Boya Deneyler ve Simülasyonu kullanarak yatak oluşumları sayesinde Hyporheic Akışı görselleştirme

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

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Introduction

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:
Denklem 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.

figür 1
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) </ td> onay işaretionay işareti
BedformHeight (H) cm İki kez sediment genlik (Şekil 1) onay işaretionay işareti
BedDepth (D) cm Sedimanlar Derinliği (Şekil 1) onay işaretionay işareti
HydrCond (K) cm / sn Hidrolik İletkenlik onay işaretionay işareti
Gözeneklilik (θ) Gözeneklilik onay işaretionay işareti
ChannelVelocity (U) cm / sn Yüzey suyu veya kanalda ortalama hız onay işaretionay işareti
Derinlik (d) cm Su derinliği (Şekil 1) onay işaretionay işareti
Yamaç (S) Yatak oluşumları ve su yüzeyi eğimi onay işareti
NumParticles Parçacıkların sayısı sistemine yayımladı. onay işareti
Timex (Süresi1, Süresi2 ..) dk Her renk değişimi meydana geldiği zamanı onay işareti
Simülasyon Düğmeler Tanım Arayüz Mousedrop
Kurmak Gösterilen parametreler kullanılarak simülasyon 's kurmak onay işaretionay işareti
dur / go Başlatır ve benzetim durur onay işaretionay işareti
Adım Adımı tıklamak geçmek için bir kez adım olur. Bu, kullanıcıların kod yavaşlatmak ve 100 saniyede ne olur tam olarak görmenizi sağlar. onay işareti
açık yollar Ekranından tüm o mavi parçacık yolları temizler onay işaretionay işareti
Bir sonraki zaman Advance Bu sonraki renk değişimi zamanına kadar (Timex) çalışmasına programın nedenonay işareti
Fare bırak Parçacıklar yeraltında yerle ilgili tıklayarak yeraltında yerleştirilebilir önce Bu düğme tıklandığında gerekir. onay işareti
show-yollar? Show-yolları ise? su tanecikleri olmuştur mavi gösteren bir iz bırakmak "açık" olduğu (bakınız Şekil 1). onay işaretionay işareti
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). onay işareti

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:
Denklem 2

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

Denklem 3:
Denklem 3

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:
Denklem 4

Denklem 5:
Denklem 5

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.
      Şekil 3,
      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.
      Şekil 3,
      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. go / durdurma, ardından kurulum tıklayın.
      Not: Bu seçilmiştir parametreleri ile simülasyon yeniden başlayacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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. Genel modeli bu zaman aralığında boyalı su hareketini yakalamak mükemmel bir iş yapıyor. Sediment lee tarafında bulunan ilk boya leke, hem simüle ve deneysel sistemlerde tortuları çıkar. İkinci uzatır ve izleyicinin bazı aşağı özgün konumu ve bazı üst bir çıkar böylece, yayılır olarak hilal şeklini oluşturan aşağı hareket eder. Geçen boya blob yukarı yayar ve izleyicinin bazı derin seyahatleri sedimanlar içine. Bu hyporheic değişim yatak oluşumları altında ve hyporheic döviz akışının desenleri geometri sediment ilgili olduğunu ortaya çıktığını göstermektedir. Simülasyon ve deney arasındaki güçlü anlaşma birinci dereceden seviyesine model denklemleri doğrular. Bu işlem aynı zamanda açıkça hyporheic değişim sediment boyutu ile terazi önemli bir süreçtir ve gözenek suyu o neredeyse yarısı yatak oluşumları altında yukarı akar göstermektedir. Dikkat edilirse, ancak küçük farklılıklar gözlenen ve simüle boya taşıma arasında görülebilir. Simülasyon, gerçek boya desen daha pürüzsüz ve tortu içine kadar derin uzamaz. Bu farklılıklar Tablo 2 'de tarif edildiği gibi, vb düzensiz sediment geometri, tortu ambalaj değişkenlik kaynaklanan ölçüm hataları ve ikinci dereceden fiziksel etkileri bir kombinasyonu sonucu oluşur.

4 "src =" / files / ftp_upload / 53285 / 53285fig4.jpg "/>
Şekil 4. simülasyonları kanalet boya cephede karşılaştırılması. Boya kanalet enjekte edildi ve bir resim 0. Tracers boya ile aynı yerlerde Mousedrop kullanarak yeraltı konuldu anda alındı. Izleyiciler daha sonra 34.2 simülasyon dakika taşındı ve simülasyon sonra ilk resmi sonra 34.2 dk çekilen bir resim ile karşılaştırılır. Gözlenen boya desenleri ve simülasyonlar daha sonra karşılaştırmak. Modeli tarafından yakalanan değildir akış alanında mekansal değişimler nedeniyle bazı farklılıklar vardır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Farklılıklar Ortak Kaynakları Beklenen Sonuç
Gerçek kafa profil farkErs kabul sinüs eğriden Sediment altında gözenek suyu akışındaki asimetri
Yatak oluşumları düzensiz serisi Gözlem yerde akış alanının Potansiyel sapmalar
Yetersiz sediment yatak derinliği Gözenek suyu profilinin düşey sıkıştırma
Düzgün olmayan (yani, zaman-değişken) yatak üzerinde akış Gözenek suyu akışının ek bileşenini üst üste ek yükseklik kafa bileşenleri (örneğin, sediment gözenek suyu sirkülasyon altında hücrenin asimetriyi arttı.)
Tortuların ambalaj Heterojenite Gözenek suyu akışında Mekansal değişkenlik (yüksek ve düşük hız ile sedimanlar yamalar)
Sedimanlar Önemli bozulması boya enjekte Boya sürüm dikey througEnjeksiyon deliği h
Bir suda çözünür boyanın veya yetersiz dağılması için veya enjeksiyondan önce boyanın karıştırılması Gözenek suyu, muntazam olmayan gözenek suyu taşıma veya enjeksiyon konumlarından boya yavaş harekete boyanın birleştirilmelidir.
Yanlış ölçümler (sık birimlere bağlı) Bu büyük ölçüde yanlış sonuçlar neden olabilir
Simülasyonda dağılım Üstlenilen eksikliği Bazı genişleme boya şekilleri olduğunu

Gözlem ve Simülasyon. Hatasının ortak kaynakların bir listesi arasındaki tutarsızlık Tablo 2. kaynakları bu tabloda numaralandırılmış.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 değişim mekaniği ile birlikte lisansüstü dersler de kullanılabilir . Ne olursa olsun düzeyi, interaktif teknoloji olarak bu basit görselleştirme modelinin kullanılması öğrencilerin soyut teori ve tartışma yoluyla elde edilebilir olandan bu karmaşık ve önemli olayların daha derin bir anlayış oluşturmak için olanak sağlar.

Bu yöntemler, fiziksel sistem ve simulati arasındaki farkları kullanırkenüzerinde "hata" olarak görülebilir, ama olmamalı yerine yani "öğretilebilir an" olarak, sonuçta daha fazla öğrenmeye yol açacak bir tartışma için başlangıç ​​noktası. Öğrenciler de dahil olmak üzere bir dizi soru, düşünmeye yol açtı edilmelidir: Ne hata kaynaklarının tümü (modelde, ölçümlerin ve laboratuvar prosedürü)? Bunlardan hangisi potansiyel simülasyonları ve gözlemler arasındaki tutarsızlık katkıda bulunabilir? Basitleştirilmesi ne varsayımlar modeli formülasyonunda yapılmıştır? Ne kadar önemli, küçük farklılıklar vardır ve onlar modeli "yanlış" yapabilirim? Istatistikçi George Box ünlü dediği gibi, "Esasen, tüm modeller yanlış, ama bazı yararlıdır." 34 İyi bir bilimsel model sistemin belirli temel özellikleri yakalar, böylece daha iyi bir anlayışa yol daha az alakalı ayrıntıları ihmal iken eldeki soruna. Bu oluklu laboratuvar deneyi ve beraberindeki simulation güçlü ve bir model ve deneysel yöntemin zayıflıkları hem anlamada öğrenciler için mükemmel bir vaka çalışması sunar. Böylece, öğrenciler hyporheic değişimi ve çözünen ulaşım temel kavramları ile büyük bir akıcılık kazanmak yapmak değil sadece, ama onlar bilgisayar modellemesi ve laboratuvar deney arasında, teori-bina ve veri toplama arasındaki tamamlayıcı bir ilişki (ve bazen karmaşık etkileşim) hakkında öğrendim. Ayrıca, laboratuar ve simülasyon bu kavrama bildiklerimizi sorgulama ve nasıl bildiğimiz yoluyla önemli bilişüstü becerileri, bilgi, bilimsel araştırma sürecinde kazanılan nasıl 35 gelişimini teşvik eder. Araştırmanın artan vücut öğretim bilişüstü etkinliği (aka üst düzey düşünme) becerilerini 36-38 kanıtlıyor.

Gözlenen ve simüle izleyici yörüngeleri arasındaki sapmaların için çok sayıda nedeni vardır. Aşırı yanal hareketBir enjeksiyon sırasında iğnenin boya su kolonu doğrudan kaçmak için izin kum tercihli akış yoluna yaratacaktır. Bizim hız denklemleri yanal veya boyuna dağılımını dahil değildir. Bir oluklu olarak, sediment geometri simülasyonları tanımlanan idealize sinusoid daha asimetriktir. Sedimanlar tamamen homojen asla; paketleme ve sediment boyutlarda değişimler yerel hidrolik iletkenlik ve gözenekliliği etkileyecektir. O boya enjeksiyonları yapmadan önce kanalet pompa hızını azaltarak sediment göçünü en aza indirmek için en iyisi olsa da, bazı göç yine de oluşabilir. Yatak oluşum geçiş enjekte boyaya sediment tepe nisbetle ve böylece altı hidrodinamik değişen konumunu değiştirir. Deneysel akış geçiş yolları salma bu nedenle her zaman simülasyonlar farklı olacaktır, ancak izleyici hareketin genel desen değiştirmemelisiniz. Burada kullanılan deneysel koşullar altında, model simülasyonları ve gözlenen boya akışı arasında güçlü bir anlaşma var. Additio Böyle sediman heterojenite, fraktal sediment topografya, yeraltı akıntı, üç boyutlu topoğrafya, çapraz kanal akışı ve akış akışında zamansal değişimler olarak nal karmaşıklığı, birçok doğal sistemlerde meydana gelir. Burada açıklanan boya izli yöntemleri kanalet deneme kurulumu uygun tadilatı yoluyla bu süreçlerin etkilerini araştırmak için kullanılabilir. Bu yaklaşım akış görselleştirme genellikle süreçlerini yöneten konusunda deney hipotezler için kullanıldığı gibi, araştırma yanı sıra öğretim amaçları için kullanılabilir ve aynı zamanda dere yatağı ve sediment arasındaki örnek hyporheic değişim tozlar, malzeme akışına ve kütle dengeleri hesaplamak için kullanılabilir 21. Burada tarif edilenlere benzer boya izleyici yöntemleri dere morfoloji, tortu heterojenliği, yeraltı suyu deşarj etkilerinin belirlenmesi, ve hyporheic değişimi ile şarj, hem de gözenek suyu dalgaları 39-42 ile indüklenen akımları gibi ilgili işlemleri değerlendirmek için kullanılmıştır.

Burada kullanılan basit akış modeli dikkatle kontrol laboratuvar koşullarında hyporheic akışının oldukça sadık üreme gösterirken içerik ">, kompleks sistemlerin modellenmesi doğal olarak kullanımı sınırlıdır. Bizim komut dosyaları öncelikle bir öğretim aracı çünkü burada NetLogo programlama dilinde yazılmıştır Bir, basit, ücretsiz ve açık kaynak kodlu ajan-tabanlı simülasyon platformu sağlar ve mükemmel görsel ve öğrenmeyi kolaylaştırıcı giriş parametreleri, kolay kullanım manipülasyon destekler çünkü. Diğer yaklaşımlar daha karmaşık sistem geometrisine 14 hyporheic alışverişini simülasyonu geliştirilmiştir 20 ve sediment yapısı 43,44. özgür / açık kaynak araçları (örneğin, MODFLOW) ve ticari yazılım paketleri çeşitli (örneğin, COMSOL) Daha fazla kompleksi altında hyporheic akışını modelleme yararlı olabilir sonlu farklar ve sonlu elemanlar yöntemleri kullanmak geometrileri ve yeraltı heterojenliği 15,45-48 ile.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats