डाई प्रयोगों और सिमुलेशन का उपयोग Bedforms के माध्यम से Hyporheic प्रवाह Visualizing

Summary

This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.

Abstract

नदी के वातावरण में hyporheic विनिमय बुलाया अवसादों के ताकना अंतरिक्ष और overlying पानी स्तंभ के बीच Advective विनिमय, नदियों और कई महत्वपूर्ण biogeochemical प्रक्रियाओं में घुला हुआ पदार्थ परिवहन ड्राइव। दृश्य प्रदर्शन के माध्यम से इन प्रक्रियाओं की समझ में सुधार करने के लिए, हम बहु एजेंट कंप्यूटर मॉडलिंग मंच NetLogo में एक hyporheic प्रवाह अनुकरण बनाया। अनुकरण दो आयामी bedforms के साथ कवर एक streambed के माध्यम से बह आभासी दरियाफ्त से पता चलता है। तलछट, प्रवाह, और bedform विशेषताओं मॉडल के लिए इनपुट चर के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं। हम इन सिमुलेशन मापा इनपुट मापदंडों के आधार पर प्रयोगशाला नालिका प्रयोगों से प्रयोगात्मक टिप्पणियों से मेल वर्णन कैसे। डाई porewater प्रवाह कल्पना करने के लिए नालिका अवसादों में इंजेक्ट किया जाता है। तुलना के लिए आभासी दरियाफ्त कणों अनुकरण में एक ही स्थान पर रखा जाता है। इस युग्मित सिमुलेशन और प्रयोगशाला प्रयोग स्नातक और gradua में सफलतापूर्वक इस्तेमाल किया गया हैते प्रयोगशालाओं सीधे नदी-porewater बातचीत कल्पना और शारीरिक रूप से आधारित प्रवाह सिमुलेशन पर्यावरण घटना को पुन: पेश कर सकते हैं दिखाने के लिए कैसे। छात्र पारदर्शी नालिका दीवारों के माध्यम से बिस्तर की तस्वीरें लीं और अनुकरण में एक ही समय पर डाई का आकार करने के लिए उन्हें तुलना में। यह छात्रों के बेहतर प्रवाह पैटर्न और गणितीय मॉडल दोनों को समझने के लिए अनुमति दी है जो बहुत ही इसी तरह के रुझान, में हुई। सिमुलेशन भी उपयोगकर्ता जल्दी से कई सिमुलेशन चलाकर प्रत्येक इनपुट पैरामीटर के प्रभाव कल्पना करने के लिए अनुमति देते हैं। इस प्रक्रिया को भी इंटरफेसियल अपशिष्टों और porewater परिवहन से संबंधित है, बुनियादी प्रक्रियाओं उदाहरण देकर स्पष्ट करना, और मात्रात्मक प्रक्रिया आधारित मॉडलिंग का समर्थन करने के लिए अनुसंधान अनुप्रयोगों में इस्तेमाल किया जा सकता है।

Introduction

सतही जल एक धारा में चलता रहता है, नदी, या ज्वारीय क्षेत्र के रूप में इसे और अवसादों ¹ के बाहर पानी है कि ड्राइव सिर ढ़ाल बनाता है। नदी प्रणालियों में इस मुद्रा होती है जहां streambed अवसादों के हिस्से hyporheic क्षेत्र ^2,3 के रूप में जाना जाता है। कई पोषक तत्वों और प्रदूषण, संग्रहीत जमा, या hyporheic क्षेत्र ^4-9 भीतर तब्दील कर रहे हैं क्योंकि इस क्षेत्र के लिए महत्वपूर्ण है। एक अनुरेखक तलछट में खर्च करता है समय की राशि एक निवास समय कहा जाता है। दोनों निवास बार और प्रवाह पथ के स्थानों परिवर्तन की प्रक्रिया प्रभावित करते हैं। तलछट के माध्यम से प्रवाह को प्रभावित करने की प्रक्रिया की बेहतर समझ नदियों में घुला हुआ पदार्थ परिवहन की भविष्यवाणी और इस तरह के पोषक तत्वों (जैसे, तटीय हाइपोक्सिया ^10,11) के रूप में सामग्री के प्रचार-प्रसार से उत्पन्न बड़ी पर्यावरणीय समस्याओं का समाधान करने की जरूरत है। Hyporheic आदान-प्रदान के महत्व के बावजूद, यह अक्सर जल विज्ञान में स्नातक पाठ्यक्रम में वर्णित नहीं है,उनके पाठ्यक्रमों को hyporheic विनिमय जोड़ने के लिए बधाई देने के तरल पदार्थ आदि यांत्रिकी, हाइड्रोलिक्स, शिक्षकों के लिए यह उपयोगी स्पष्ट रूप से इस प्रक्रिया को बताते हैं कि प्रयोगात्मक और संख्यात्मक दृश्यावलोकन है करने के लिए मिल सकता है।

स्ट्रीम चैनल बल, आसपास के भूजल स्तर, और streambed स्थलाकृति (यानी, सलाखों, bedforms, और biogenic टीले) सभी डिग्री बदलती ^12-17 को hyporheic विनिमय प्रभावित करते हैं। इस अध्ययन में इस तरह आम तौर पर hyporheic प्रवाह ^14,15 प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण भू-आकृतिक विशेषताएं हैं जो टिब्बा और चर्चित, के रूप में bedforms, पर ध्यान केंद्रित किया। हम bedforms के एक नियमित श्रृंखला के माध्यम से प्रवाह कल्पना करने के लिए एक संख्यात्मक सिमुलेशन और प्रयोगशाला प्रयोग बनाया। इस अनुकरण hyporheic प्रवाह पथ के लिए आसानी से नमूदार प्रणाली विशेषताओं ^15,18-21 संबंधित पिछले अनुसंधान की एक संस्था पर आधारित है। इस शोध के अनुकरण के लिए वैज्ञानिक पृष्ठभूमि रूपों के रूप में, सिद्धांत के प्रमुख पहलुओं का एक संक्षिप्त सारांश इस प्रकार है। Bedform स्थलाकृति, टी (x)द्वारा दिया गया है:

1 समीकरण:

एच दो बार bedform का आयाम है, जहां कश्मीर तरंग संख्या है, और एक्स औसत streambed सतह के लिए अनुदैर्ध्य आयाम समानांतर है। इस bedform स्थलाकृति का एक उदाहरण चित्र 1 में दिखाया गया है।

चित्रा 1. पैरामीटर परिभाषाएँ और सेटिंग उपयोगकर्ता द्वारा नियंत्रित किया। इंटरफ़ेस में, ट्रेसर कणों पानी / तलछट इंटरफेस में एक प्रवाह भारित ढंग से जारी कर रहे हैं और तलछट के माध्यम से नज़र रखी। शो-रास्तों हैं? पानी ट्रेसर निशान "पर" वे, उनके रास्ते दिखा दिया गया है है, जहां। एक अनुरेखक सतह के पानी को रिटर्न, इस टी में परिवर्तनड्रॉप फिर से जब वह प्रणाली में ट्रेसर की कुल संख्या? "बंद" करने के लिए निर्धारित है। संचयी निवास समय वितरण साजिश समय के एक समारोह के रूप में प्रारंभिक संख्या के लिए तलछट बिस्तर में शेष ट्रेसर की संख्या के अनुपात साजिश रचने के द्वारा इस परिवर्तन को दर्शाता है। फिर से ड्रॉप है? फिर सिस्टम छोड़ कि ट्रेसर मूल कणों के रूप में एक ही प्रवाह भारित तरीके से प्रतिस्थापित कर रहे हैं, और संचयी साजिश अक्षम हो जाता है "पर" है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

<tघ>

मापदण्ड नाम	इकाइयों	परिभाषा			इंटरफ़ेस	Mousedrop
लैम्ब्डा (λ)	से.मी	Bedform की वेवलेंथ (चित्रा 1 देखें) </ टीडी>
BedformHeight (एच)	से.मी	दो बार bedform आयाम (चित्रा 1 देखें)
BedDepth (डी)	से.मी	अवसादों की गहराई (चित्रा 1 देखें)
HydrCond (कश्मीर)	सेमी / एस	द्रवचालित प्रवाहिता
Porosity (θ)		Porosity
ChannelVelocity (यू)	सेमी / एस	सतह के पानी या चैनल में मतलब वेग
गहराई (घ)	से.मी	पानी की गहराई (चित्रा 1 देखें)
ढलान (एस)		Bedforms और पानी की सतह की ढाल
NumParticles		कणों की संख्या प्रणाली में जारी किया।
टाइमेक्स (समय 1, time2 ..)	मिनट	प्रत्येक रंग परिवर्तन होता है, जिस पर समय
सिमुलेशन बटन		परिभाषा			इंटरफ़ेस	Mousedrop
सेट अप		दिखाया मापदंडों का उपयोग कर अनुकरण का सेट अप
बंद करो / जाने		शुरू होता है और अनुकरण बंद हो जाता है
चरण		कदम क्लिक करने से पारित करने के लिए एक बार कदम का कारण बनता है। यह उपयोगकर्ताओं को कोड को धीमा और 100 सेकंड में वास्तव में क्या होता है देखने के लिए अनुमति देता है।
स्पष्ट पथ		स्क्रीन से सभी वह नीले रंग कण रास्तों को साफ करता है
अगली बार के लिए अग्रिम		यह अगले रंग बदलने तक समय (टाइमेक्स) चलाने के लिए कार्यक्रम का कारण बनता है
माउस-बूंद		कणों उपसतह में स्थानों पर क्लिक करके उपसतह में रखा जा सकता है इससे पहले कि यह बटन क्लिक किया जाना चाहिए।
शो-रास्तों?		शो-रास्तों हैं? पानी के कणों वे किया गया है जहां नीले रंग दिखाने का एक निशान छोड़ "" पर है (चित्रा 1 देखें)।
फिर से ड्रॉप?		फिर से ड्रॉप है? कणों सिस्टम से बाहर निकालता है, जो हर कण, के लिए एक प्रवाह भारित तरीके से प्रतिस्थापित कर रहे हैं, और संचयी साजिश काम नहीं करता "" पर है। जब एक गड्डCLE प्रणाली में कणों की संख्या फिर से ड्रॉप अगर कम हो जाती है hyporheic क्षेत्र से बाहर निकालता है? "बंद" है (चित्रा 1 देखें)।

उपयोगकर्ता द्वारा समायोजित किया जा सकता है कि तालिका 1. Hyporheic पैरामीटर्स और सिमुलेशन नियंत्रण। प्रत्येक पैरामीटर, बटन, और स्लाइडर एक परिभाषा के साथ-साथ इस तालिका में दी गई है।

इस अनुकरण में, दो प्रक्रियाओं रेत बिस्तर में द्रव वेग प्रेरित। पहले bedforms साथ धारा प्रवाह की बातचीत की वजह से है। bedforms से प्रेरित पानी / तलछट इंटरफेस में वेग सिर भी लगभग sinusoidal है, और bedform में ही ²² से एक चौथाई तरंगदैर्ध्य से स्थानांतरित कर दिया। सतह उपसतह इंटरफेस में वेग सिर समारोह के आयाम के रूप में ¹⁶ माप से approximated किया गया है:

<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pa जीई = "हमेशा"> 2 समीकरण:

यू मतलब सतही जल वेग है, जहां ग्राम गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक है, और डी (चित्र 1 में दिखाया गया है) पानी की गहराई है। वेग सिर समारोह तब तक दिया जाता है:

3 समीकरण:

यह सिर समारोह तो एक निरंतर रेत बिस्तर गहराई ²⁰ के साथ लाप्लास समीकरण को हल करके उपसतह वेग कार्यों की bedform आधारित घटक की गणना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। porewater वेग के दूसरे घटक की पैदावार के लिए आनुपातिक नीचे की ओर दिशा में प्रवाह है कि एक गुरुत्वाकर्षण सिर ढाल से मेल खाती है, जो प्रणाली, एस, के ढलान से निर्धारित होता हैएस / ftp_upload / 53,285 / 53285eq_S_inline.jpg "/> porewater वेग के लिए अंतिम कार्य कर रहे हैं।:

4 समीकरण:

5 समीकरण:

यू अनुदैर्ध्य वेग घटक है, जहां वी वाई खड़ी समन्वय स्थापित है, ऊर्ध्वाधर वेग घटक, कश्मीर, तलछट की औसत हाइड्रोलिक चालकता है अवसादों की औसत सरंध्रता है, और डी अवसादों की गहराई है।

NetLogo मॉडलिंग भाषा और अनुकरण मंच ²³ का उपयोग करें जो बनाए गए थे कण ट्रैकिंग सिमुलेशन,। दो कार्यान्वयन (Mousedrop.nlogo और Interface.nlogo) नितंब मॉडल करने के लिए इन समीकरणों का उपयोगएक ही अनुकरण कोर के साथ orheic प्रवाह। प्राथमिक अंतर दरियाफ्त कणों की प्रारंभिक स्थानों है। Mousedrop उपयोगकर्ता कहीं भी उपसतह भीतर नकली दरियाफ्त जगह के लिए अनुमति देता है। उपसतह वेग समीकरणों 4 और 5 डाई इंजेक्शन प्रयोगों अनुकरण करने के लिए दरियाफ्त स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किया जाता है। इंटरफ़ेस में, ट्रेसर हमेशा एक प्रवाह भारित ढंग से सतह / उपसतह सीमा के साथ रखा गया है। इस hyporheic विनिमय को समझने के लिए महत्वपूर्ण है जो porewater में सतह के पानी से भंग कर दिया और निलंबित सामग्री का वितरण mimics। इसे फिर से धारा पानी पहुंचता है जब तक दरियाफ्त तो उपसतह भीतर ले जाता है। नालिका में डाई रास्तों ट्रेसिंग और NetLogo का उपयोग करते हुए रास्तों का अनुकरण flowfield की सुव्यवस्थित पैदावार, के रूप में लंबे समय के प्रवाह की स्थिति और bedform आकृति विज्ञान अवलोकन की अवधि के दौरान स्थिर रहने के रूप में। Interface.nlogo पता चलता है जो एक संचयी निवास समय वितरण, बनाता है की संख्या के अनुपातसमय के एक समारोह के रूप में समय 0 पर रखा दरियाफ्त कणों की प्रारंभिक संख्या के अवसादों में शेष दरियाफ्त कणों।

हाल ही में एक साहित्य सर्वेक्षण ²⁴ में चर्चा की, हाथ पर नकली प्रयोगशालाओं और कंप्यूटर मॉडल बनाम प्रयोगशाला प्रयोगों के रिश्तेदार गुण के बारे में शैक्षिक अनुसंधान समुदाय के भीतर काफी बहस बनी हुई है। एक तरफ, कुछ ²⁵ "हाथों पर अनुभव सीखने के दिल में है", और लगता है कि लागत बचत तर्क की हानि के लिए, हाथों पर कंप्यूटर आधारित सिमुलेशन द्वारा प्रयोगशाला गतिविधियों के प्रतिस्थापन ईंधन भरने की जा सकती है कि सावधानी छात्र समझ ^26। दूसरी ओर, साइंस / इंजीनियरिंग शिक्षा के क्षेत्र में कुछ शोधकर्ताओं सिमुलेशन पारंपरिक प्रयोगशालाओं ²⁷ पर हाथ के रूप में कम से कम के रूप में प्रभावी रहे हैं कि लोगों का तर्क है, या छात्र केंद्रित "खोज" सीखने ²⁸ को बढ़ावा देने में कंप्यूटर सिमुलेशन के लाभों पर चर्चा की। आम सहमति फिर से नहीं किया गया हैबैठ जाता है, कई शोधकर्ताओं आदर्श रूप में, कंप्यूटर सिमुलेशन प्रयोगशाला प्रयोगों ^29,30 हाथों पर, पूरक, बजाय उखाड़ना चाहिए, कि यह निष्कर्ष निकाला है। यह भी विज्ञान और इंजीनियरिंग शिक्षा के भीतर की पहल किया गया है के लिए एक साथ जोड़े को भौतिक प्रयोग और घटना के कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ संवेदन वास्तविक दुनिया; देखते हैं, जैसे, "बाइफोकल मॉडलिंग" ^31।

छात्रों को एक गहरे वैचारिक ज्ञान और एक शारीरिक प्रणाली, और उस व्यवस्था का एक कंप्यूटर आधारित सिमुलेशन दोनों के साथ बातचीत से वैज्ञानिक अनुसंधान की प्रक्रिया का एक बेहतर समझ हासिल कर सकते हैं। यह प्रक्रिया छात्रों के गुरुत्वाकर्षण और bedform प्रेरित hyporheic विनिमय प्रवाह को दर्शाता है कि एक घुला हुआ पदार्थ परिवहन प्रयोग होने शामिल है, और एक ही घटना के एक कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ अपने स्वयं के प्रयोगात्मक सेटअप और परिणाम मेल खाते हैं। इस तुलना महत्वपूर्ण छात्र-सीखने के परिणामों, और टी की एक गहरी चर्चा की सुविधावह वैज्ञानिक विधि, और मॉडल / सिद्धांत के निर्माण और डेटा संग्रह के माध्यम से अनुभवजन्य सत्यापन के बीच परस्पर क्रिया। इस तुलना के प्रदर्शन के बाद, छात्रों को भी जल्दी से मॉडल मापदंडों बदलकर वैकल्पिक परिदृश्यों की एक भीड़ का पता लगाने के लिए कंप्यूटर आधारित सिमुलेशन के लाभ का लाभ ले सकते हैं।

Protocol

1. सिमुलेशन सॉफ्टवेयर इस खंड में वर्णित सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें। (उपलब्ध मुक्त / खुला स्रोत बहु एजेंट मॉडलिंग भाषा और अनुकरण मंच, NetLogo डाउनलोड और स्थापित http://ccl.northwestern.edu/netlogo/ , संस्कर?…

Representative Results

प्रयोगों के साथ संयोजन के रूप में एक सिमुलेशन का उपयोग छात्रों। समानताएं और आर्दश गणितीय मॉडल और अधिक जटिल वास्तविक प्रणालियों के बीच मतभेद का निरीक्षण 4 Mousedrop सिमुलेशन के साथ डाई इंजेक्शन तस?…

Discussion

संयोजन के रूप में, नालिका प्रदर्शन और कण ट्रैकिंग सिमुलेशन दर्शकों की एक श्रृंखला के लिए hyporheic प्रवाह करने के लिए एक व्यापक परिचय प्रदान करते हैं। सभी स्तरों के प्रतिभागियों bedforms से प्रेरित hyporheic विनिमय की…

Materials

Flume	Engineering Laboratory Design	Custom	Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours
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