: Mevcut özgür / açık kaynak kodlu multi-ajan modelleme dili ve simülasyon platformu, NetLogo indirin ve yükleyin http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, sürüm 5.1 veya üstü).
      Not: Bu yazılım hiçbir ücret ödemeden mevcuttur ve tüm önemli işletim sistemleri (Windows / Mac / Linux) üzerinde çalışır.
    2. Bu laboratuvar prosedürü eşlik iki özel simülasyon komut dosyalarını (mousedrop.nlogo ve interface.nlogo) indirin. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      Not: simülasyon platformu yüklenir ve bu dosyalar indirildiğinde, çift tıklatarak bu dosyaları otomatik olarak açar tO çalışmaya hazır, yukarı simülasyonları.

2. Flume Gösteri

  1. Tüm parametreler (Tablo 1) mousedrop simülasyon parametre aralığı kısıtlamaları dahilinde, böylece laboratuar oluklu ayarlayın.
    Not: sürgü düzenleyerek fiziksel sistem için gerekirse kısıtlar, mousedrop ayarlanabilir.
    1. Kanalet içine kum yaklaşık 15-25 cm bir tabaka dökün. Tedbir ve standart yöntemler 32,33 aşağıdaki kum, hidrolik iletkenlik ve gözenekliliği kaydedin.
    2. Suyun yaklaşık 20-30 cm oluklu doldurun.
    3. Oluklu başlatın ve yatak oluşumları oluşturmak için ve böylece kum taneciklerinin taşımak için yeterince hızlı bir seviyeye akış hızını artırır.
      Not: akış hızı daha başka bir tecrübesine sediment özelliklerini geliştirmek için ayarlanabilir. Yatak oluşum boyutları akış oranı, derinlik ve kum özelliklerinin bir sonucudur.
    4. Yatak oluşumları fo geliştirmeye olanak sağlarr 12-24 saat doğal dune / dalgalanma morfolojisi oluşturmak için. El, bu süreci hızlandırmak düzenli tepeleri şekil ve ardından 4-12 saat sediment taşınımı izin vermek için. Seçenek olarak ise, muntazam üçgen tepeleri oluşturur.
      Not: Düzenli üçgen tepeleri hyporheic değişim düzenli kalıplarını verecektir, ancak doğal kumul / dalgalanma yatak oluşumları kadar karmaşıklık göstermez.
    5. İstenilen yatak oluşumları ulaşıldığında yatak sediman taşıma yavaşlatır ve sediment özellikleri değişen durdurana kadar, su debisini azaltır.
      1. Görme yatağını içeren sediment tanelerinin hareketini gözlemlemek ve hareket sona erene kadar akışını azaltmak.
        Not: Bu deney süresince yatak morfolojisi koruyacaktır.
      2. O yavaş epizodik hareketi meydana gelmiyor onaylamak işareti veya fotoğraf sediment pozisyonları ve ardından daha sonraki bir zamanda gözlemlemek.
        Bu yatak oluşumları deney zaman çerçevesi içinde önemli ölçüde hareket etmiyor sadece önemli olduğunu, böylece sağlar Not:yeterli bir gözlem süresi yatak oluşumları kararlı olduğunu onaylayın.
    6. Indirgenmiş akış hızının altında üniforma akışını sağlamak için oluklu eğim ve / veya su derinliğini ayarlayın.
      1. Ekipmanları ile kontrol kanalı yamaç kanalet, tipik bir motorlu jack veya el-krank ya içine inşa edilmiştir. Ekleme veya oluklu su çıkararak suyun derinliğini ayarlayın.
        Not: Burada kullanılan deney düzeneği, tüm oluklu alt ucunda bir mil üzerine monte edilir ve eğim üst baş ucunda bir motorlu kriko tarafından ayarlanır.
      2. Pompa çalışırken, kanalet dibine dik çizgilerle işaretlenmiş iki uzunlamasına yerleri seçin. Bu lokasyonda, su yüzeyi ve oluklu alt kısmı arasında, bu dik çizgiler boyunca mesafeyi ölçmek için bir cetvel kullanımı.
        Not: flume kurulumuna bağlı olarak, kanalet alt kanalet alt daha iyi bir eğimli referans çizgisi olarak hizmet edebilir. Bir LAR seçmeger boyuna mesafe daha fazla doğruluk verecektir.
      3. Dikey mesafe ölçümleri üniforma akışını sağlamak için aynı olana kadar kanalet ve / veya su derinliği ve yeniden ölçü eğimini ayarlayın. Bu iki boyuna yerleri arasında kanalet alt kısmı boyunca eğimli yatay mesafeyi ölçün.
    7. Pompayı durdurun ve hareketli durdurmak su için beklemek; Bu bir yüzey sağlayacaktır. Her uzunlamasına konumda oluklu üst ve su yüzeyi arasındaki mesafeyi yeniden ölçülür.
      Not: Kanal eğimi aralarındaki eğimli yatay mesafe bölü Bu ölçümler arasındaki fark, eşittir.
    8. Pompayı yeniden başlatın.
    9. Kumullar düzenli desen oluşturmuşlardır kanalet orta veya alt ucuna yakın bir yerde olması gereken bir test bölümüne seçin. Bu bölümde en az bir tam sediment kapsar emin olun.
    10. Tedbir ve th ortalama sediment derinliği (D) kayıtHerhangi bir elle ölçüm vasiyetle e testi bölümü (saydam yöneticiler idealdir). Kolaylık olması açısından, flume altına bir kret ve çukur ortalama mesafeyi kullanın.
    11. Tedbir ve bir cetvel ile bir çukur bir sorguç da sediman derinliği ve sediment derinliği arasındaki fark olarak tanımlanan deney bölümünde ortalama sediment yüksekliği, kayıt. Ortalama iyi bir tahmin elde etmek için birkaç yatak oluşumları ölçün.
    12. Yine cetvel, ölçü kullanarak ve kum yatağına su yüzeyinden ortalama mesafe olarak tanımlanan deney bölümünde ortalama su derinliği (d), kaydedin. Yine, basitlik için dune tepe ve çukurların ortalama su derinliği kullanın.
    13. Debimetre kanal debi (Q) kaydedin ve w kanalet genişliği d su derinliği Q / (d * w), ortalama hız hesaplayın.
      NOT: akış ölçer oluklu bir tekrar-sirkülasyon döngüsü içine sokulur.
    14. Tedbirve test bölümünde ortalama sediment dalga boyu kaydedin. Tipik olarak, ardışık kumul tepeleri arasındaki mesafe olarak dalga boyu ölçün.
    15. (NetLogo platformda) Mousedrop simülasyon açın ve tüm ölçümler simülasyon kullanıcı arabiriminde belirtilen değişken aralıklarda olup olmadığını kontrol edin. Ölçülen parametre kısıtlaması aralığın dışında kalırsa, "düzenle" seçme ve min / max değerlerini ayarlayarak, parametre "kaydırıcı" sağ tıklayarak simülasyon parametre aralığını ayarlayın.
  2. Hyporheic alışverişini gözünüzde canlandırın.
    1. (Tercihen bir tripod üzerinde) sabit bir konuma kamerayı resimde merkezli deney bölümünde tek sediment ile kanalet duvara dik işaret etti.
      Not: Bu eğimli perspektif sorunları önlemek olacaktır.
    2. Koşulları doğrulamak için bir test resim çekin. Yansımalar bir sorun varsa aydınlatma ayarlayın.
    3. Şırınga ve iğne kullanılarak, 2-3 küçük boya i yapmakkanalet duvarına yakın njections. Bu enjeksiyonlar dikey ve yatay yerlerde çeşitli olarak renkli gözenek suyu ve ~ 2 cm yuvarlak yamalar oluştururlar emin olun. Enjeksiyon sırasında kum yatağına rahatsızlığı önlemek için dikkatli olun.
      Not: Boyanın küçük hacimleri enjeksiyonları kullanıcının daha fazla detay görmek ve bireysel dere yolları görüntülemek sağlar.
    4. Boya enjeksiyonu başlama zamanını kaydedin ve ilk resmi çekin.
      İsteğe bağlı: Bu boya hareketi laboratuvarda kolaylıkla gözlemlenebilir, böylece şeffaflık kağıt üzerinde işaretleri ile ilk boya cephelerini iz eğitici olabilir, ancak bu ana hatları da resimlerdeki boya cephede küçük porsiyonlarda engeller, bu nedenle firmaların ticari vardır kapalı.
    5. Uygun zaman aralıklarında boya cephesinin, pozisyonlar çeker. Zaman atlamalı fotoğraf için, pürüzsüz sonuçlar vermek için 30 sn aralıklarla kullanın.

3. Simülasyon

  1. Mousedrop ve gözlenen boya taşıma ile karşılaştırmak: Simülasyon 1 çalıştırın.
    1. Mousedrop.nlogo adlı simülasyon komut açın.
      figure-protocol-1
      Şekil 2. Mousedrop. Bu izleyiciler zaman içinde 7 farklı durumlarda da nerede. Gösteren bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayınız.
    2. (: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, Porozite, ChannelVelocity, Derinlik ve Eğim özellikle) kanalet deneysel koşullarına uygun Tablo 1'de fiziksel sistem parametrelerini ayarlayın. Giriş parametreleri girerken birimlere dikkat edin emin olun.
    3. Simülasyon izleme rengi değişecektir zamanları belirtmek için sürgü vb Süresi1, Süresi2, ayarlayın. Gözlemlerle simülasyon sonuçlarının karşılaştırılmasını kolaylaştırmak amacıyla gözlem süreleri maç için bu renk değişiklikleri ayarlayın.
      Not: Zaman parametreleri tüm 0'a ayarlı ise, simülasyon boyunca tek bir renk gösterecektir.
    4. Tüm parametreler ayarlandıktan sonra, kurulum düğmesine tıklayın.
      Not: sediment simülasyon görünümünde görünmelidir.
    5. Sanal izleyiciler başlangıç ​​yerleri göstermek için fare bırak düğmesini tıklatın. Yatakta birden çok yerde tıklandığında olabilir unutmayın. Daha fazla sanal izleyici serbest bırakmak için fareyi basılı tutun. Boya hareketini simüle zaman boya cepheleri (boya etrafında sınır) iz veya boyalı bölgenin tam alanı doldurmak için ya fareyi kullanın.
      Not: Daha fazla sanal izleyici Tanıtımı simülasyon daha yavaş çalışmasına neden olur. En iyi görsel sonuçlar bilgisayar performansı ile değişecektir.
    6. Bir kez sanal izleyicilerin tüm konuldu, simülasyonu başlatmak ve daha sonra ilk kez durdurmak veya simul başlamak için go / durdurma düğmesine tıklayabilirsiniz dahaki sefere düğmesinin yanındaki Advance, tıklamalısınızsüresiz Ation. Do not Kurulum düğmesini yeniden tıklatın veya izleyiciler tekrar yerleştirilmelidir gerekecektir.
      Not: Simülasyon çalışmaya başlar sonra hız 100 simüle saniye hız alanına ve daha sonra yeni konumda hız hesaplanır göre Denklem 4 ve 5. tracer hareket simülasyon parametrelere dayalı her izleyicinin konumu için hesaplanır izleyici sistemini gidene kadar ve prosedür tekrarlanır.
    7. İsteğe bağlı olarak, duraklatmak / simülasyon devam art arda go / durdurma düğmesine tıklayın. Zaman içinde farklı noktalarda simüle ve ölçülen boya dağılımları karşılaştırın.
  2. Run Simülasyon 2: Arayüz.
    1. Arayüz başlıklı komut açın.
      figure-protocol-2
      Şekil 3. Arayüz. Bu arayüz simülasyonu kullanarak yeraltı akan 370 izleyiciler gösterir. Izleyici paths yüzey su altı arayüzünde başlatıldığından beri her izleyici nerelere gittiğini gösterir. Sonunda tüm akış yolları yüzey suyuna geri dönmelidir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
      Not: Bu komut hesaplanan yeraltı hızları dayalı bir akı ağırlıklı bir şekilde dere yüzeyinde sanal izleyiciler tanıttı. Bu suyun nispi miktarları akan (ve dışı) farklı yerlerde dere bir görsel temsilini sağlar.
    2. Go / durdurma, ardından kurulum tıklayarak başlayın.
      Not: Bu varsayılan ayarlarla simülasyon çalışacaktır. Yeniden açılan? Anahtarı başlangıçta kapalı konuma getirildiğinde, bu nedenle zaman geçtikçe kümülatif bekleme süresi dağılımı çizilen olacaktır.
    3. Varsayılan parametreleri ile simülasyon gözlemledikten sonra simülasyon durdurmak için dur / go tıklayın.
    4. Bir veya daha fazla parametre değiştirme ve daha sonra go / durdurma, ardından kurulum tıklayın.
      Not: Bu seçilmiştir parametreleri ile simülasyon yeniden başlayacaktır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Deneylerde ile birlikte bir simülasyon kullanımı öğrenciler. Benzerlikleri ve idealize matematiksel modeller ve daha karmaşık gerçek sistemleri arasındaki farkları gözlemek 4 Mousedrop simülasyonları ile boya enjeksiyon fotoğraflarını karşılaştıran bir örnek göstermektedir sağlar. İlk fotoğraf sıfır zamanında simüle boya izleyici yerleşimini belirlemek için kullanılır ve daha sonra simülasyon o anda çekilen bir fotoğraf ile karşılaştırıldığında 34.2 dakika çalıştırılır ve. Gene...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bağlantılı olarak, flume gösteri ve partikül izleme simülasyonları izleyicileri bir dizi için hyporheic akışına kapsamlı bir giriş sağlar. Her seviyeden katılımcılar yatak oluşumları tarafından uyarılan hyporheic değişim meydana, ve yatak oluşumları altında yeraltı akış yolları güçlü değişkenlik görsel kanıtlar mevcuttur. Bu prosedürler lisans veya K-12 öğrencileri için gözenek suyu akışının basit bir gösteri olarak kullanılabilir, ya da bir daha nehir hidroliği derinlemesine sunumu, sediment taşınması ve hyporheic deği...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Bu materyal, Ulusal Bilim Vakfı hibeleri EAR-0810270, EAR-1215898 ve EAR-1344280'in yanı sıra NSF Lisansüstü Araştırma Bursu tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
FlumeMühendislik Laboratuvarı Tasarımı24-48 saat boyunca net kenarları olan Özel Laboratuvar kanalı. Alternatif olarak, ek materyallerimizde verilen yönergeleri izleyerek 300 doların altında küçük bir öğretim kanalı inşa edilebilir.
Akış ölçerRosemount 8800 girdap Bu, kanalın devridaim döngüsünün içinde bulunur
KumABD. SilikaF30Kanal boyunca 10-20 cm derinliğinde bir tabaka oluşturmak için araştırma sınıfı kum
BoyaGıda şirketlerindenSulu bir çözelti haline getirilen suda çözünür gıda sınıfı boya. Kırmızı, mavi ve yeşil gibi koyu renkler en iyi sonucu verir. (Propilen glikoldeki gıda boyalarından kaçının.)
ŞırıngaHSW4100.000V05-10 ml, örn. HSW Norm-Ject 2 parçalı tek kullanımlık şırınga
Pipetleme İğnesiCadence Science794214 ölçülü, 6 inç künt uçlu,   boyayı kumun derinliklerine enjekte etmek için.
Dijital Fotoğraf Makinesiherhangi birDijital fotoğraf makinesi. (Hızlandırılmış kameralar, hızlı ve eşit aralıklı veri toplamak için kullanılabilir.) Biz bir Nikon D7000 kullandık.
CetvelHerhangi BirŞeffaf en iyisidir.
Ölçüm BandıHerhangi Bir
CCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogoNetlogo Commons4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258
örnekler Sabit tripodlu Netlogo Yazılımı

Kaynaklar

  1. 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).
  2. 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).
  3. Williams, D. D., Hynes, H. B. N. Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream. Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Jones, J. B., Mulholland, P. J. Streams and Ground Waters. , Academic Press. San Diego, CA. (1999).
  7. 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).
  8. Mulholland, P. J., et al. Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism. Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).
  9. Peterson, B. J., et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 292, 86-90 (2001).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Huettel, M., Gust, G. Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments. Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).
  13. Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. Residence time of bedform-driven hyporheic exchange. Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Elliott, A. H., Brooks, N. H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. Bed Form Resistances in Open Channel Flows. J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).
  23. Wilensky, U. NetLogo. , Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University. Evanston, IL. Available from: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ (1999).
  24. Ma, J., Nickerson, J. V. Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. Acm Comput Surv. 38, (2006).
  25. Nersessian, N. J. Conceptual change in science and in science education. Synthese. 80, 163-183 (1989).
  26. Magin, D., Kanapathipillai, S. Engineering students' understanding of the role of experimentation. European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).
  27. 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).
  28. Smith, P. R., Pollard, D. The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education. Comput Educ. 10, 335-340 (1986).
  29. Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education. Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).
  30. Subramanian, R., Marsic, I. ViBE: Virtual biology experiments. Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).
  31. 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).
  32. Freeze, R. A., Cherry, J. A. Groundwater. , Prentice-Hall. New Jersey. (1979).
  33. Todd, D. K., Mays, L. W. Groundwater Hydrology. , 3, John Wiley & Son, Inc. New Jersey. (2005).
  34. Box, G. E., Draper, N. R. Empirical Model-Building and Response Surfaces. , John Wiley & Sons. (1987).
  35. Flavell, J. H. Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist. 34, 906(1979).
  36. Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. How People Learn. , National Academy Press. Washington, DC. (2000).
  37. Pintrich, P. R. The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing. Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Norman, F. A., Cardenas, M. B. Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study. Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).
  41. Precht, E., Huettel, M. Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment. J Sea Res. 51, 93-107 (2004).
  42. Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling. Water Resour Res. 40, (2004).
  43. 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).
  44. Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment. Water Resour Res. 45, (2009).
  45. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers. Geophys Res Lett. 33, (2006).
  46. Cardenas, M. B. A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity. Water Resour Res. 45, (2009).
  47. 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).
  48. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Yatak Formu Sim lasyonuNetLogo ModellemesiKanal DeneyleriSediman Ta n mG zenek Suyu AkSanal zleyicilerAk G rselle tirmeBilgisayar Sim lasyonu

İlgili makaleler