염료 실험 및 시뮬레이션을 사용하여 Bedforms을 통해 Hyporheic 흐름을 시각화

1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College
Published 11/18/2015
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Engineering

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Stonedahl, S. H., Roche, K. R., Stonedahl, F., Packman, A. I. Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation. J. Vis. Exp. (105), e53285, doi:10.3791/53285 (2015).

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Abstract

하천 환경에서 hyporheic 교류라는 퇴적물의 공극 공간과 위에 놓인 물 열 사이의 이류 교환, 강, 많은 중요한 생지 화학 과정에서 용질 수송을 구동한다. 영상 시범을 통해 이러한 프로세스의 이해를 개선하기 위해 다중 에이전트 컴퓨터 모델링 플랫폼 NetLogo에 hyporheic 유동 시뮬레이션을 만들었다. 시뮬레이션은 두 가지 차원 bedforms 덮여 하상 흐르는 가상 추적을 보여줍니다. 침전물 흘러 bedform 특성 모델의 입력 변수로 사용된다. 우리는이 시뮬레이션 측정 입력 매개 변수를 기반으로 실험실 수조 실험에서 실험 관찰과 일치하는 방법을 보여줍니다. 염료 porewater 유동을 시각화 플룸 퇴적물에 주입된다. 비교를 위해 가상 추적 입자 시뮬레이션에서 같은 위치에 배치됩니다. 이 결합 된 시뮬레이션 및 실험실 실험은 학부 및 gradua에서 성공적으로 사용되어왔다테 실험실 직접 강 - porewater 상호 작용을 시각화하고 물리적 기반 흐름 시뮬레이션 환경 현상을 재현 할 수있는 방법을 보여줍니다. 학생들은 투명 수로의 벽을 통해 침대의 사진을 가져다가 시뮬레이션에서 같은 시간에 염료의 모양에 비교했다. 이것은 학생들이 더 나은 흐름 패턴과 수학적 모델을 모두 이해 할 수 매우 유사한 경​​향, 결과. 시뮬레이션은 또한 사용자가 신속하게 여러 시뮬레이션을 실행하여 각 입력 변수의 영향을 시각화 할 수있다. 이 프로세스는 또한 계면 플럭스 porewater 수송 관련 기본 프로세스를 도시 한 프로세스 정량적 기반 모델링을 지원하는 응용 연구에 사용될 수있다.

Introduction

표면 물 스트림으로 이동, 강, 또는 갯벌 지역으로는로와 퇴적물 1의 물을 드라이브 헤드 그라디언트를 만듭니다. 하천 시스템에서이 교환이 발생하는 하상 퇴적물의 부분은 hyporheic 영역 2,3로 알려져있다. 많은 영양분과 오염 물질 저장 침착, 또는 hyporheic 영역 4-9에서 변환되기 때문에이 영역은 중요하다. 추적은 퇴적물에서 소모하는 시간은 체류 시간이라고합니다. 두 체류 시간 및 유로의 위치 변환 공정에 영향을 미친다. 침강물 흐름에 영향을주는 방법의 이해를 개선 하천 용질 수송을 예측 및 영양분 (예를 들면, 연안 저산소증 10,11) 등의 재료의 전파로 인한 큰 환경 문제를 해결하기 위해 필요하다. hyporheic 교환의 중요성에도 불구하고, 그것은 종종 문학 학부 과정에 설명되지 않은,그 과정에 hyporheic 교환을 추가하고자하는 유체 역학 등, 유압, 교육자는 유용 명확하게이 과정을 보여 실험 및 수치 적 시각화를 찾을 수 있습니다.

스트림 채널 꾸불 꾸불, 주변 지하수 수준 및 하상 지형 (즉, 바, bedforms 및 생물 고분)는 모든 변화도 12-17에 hyporheic 환율에 영향을 미친다. 이 연구는 일반적으로 hyporheic 흐름 14, 15에 영향을 미치는 주요 지형 특징은 언덕과 잔물결 같은 bedforms에 초점을 맞추었다. 우리는 bedforms의 일정한 일련의 흐름을 시각화하는 수치 시뮬레이션 및 실험실 실험을 만들었습니다. 이 시뮬레이션은 hyporheic 유로 용이하게 관측 가능한 시스템의 특성 15,18-21 관련된 선행 연구의 체에 기초한다. 이 연구는 시뮬레이션 과학적 배경을 형성하는 바와 같이, 이론의 핵심 사항에 대한 요약은 다음과 같다. Bedform 지형, T (x)를,주어진다 :

수학 식 1 :
식 (1)

H 두번 bedform의 진폭이고, k는 파수이고, x는 평균 하상 표면에 평행 한 길이 방향 치수이다. 이 bedform 지형의 예는도 1에 도시된다.

그림 1
도 1 매개 변수 및 설정은 사용자에 의해 제어. 인터페이스, 트레이서 입자를 물 / 계면에서 침전 플럭스 가중 방식으로 방출되고, 침강물 추적. 쇼 경로 경우? 물 추적기 마크 "의"그들은 자신의 경로를 보여주고있다된다. 추적자는 지표수에 반환 될 때,이 T 변경드롭을 다시 할 때 그는 시스템의 추적자의 총 수? "OFF"로 설정되어 있습니다. 체류 시간 누적 분포 그래프는 시간의 함수로서 초기 번호로 퇴적물 침대에 잔류 트레이서의 수의 비를 플롯 팅함으로써 이러한 변화를 나타낸다. 재 드롭하면? 다음 시스템을 떠날 추적자는 원래 입자와 같은 유량 가중 방식으로 대체되고, 누적 플롯되지 않습니다 "에"입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

매개 변수 이름 단위 정의 인터페이스 Mousedrop
람다 (λ) 센티미터 bedform의 파장 (그림 1 참조) </ TD> 체크 표시체크 표시
BedformHeight (H) 센티미터 두번 bedform 진폭 (도 1 참조) 체크 표시체크 표시
BedDepth (D) 센티미터 퇴적물의 깊이 (그림 1 참조) 체크 표시체크 표시
HydrCond (K) CM / S 수리 전도도 체크 표시체크 표시
다공성 (θ) 다공성 체크 표시체크 표시
ChannelVelocity (U) CM / S 지표수 또는 채널의 평균 속도 체크 표시체크 표시
깊이 (d) 센티미터 수심 (그림 1 참조) 체크 표시체크 표시
경사 (S) bedforms 물 표면의 경사 체크 표시
NumParticles 입자의 개수는 시스템에 방출. 체크 표시
TIMEX (시간 1, 타임 2 ..) 각각의 색의 변화가 발생하는 시간 체크 표시
시뮬레이션 버튼 정의 인터페이스 Mousedrop
설정 표시된 매개 변수를 사용하여 시뮬레이션의를 설정 체크 표시체크 표시
정지 / 이동 시작하고 시뮬레이션을 중지 체크 표시체크 표시
단계 단계를 클릭하면 통과 한 시간 단계가 발생합니다. 이것은 사용자가 코드를 천천히 100 초에서 일어나는 정확하게 볼 수 있습니다. 체크 표시
명확한 경로 화면에서 모든 그는 파란색 입자 경로를 지 웁니다 체크 표시체크 표시
다음 시간에 사전 이것은 다음 색 전환 시점까지 (TIMEX)를 실행하는 프로그램을 야기체크 표시
마우스 놓기 입자가 지하에서의 위치를​​ 클릭하여 지하에 배치되기 전에이 버튼을 클릭해야합니다. 체크 표시
쇼 - 경로? 쇼 경로하면? 물 입자들이 있었다 푸른 게재의 흔적을 남겨 "의"(그림 1 참조). 체크 표시체크 표시
다시 드롭? 재 드롭하면? 입자 시스템을 종료 모든 입자에 대한 플럭스 가중 방식으로 대체되고, 누적 플롯이 작동하지 않는 "또는"이다. 때 이상적 상대CLE는 시스템 내의 입자의 수​​는 다시 떨어지면 감소 hyporheic 영역을 종료? "OFF"(그림 1 참조). 체크 표시

사용자가 조정할 수 있습니다 표 1 Hyporheic 매개 변수 및 시뮬레이션을 제어합니다. 각 매개 변수, 버튼, 슬라이더는 정의와 함께이 테이블에 있습니다.

이 시뮬레이션에서, 두 프로세스는 모래 침대에서 유체 속도를 유도한다. 첫째는 bedforms와 스트림 흐름의 상호 작용에 기인한다. bedforms 의해 유도 물 / 계면에서 침전 속도 수두도 대략 정현파이며 bedform 자체 (22)로부터 1/4 파장만큼 시프트. 표면 - 서브 표면 계면 속도 수두 함수의 진폭은 16로 측정으로부터 근사되었습니다

GE = "항상"> 식 2 :
식 (2)

U는 평균 지표수 속도이고, g는 중력 상수이며, D는 (도 1에 도시) 물의 깊이이다. 속도 수두 함수는 다음에 의해 주어진다 :

식 3 :
식 (3)

이 헤드 함수는 상수 모래층 깊이 20 라플라스 방정식을 해결함으로써 지하 속도 기능 bedform 기반 구성 요소를 계산하는데 이용 될 수있다. porewater 속도의 두 번째 구성 요소는 수율이 비례 하류 방향으로 흐르게하는 것이 중력 헤드 구배에 대응하는 시스템 S의 기울기에 의해 결정된다S / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> porewater 속도에 대한 최종 기능은 다음과 같습니다. :

식 4 :
식 (4)

식 (5) :
식 (5)

u는 종 방향 속도 성분이고, V는 Y는 세로 좌표, 수직 속도 성분은, K는, 퇴적물의 평균 수리 전도도 인 퇴적물의 평균 기공률 인이고, D는 퇴적물의 깊이이다.

NetLogo 모델링 언어 및 시뮬레이션 플랫폼 (23)를 사용하여 생성 된 입자 추적 시뮬레이션. 두 가지 구현 (Mousedrop.nlogo과 Interface.nlogo)는 HYP 모델 이러한 방정식을 사용같은 시뮬레이션 코어와 orheic 흐름. 주요 차이점은 추적 입자의 초기 위치입니다. Mousedrop는 사용자가 어디 지하에서 시뮬레이션 추적을 배치 할 수 있습니다. 지하 속도 방정식 4와 5는 색소 주입 실험을 시뮬레이션하는 트레이서를 이동하는데 사용된다. 인터페이스에서 추적은 항상 플럭스 가중 방식으로 표면 / 지하의 경계를 따라 배치됩니다. 이것은 hyporheic 교환을 이해하는데 중요 porewater로 표면에서 물에 용해 및 현탁 물질의 전달을 모방. 다시 스트림 물에 도달 할 때까지 추적은 지하에서 이동한다. 수조에서 염료 경로를 추적 및 NetLogo를 사용 경로를 시뮬레이션하는 유동장의 유선을 산출만큼 유동 조건 bedform 모폴로지는 관찰 기간 동안 정상 남아. Interface.nlogo는를 나타낸다 누적 체류 시간 분포를 생성 수의 비율시간의 함수로서 시간이 0에 위치 추적 입자의 초기 수에 퇴적물에 잔류 트레이서 입자.

최근 문헌 조사 24에서 설명하고있는 바와 같이, 실습 시뮬레이션 실험실과 컴퓨터 모델에 비해 실험실 실험의 상대적 장점에 대한 교육 연구 커뮤니티 내에서 상당한 논쟁이 남아있다. 한편, 일부는 25 일 "체험 학습의 핵심입니다"하고 느낄 비용 절감 인수의 손해에, 손에 컴퓨터 기반의 시뮬레이션으로 실험 활동의 대체 연료를 공급 될 수 있음을주의 학생들의 이해 (26). 한편, 과학 / 공학 교육의 일부 연구자들은 시뮬레이션은 기존 연구소 (27) 손에 적어도 같은 효과가 있다고 주장, 또는 학생 중심의 "발견 학습"28 육성에 컴퓨터 시뮬레이션의 장점에 대해 설명합니다. 합의가 다시되지는 않았지만아팠다, 많은 ​​연구자들은 이상적으로, 컴퓨터 시뮬레이션 실험실 실험 29, 30 실습, 보완보다는 대체 할해야한다는 결론을 내렸다. 또한 과학 및 공학 교육 내에서 이니셔티브가 있었다 동시에 몇 물리적 실험과 현상의 컴퓨터 시뮬레이션으로 감지 실제; 참조, 예를 들어, "이중 초점 모델링"(31).

학생들은 깊은 개념적 지식과 물리 시스템 및 그 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션 기반 모두와 상호 작용하여 과학 연구 과정의 더 나은 이해를 얻을 수있다. 이 과정은 학생들이 중력과 bedform 유도 hyporheic 교환 흐름을 보여 용질 수송 실험을 수행하는 데 수반 같은 현상 컴퓨터 시뮬레이션과 실험 장치 자신과 일치하는 결과. 이 비교는 중요한 학생의 학습 성과, 및 T의 깊은 토론을 용이하게그는 과학적인 방법, 모델 / 이론 구축과 데이터 수집을 통해 경험적 검증 사이의 상호 작용. 이러한 비교를 수행 한 후, 학생들은 신속 모델 파라미터를 변경하여 다른 다수의 시나리오를 탐험 컴퓨터 기반 시뮬레이션의 장점을 활용할 수있다.

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Protocol

1. 시뮬레이션 소프트웨어

  1. 이 절에서 설명하는 소프트웨어를 사용합니다.
    1. (: 사용 가능 자유 / 오픈 소스 멀티 에이전트 모델링 언어 및 시뮬레이션 플랫폼, NetLogo 다운로드하여 설치 http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ , 버전 5.1 이상).
      참고 :이 소프트웨어는 무료로 제공되며, 모든 주요 운영 체제 (윈도우 / 맥 / 리눅스)에서 실행됩니다.
    2. 이 실험 절차를 수반 두 가지 특정 시뮬레이션 스크립트 파일 (mousedrop.nlogointerface.nlogo)를 다운로드합니다. (Available: http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259 and http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258 )
      참고 : 시뮬레이션 플랫폼이 설치되어 있고이 파일을 다운로드 한 후, 두 번 클릭하면이 파일이 자동으로 T 열립니다그는 실행할 준비가 최대 모의들을.

2. 수로 데모

  1. 모든 매개 변수 (표 1) mousedrop 시뮬레이션 매개 변수 범위 제한 내에 있도록 실험실 수로를 설정합니다.
    주 : 슬라이더를 편집하여 실제 시스템에 필요한 경우 제약, mousedrop 조정될 수있다.
    1. 수로에 모래의 약 15-25cm의 층을 따르십시오. 측정하고 표준 방법 (32, 33) 다음 모래의 수리 전도도 및 다공성을 기록한다.
    2. 물 약 20~30cm로 수로를 입력합니다.
    3. 수로를 시작하고 bedforms을 만들 따라서 모래 입자를 이동하고 빠른 충분한 수준으로 유량을 증가시킨다.
      주 : 유량 더 연습 bedform 특성을 수정하도록 조절 될 수있다. Bedform 크기는 유속, 수심과 모래 속성의 결과입니다.
    4. bedforms이 fo를 개발할 수 있도록R 12 ~ 24 시간 자연 모래 언덕 / 리플 형태를 형성한다. 수동으로,이 과정을 가속화 일반 모래 언덕을 형성 한 후 4-12 시간 동안 퇴적물 전송을 허용합니다. 또한, 수동으로 일반 삼각 언덕을 형성한다.
      참고 : 보통 삼각형 언덕 hyporheic 교환의 일반 패턴을 얻을 것입니다,하지만 천연 모래 언덕 / 리플 bedforms만큼 복잡성을 표시하지 않습니다.
    5. 원하는 bedforms이 달성되면 베드 퇴적물 수송 느려지고 bedform 특성 변경을 중지 할 때까지, 물 유량을 감소시킨다.
      1. 시각적으로 침대를 포함하는 퇴적물 입자의 움직임을 관찰하고, 운동이 중단 될 때까지 흐름을 줄일 수 있습니다.
        주 :이 실험의 지속 기간 동안 침대 형태를 유지한다.
      2. 그 느린, 에피소드 운동이 발생되지 확인 마크 또는 사진 bedform 위치하고 나중에 관찰합니다.
        그것은 bedforms 실험의 시간 프레임에 걸쳐 크게 이동하지 않는 것이 중요하다 만, 그래서 제공 참고충분한 관찰 시간은 bedforms가 안정되어 있음을 확인합니다.
    6. 감소 된 유속 하에서 균일 한 흐름을 달성하기 위해 수로 경사 및 / 또는 물 깊이를 조정한다.
      1. 장비를 통해 제어 채널 슬로프 플룸 전형적 전동 잭 또는 수동식으로 구성된 하나. 추가하거나 수로에서 물을 제거하여 물 깊이를 조정합니다.
        주 : 여기에서 사용되는 실험 장치에서, 전체 수로는 하류 단부에 피봇 상에 장착되고, 상기 경사는 상류 단부에서 모터 단자에 의해 설정된다.
      2. 펌프가 실행되는 동안, 수로의 바닥에 수직 라인으로 표시된 두 개의 종 방향 위치를 선택합니다. 이러한 위치에서, 물 표면과 수조의 저면 사이에, 이러한 직교 라인을 따라 거리를 측정자를 사용.
        주 : 수로 설정에 따라 수조의 바닥 수조의 바닥보다 더 경 사진 기준 라인으로서 기능 할 수있다. LAR 선택게르 종 방향 거리보다 정확성을 얻을 것입니다.
      3. 수직 거리 측정이 균일 한 흐름을 달성하기 위해 동일 할 때까지 수조 및 / 또는 물 깊이 재 측정의 기울기를 조정한다. 이 두 종의 위치 사이의 수로의 바닥을 따라 경 사진 수평 거리를 측정한다.
    7. 펌프를 중지하고 이동을 중지 할 수있는 물이 나올 때까지 기다리는; 이 수준의 표면을 제공 할 것입니다. 각각의 종 방향 위치에서 수조의 상부 및 물 표면 사이의 거리를 다시 측정한다.
      주 : 채널 슬로프 경사 사이의 수평 거리로 나눈 값이 측정 값의 차이와 동일하다.
    8. 펌프를 다시 시작합니다.
    9. 모래 언덕은 규칙적인 패턴을 형성 한 수로의 중간 또는 하류 끝 부분에 위치해야한다 테스트 섹션을 선택합니다. 이 섹션이 적어도 하나의 전체 bedform을 포함하는지 확인하십시오.
    10. 측정하고 일의 평균 퇴적물의 깊이 (D)를 기록어떤 손 측정 고안와 전자 시험 부 (투명 통치자가 이상적입니다). 단순화를 위해, 수로 바닥에 문장과 저점의 평균 거리를 사용합니다.
    11. 측정하고 통치자와 저점에서 문장의 퇴적물 깊이와 퇴적물 깊이의 차이로 정의 된 테스트 섹션의 평균 bedform 높이를 기록. 평균의 우수한 추정치를 획득하기 위해 여러 bedforms를 측정한다.
    12. 다시 통치자, 척도를 사용하여 모래 침대에 물 표면의 평균 거리로 정의 테스트 섹션의 평균 물 깊이 (D)를 기록한다. 다시 말하지만, 단순화를 위해 모래 언덕 볏과 최저점의 평균 수심을 사용합니다.
    13. 유량계에서 채널 유량 (Q)을 기록하고, w는 플룸의 폭 d는 수심이다 Q / (위해 D * w)과 같은 평균 속도를 계산한다.
      참고 : 우리의 유량계는 수로의 재순환 루프에 삽입됩니다.
    14. 법안시험 섹션의 평균 bedform 파장을 기록한다. 일반적으로, 연속 사구 문장 사이의 거리와 파장을 측정한다.
    15. (NetLogo 플랫폼) Mousedrop 시뮬레이션을 열고 모든 측정 시뮬레이션 사용자 인터페이스에 지정된 변수 범위 내에 있는지 확인합니다. 측정 된 매개 변수는 제약 범위를 벗어나 떨어지면, "편집"을 선택하고, 최소 / 최대 값을 조정, 매개 변수 "슬라이더"에 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 시뮬레이션 매개 변수 범위를 조정합니다.
  2. hyporheic 교환을 시각화.
    1. (바람직 삼각대)에 고정 된 위치에서 카메라 설정은 그림의 중앙에 시험 부에서 하나의 bedform와 수로 벽에 직각으로 지적했다.
      참고 :이 기울어 진 관점의 문제를 방지합니다.
    2. 조건을 확인하는 테스트 사진을 촬영합니다. 반사에 문제가있는 경우 조명을 조정합니다.
    3. 주사기와 바늘을 사용하면, 2 ~ 3 작은 염료 난을수로 벽 근처 njections. 이 주사는 수직 및 수평 다양한 위치에 색깔 porewater의 ~ 2cm의 원형 패치를 형성하고 있는지 확인합니다. 주입하는 동안 모래 침대에 교란을 최소화하기 위해주의하십시오.
      참고 : 염료의 작은 볼륨의 주입은 사용자가 자세한 내용을 확인하고 개별 스트림 경로를 볼 수 있습니다.
    4. 염료 주사의 시작 시간을 기록하고 초기 사진을 촬영.
      옵션 : 그것은 염료 운동은 실험실에서 쉽게 관찰 할 수 있도록, 투명 용지에 마커로 초기 염료 전선을 추적 할 교육이 될 수 있지만, 이러한 윤곽도 사진에 염료 전선의 작은 부분을 차단, 그래서 무역 -이 떨어져서.
    5. 적절한 시간 간격으로 염색 전면 위치를 포착. 시간 경과 사진의 경우, 부드러운 결과를 제공하기 위해 30 초 간격을 사용합니다.

3. 시뮬레이션

  1. Mousedrop 및 관찰 염료 전송과 비교 : 시뮬레이션 (1)을 실행합니다.
    1. Mousedrop.nlogo라는 시뮬레이션 스크립트를 엽니 다.
      그림 3
      그림 2. Mousedrop는. 이것은 추적자 시간에서 7 개의 다른 인스턴스에있는 곳. 보여줍니다 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
    2. (: 람다, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, 다공성 ChannelVelocity, 깊이, 및 특히 경사) 플룸 실험 조건에 맞도록, 표 1에 나타낸 물리적 시스템 파라미터를 조정. 입력 매개 변수를 입력 할 때 단위에주의를 지불해야합니다.
    3. 시뮬레이션 추적 색상이 변경됩니다 때 시간을 나타 내기 위해 슬라이더 등 시간 1, 타임 2를 조정합니다. 관찰 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 용이하게하기 위해 관찰 시간이 일치하도록 색 변경 설정한다.
      노트: 시간 매개 변수가 모두 0으로 설정하는 경우, 시뮬레이션을 통해 하나의 색상을 표시합니다.
    4. 모든 매개 변수를 설정 한 후, 설정 버튼을 클릭합니다.
      참고 : bedform 시뮬레이션보기에 나타납니다.
    5. 가상 추적자의 시작 위치를 표시하기 위해 마우스 놓기 버튼을 클릭합니다. 침대에서 여러 위치를 클릭 할 수도 있습니다. 더 많은 가상 추적을 해제하려면 마우스를 누르고 있습니다. 염료의 움직임을 시뮬레이션 할 때, 염료 전선 (염료 주위의 경계를) 추적 또는 염색 지역의 전체 영역을 작성하려면 다음 중 하나를 마우스를 사용합니다.
      참고 : 더 많은 가상 추적을 소개 시뮬레이션이 더 느리게 실행하게됩니다. 최상의 시각적 결과는 컴퓨터 성능에 따라 달라집니다.
    6. 일단 가상 추적자의 모든 배치되어, 당신은 시뮬레이션을 시작하고 처음에 중지하거나 SIMUL을 시작 이동 / 정지 버튼을 클릭합니다 다음 번 버튼에 사전을 클릭 할 수 있습니다무기한 ATION. 하지 마십시오 설정 버튼을 다시 누르거나 추적자 다시 배치해야합니다.
      참고 : 시뮬레이션은 실행이 시작되면, 속도는 100 모의 초간 속도 필드로하고 새로운 위치에서의 속도를 산출있어서 식 (4) 및 제 트레이서 이동에서 시뮬레이션 파라미터들에 기초하여 각각 트레이서의 위치에 대하여 계산되고 추적 시스템을 떠날 때까지 상기 절차를 반복한다.
    7. 선택적으로, / 일시 정지 시뮬레이션을 계속 반복해서 이동 / 정지 버튼을 클릭합니다. 시간에 다른 지점에서 시뮬레이션 및 측정 염료 분포를 비교.
  2. 실행 시뮬레이션 2 : 인터페이스.
    1. 인터페이스라는 제목의 스크립트를 엽니 다.
      그림 3
      도 3 인터페이스.이 인터페이스를 이용하여 시뮬레이션을 통해 하부 표면 (370)에 흐르는 트레이서를 나타낸다. 추적 PATHS은 표면의 물을 지하 인터페이스에서 시작된 이후 각 추적이있다 곳을 보여줍니다. 결국 모든 흐름 경로는 지표수에 반환해야합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
      참고 :이 스크립트는 계산 지하 속도에 따라 유량 가중 방식으로 하상 표면에 가상 추적기를 소개합니다. 이 물 상대적인 양에 흐르는 (그리고 점 만점) 다른 위치에서 하상의 시각적 표현을 제공합니다.
    2. 이동 / 정지 한 다음 설정을 클릭하여 시작합니다.
      참고 :이 기본 설정으로 시뮬레이션을 실행합니다. 재 드롭? 스위치가 초기 오프로 설정되기 때문에, 시간이 지남에 따라 누적 체류 시간 분포를 플롯한다.
    3. 기본 매개 변수를 사용하여 시뮬레이션을 관찰 한 후, 시뮬레이션을 중지 정지 / 이동을 클릭합니다.
    4. 이동 / 정지 한 다음 설정을 클릭합니다.
      참고 :이 선택 된 매개 변수를 사용하여 시뮬레이션을 다시 시작합니다.

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Representative Results

실험과 함께 시뮬레이션의 사용은 학생들이. 유사점과 이상화 된 수학적 모델과 더 복잡한 실제 시스템의 차이를 관찰 4 Mousedrop 시뮬레이션과 염료 주입 사진을 비교 한 예를 보여주고있다 할 수 있습니다. 사진은 초기 시간 제로에서 시뮬레이션 된 염료 트레이서의 배치를 결정하는 데 사용되며, 다음의 시뮬레이션은 그 시점에서 촬영 된 사진과 비교하여 34.2 분 동안 실행된다. 전체 모델은이 시간 간격 염색 물의 움직임을 캡처하는 훌륭한 일을한다. bedform의 리 측면에있는 첫 번째 염료 얼룩은 모두 시뮬레이션과 실험 시스템에서의 퇴적물을 종료합니다. 두 번째가 신장 및 추적 중 일부는 하류의 원래 위치와 일부 상류의 종료 있도록이 퍼지는 등의 초승달 모양을 형성하는 아래로 이동합니다. 마지막 염료 덩어리는 상류 전파 및 추적 중 일부는 깊은 여행 퇴적물에. 이 hyporheic 교환 bedforms에서와 hyporheic 교환 흐름의 패턴 형상을 bedform과 관련이 있음을 발생하는 것을 보여줍니다. 시뮬레이션과 실험 사이의 강한 계약 일차 레벨 모델 방정식을 검증한다. 이 절차는 명확하게 hyporheic 교환 bedform 크기로 확장 중요한 과정이며, porewater의 거의 절반이 bedforms에서 상류 흐름 것을 보여줍니다. 검사에 근접하지만, 작은 차이는 관찰 모의 염료 수송층 사이에 볼 수있다. 시뮬레이션은 실제 염료 패턴보다 원활하고 침전물에 깊게 확장되지 않습니다. 이러한 불일치는 표 2에 기재된 바와 같이, bedform 불규칙한 형상 퇴적 포장 가변성으로 인한 측정 오차 및 2 차 효과의 물리적 결합에 기인.

4 "SRC ="/ 파일 / ftp_upload / 53285 / 53285fig4.jpg "/>
그림 4. 시뮬레이션에 수로 염료 전선 비교가. 염료는 수로에 주입과 사진이 0 트레이서는 염료와 같은 위치에 Mousedrop를 사용하여 지하에 배치 된 시간에서 촬영했다. 추적기는 34.2 시뮬레이션 분간 이동 시뮬레이션이어서 초기 사진 후 34.2 분의 촬영과 비교된다. 관찰 된 염료 패턴과 시뮬레이션은 나중에 잘 비교. 모델에 의해 캡처되지 않습니다 유동장의 공간적 변화로 인해 약간의 차이가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

불일치의 일반적인 소스 예상 결과
실제 머리 프로필은 diffERS 가정 사인 곡선에서 bedform에서 por​​ewater 흐름에서 비대칭
bedforms의 불규칙한 시리즈 관찰 위치의 유동장에 전위 편차
부족 퇴적물 침대 깊이 porewater 프로파일의 수직 압축
비 균일 한 (즉, 시변) 침대에 걸쳐 흐름 porewater 플로우의 추가 구성 요소에 중첩 부가 승강 헤드 구성 요소 (예를 들면, 아래 bedform porewater 순환 셀의 비대칭 성을 증가시켰다.)
퇴적물 포장의 이질성 porewater 흐름의 공간 가변성 (높고 낮은 속도와 퇴적물의 패치)
퇴적물의 중요한 중단 염료를 주입 염료 자료 수직 통해 서주입구 H
비 수용성 염료 또는 불충분 한 용해의 사용 또는 주입하기 전에 염료의 혼합 porewater, 비 균일 porewater 전송 또는 주입 위치에서 염료의 느린 동원에 염료의 풀링.
부정확 한 측정 (자주 단위에 의한) 이것은 크게 잘못된 결과를 초래할 수
시뮬레이션에 분산 가정되는 부족 일부 확장은 염료 모양입니다

관측 및 시뮬레이션. 오류의 일반적인 소스의 목록 사이에 불일치 표 2. 소스는이 표에 열거되어있다.

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Discussion

관련하여, 수로 데모 및 입자 추적 시뮬레이션은 관객의 범위에 대한 hyporheic 흐름에 대한 포괄적 인 소개를 제공합니다. 모든 레벨의 참가자들은 bedforms에 의해 유도 hyporheic 교환의 발생 및 bedforms 아래 지하 흐름 경로에 강한 변화에 대한 시각적 인 증거를 제공한다. 이러한 절차는 대학생 또는 K-12 학생 porewater 흐름의 간단한 시연으로 사용할 수도 있고, 이것은 더 강 유압 심층 프레젠테이션 퇴적물 전송 및 hyporheic 교환 메커니즘과 함께 대학원 과정에 사용될 수있다 . 에 관계없이 수준의 상호 작용 기술 등이 간단한 시각화 모델의 사용은 학생들이 추상적 인 이론 및 토론을 통해 달성되는 것보다 이러한 복잡하고 중요한 현상의 깊은 이해를 형성 할 수 있습니다.

이러한 방법, 시스템 및 물리적 simulati 차이점을 사용하면서에는 "실수"로 간주되어서는 안되며, 대신 "가르침을받을만한 순간"로, 궁극적으로 더 큰 학습으로 이어질 것입니다 논의의 출발점. 학생들은 포함 질문들을 고려할 유도하여야한다 : 무슨 에러 소스 모두 (모델에서 측정 한 실험 절차)? 이들 중 어떤 잠재적으로 시뮬레이션과 관찰 사이의 불일치에 기여할 수 있을까? 단순화 어떤 가정 모델의 제형에서 변경된? 얼마나 중요 작은 차이, 그리고 그들이 모델이 "잘못"어떻게해야합니까? 통계 조지 상자가 유명 말했듯이, "기본적으로 모든 모델은 잘못이지만, 일부는 유용하다."(34) 좋은 과학적인 모델은 시스템의 특정 필수 기능을 캡처, 따라서 더 나은 이해로 이어지는, 덜 관련된 세부 사항을 무시하면서 손 문제에. 이 수로 실험실 실험 및 첨부 시뮬N 강점과 모델 및 실험 방법의 약점을 모두 이해하는 학생들을위한 우수 사례 연구를 제공합니다. 따라서, 학생들은 hyporheic 교환 및 용질 수송의 핵심 개념에 더 유창을 확보 할뿐만 아니라, 그들은 컴퓨터 모델링 및 실험실 실험 사이에, 이론 구축과 데이터 수집 사이의 상호 보완적인 관계 (그리고 때로는 복잡한 상호 작용)에 대해 배웠습니다. 또한, 실험실 및 시뮬레이션의 결합은 우리가 알고있는 의문을 제기하는 방법과 우리가 알고 통해 중요한 메타인지 기술 지식, 과학적인 연구 과정을 통해 얻은 방법에 대한 35의 개발을 촉진. 연구의 성장 몸은 교육 메타인지의 효과 (일명 고차원 적 사고) 기술을 36-38로 증명한다.

관찰 및 시뮬레이션 추적 궤적 사이의 편차에 대한 여러 원인이 있습니다. 과도한 측면 이동주입하는 동안 바늘이 염료는 물 열에 직접 탈출 할 수 있도록, 모래에 우선 유로를 작성합니다. 우리의 속도 방정식을 횡 방향 또는 종 분산을 포함하지 않는다. 수조에서 bedform 형상은 시뮬레이션에 정의 이상적인 정현파 이상의 비대칭이다. 퇴적물은 전적으로 균일 결코; 포장 및 침전물 크기의 변화는 지역 수리 전도도 및 다공성에 영향을 미칠 것입니다. 이 염료 주입하기 전에 수로 펌프 속도를 줄여 bedform 이동을 최소화하는 것이 최선이지만, 일부 이주가 여전히 발생할 수 있습니다. Bedform 이주가 주입 된 색소에 bedform 크레스트 관련하여 지하 유체 역학을 변화의 위치를​​ 변경합니다. 실험 흐름 경로 그러므로 항상 시뮬레이션 다를 것이다, 그러나 추적 운동의 일반적인 패턴은 변경하지 마십시오. 여기에 사용 된 실험 조건 하에서, 시뮬레이션 모델 및 관찰 염료 흐름 간의 강한 합의가있다. Additio 이러한 침전물 이질성, 프랙탈 bedform 지형, 지하수 배출, 세 가지 차원 지형, 교차 채널 흐름, 스트림 흐름 시간 변화와 같은 최종 복잡성, 많은 자연 시스템에서 발생합니다. 여기에 기술 된 염료 트레이서 방법 플룸 실험 설정의 적절한 변형을 통해 이러한 프로세스의 영향을 조사하는데 사용될 수있다. 이 접근법은 유동 가시화 일반적 과정을 통제 대해 테스트 가설에 사용되는 바와 같이, 연구뿐만 아니라 교육 목적으로 이용 될 수 있고, 또한, 스트림 및 침전물 베드 사이 예 hyp​​orheic 교환 플럭스, 소재 플럭스 및 질량 균형을 계산하는데 사용될 수있다 (21). 여기에 기재된 것과 유사한 염료 트레이서 방법 하상 형태 퇴적 이질, 지하수 방전의 효과를 결정하고, hyporheic 교환 충전뿐만 아니라 porewater가 파도 39-42에 의한 플로우와 같은 관련 프로세스를 평가하기 위해 사용되어왔다.

여기에 사용되는 단순 흐름 모델 신중 제어 실험실 조건에서 hyporheic 흐름 합리적 충실하게 재현 과시 콘텐츠 "> 복잡한 자연계 모델링에서의 사용이 제한된다. 우리의 스크립트는 주로 교육 도구 때문에 여기 NetLogo 프로그래밍 언어로 작성된 또한, 간단한 무료 및 오픈 소스 에이전트 기반 시뮬레이션 플랫폼을 제공하며, 우수한 시각화 및 학습을 용이하게 입력 파라미터, 쉽게 사용자 조작을 지원하기 때문이다. 다른 방법은보다 복잡한 시스템 지오메트리 14 hyporheic 교환을 시뮬레이션하기 위해 개발되어왔다 20 퇴적물 구조 43, 44. 자유 / 오픈 소스 도구 (예를 들어, MODFLOW)와 상용 소프트웨어 패키지의 다양한 (예를 들어, COMSOL) 더 복잡한에서 hyporheic 흐름을 모델링에 도움이 될 수있다 유한 차분과 유한 요소 방법을 사용 형상과 표면 하의 이질성 15,45-48와.

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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

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References

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