Die Segregation und Sperrung der Bettform erhöht die Speicherung natürlicher und synthetischer Partikel in Flüssen

Nature Communications Band 12, Artikelnummer: 7315 (2021) Diesen Artikel zitieren

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Während die ökologische Bedeutung des hyporheischen Austauschs und des Feinpartikeltransports in Flüssen gut belegt ist, werden diese Prozesse im Allgemeinen als irrelevant für die Morphodynamik des Flussbetts angesehen. Wir zeigen, dass die Kopplung zwischen hyporheischem Austausch, der Ablagerung suspendierter Sedimente und der Bewegung der Sandbettform die Morphodynamik stark moduliert und Bettsedimente sortiert. Der hyporheische Austausch konzentriert die Ablagerung feiner Partikel innerhalb und unter beweglichen Bettformen, wodurch die Bettbeweglichkeit unterdrückt wird. Abgelagerte Feinpartikel werden jedoch auch durch die Bewegung der Bettform remobilisiert, wodurch ein Mechanismus zur Trennung grober und feiner Partikel im Bett entsteht. Überraschenderweise ergeben sich aus dem konkurrierenden Zusammenspiel von Bettstabilisierung und Remobilisierung zwei unterschiedliche Endzustände: ein gesperrter Zustand, in dem die Ablagerung feiner Partikel das Bett vollständig stabilisiert, und ein dynamisches Gleichgewicht, in dem häufige Remobilisierung das Bett sortiert und die Mobilität wiederherstellt. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung des hyporheischen Austauschs für die Morphodynamik des Flussbetts und verdeutlichen, wie dynamische Wechselwirkungen zwischen groben und feinen Partikeln Sedimentmuster erzeugen, die häufig in Flüssen vorkommen.

Flüsse transportieren sowohl gelöstes als auch partikuläres Material von den Kontinenten in die Ozeane. Terrestrische Feinstaubpartikel spielen eine Schlüsselrolle bei der Strukturierung alluvialer Flusskanäle1, der Erhaltung von Deltaküstenlinien2 und der Unterstützung aquatischer Ökosysteme3,4. Partikelförmiges organisches Material wird in Flussbetten und Überschwemmungsgebieten zurückgehalten5, in deltaischen Klinoformen vergraben6 und in Meeressedimenten gespeichert7,8. Folglich reguliert die Dynamik des internen Flusssystems den Kohlenstoffstoffwechsel, was zu einem jährlichen Ausfluss von 5,1 Pg Kohlenstoff aus Flüssen in die Atmosphäre führt und 0,9 Pg9 terrestrisch gewonnenen Kohlenstoff in die Ozeane liefert5,8,10,11,12. Landentwicklung und Landwirtschaft haben die Bodenerosion und die Einleitung von Feinstaub in Flüsse erheblich verstärkt13. Die übermäßige Anreicherung dieser Feinpartikel in Sedimenten (Verschlammung, Einbettung) ist heute eine der Hauptursachen für die Beeinträchtigung aquatischer Ökosysteme14,15. Diese Auswirkungen verstärken sich erheblich, wenn die Partikel selbst giftig sind (z. B. Abraum aus Metallbergwerken)16. Gleichzeitig wurden große Mengen an Kunststoffen in aquatische Systeme eingetragen, wodurch außerordentlich viele kleine Partikel, Fragmente und Fasern – zusammenfassend als Mikroplastik bezeichnet – entstehen, die durch Flusssysteme transportiert werden und sich dort ansammeln17,18. Die Lagerzeiten solcher synthetischen Partikel und ihre langfristigen Folgen für aquatische Ökosysteme sind derzeit nicht bekannt.

Land-, Wasser- und anthropogene Partikel unterliegen während des Transports vom Quellgebiet des Flusses zu Küstenökosystemen einer Vielzahl von Bedingungen, darunter Sonnenlicht- und Sauerstoffschwankungen in der Wassersäule, physikalischer Abrieb, starke Redoxgradienten und vielfältiger mikrobieller Stoffwechsel im Flussbett19,20 ,21. Gelöste und partikuläre organische Stoffe werden sowohl im Bach als auch in der hyporheischen Zone umgewandelt – dem hoch bioaktiven Bereich des Flussbetts, in dem sich Flusswasser mit Grundwasser vermischt19. Der hyporheische Austausch erleichtert den mikrobiellen Stoffwechsel, indem er benthische und hyporheische Mikrobengemeinschaften mit Sauerstoff, Kohlenstoff und Nährstoffen versorgt19. Geschwindigkeit und Ausmaß des hyporheischen Austauschs werden durch den Flussfluss, die Kanalmorphologie und die Durchlässigkeit des Flussbetts gesteuert. Dennoch wurden hyporheische Fluss- und Speicherzeitskalen nicht in numerische und konzeptionelle Modelle für die Dynamik partikulärer organischer Stoffe oder Mikroplastik in Flüssen einbezogen22,23,24,25.

Bisher kommt es zu einer Ablagerung von feinen (Durchmesser < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\) und leichten (spezifisches Gewicht ~1) anorganischen, organischen und synthetischen Partikeln in Flussbetten wurden nicht berücksichtigt, da allgemein davon ausgegangen wird, dass sie aufgrund geringer Absetzgeschwindigkeiten in der Wassersäule schweben26. Obwohl frühe Studien darauf hindeuteten, dass feine und/oder leichte Partikel die Morphodynamik des Flussbetts beeinflussen können27 und Feinpartikel bekanntermaßen die Flüssigkeitseigenschaften modulieren28, wird allgemein angenommen, dass sie nur minimal mit Flussbetten interagieren29. Es besteht zunehmend Bewusstsein dafür, dass Feinpartikel die Morphodynamik des Bodens beeinflussen können, da jüngste Studien gezeigt haben, dass Feinpartikel die Bodenneigung verändern können30 und als Teil des Bodens mit Bodensedimenten interagieren31,32. Darüber hinaus werden feine Schwebstoffe durch hyporheischen Austausch in Flussbetten transportiert und reichern sich im Untergrund an33,34,35,36.

Hier zeigen wir, dass die Dynamik feiner Partikel, der hyporheische Austausch und die Morphodynamik des Flussbetts stark gekoppelt sind und diese Kopplung das System in einen von zwei asymptotischen Endzuständen treibt: Bettformverriegelung, bei der sich feine Partikel innerhalb von Bettformen ansammeln und das Bett vollständig stabilisieren, und Segregation in Dabei breiten sich feine Partikel durch Bettformen nach unten aus, wodurch die Bettmorphodynamik vollständig wiederhergestellt wird und vergrabene Ablagerungsschichten entstehen. Beide Endzustände hinterlassen ein ausgeprägtes Ablagerungsmuster, das anhand von Sedimentkernen nachgewiesen werden kann. Darüber hinaus steuern diese Endzustände sowohl die Partikelrückhaltezeitskalen als auch die Häufigkeit der Bettremobilisierung, die sowohl den Abbau als auch die ökologischen Auswirkungen feiner Partikel in Flüssen regulieren.

Wir beobachteten gleichzeitig die Bettmorphodynamik und die Ablagerung feiner Partikel (Kaolinit-Ton) in umlaufenden Laborrinnen unter Bedingungen, die typisch für kleine Sandbettbäche sind (Methoden). Wir haben zunächst die Morphodynamik von Sand allein (vor der Zugabe von Ton) beobachtet, um die Verteilung der Bodenformgeschwindigkeit und -morphologie unter den einzelnen Strömungsbedingungen zu beurteilen (Abb. 1a, b). Anschließend fügten wir dispergierten Ton zum freien Fluss hinzu und beobachteten den Stromfluss, die Tonablagerung und Veränderungen in der Bettmorphodynamik mithilfe einer Kombination aus Bildern (Bettformen und Ton), akustischer Doppler-Geschwindigkeitsmessung (Strömungs- und Bettformstatistiken an einem Punkt) und Messungen der schwebenden Tonkonzentration (Echtzeit) und Grundtongehalt (am Ende der Experimente). Ton wurde entlang hyporheischer Fließwege in und durch das Bett transportiert und an der Stelle des maximalen hyporheischen Zuflusses zu jeder Bettform und innerhalb der Bettformtröge abgelagert (ergänzende Abbildung 1, ergänzender Film I). Die Ansammlung von Ton stabilisierte das Bett, verringerte die Geschwindigkeit der Bettform (Abb. 1a, b) und veränderte die Bettmorphologie (Abb. 1c). Diese Art der Stabilisierung wurde in körnigen Mischungen beobachtet37,38 und resultiert bekanntermaßen aus Partikel-Partikel-Wechselwirkungen (Kohäsion), wenn Tonablagerungen Poren füllen und Brücken zwischen Sandkörnern bilden39,40,41,42,43. Wir konnten diese mikroskaligen Prozesse in unseren groß angelegten Experimenten nicht direkt beobachten, aber Tonablagerungsmuster, verringerte Bodenformgeschwindigkeit und veränderte Bodenformmorphologie zeigen alle die Auswirkungen der Stabilisierung (Abb. 1, Abb. 2, ergänzende Abb. 2). .

a Bedform-Tröge wurden sowohl vor (blau) als auch nach der Tonzugabe (rot) kontinuierlich verfolgt. Nach der Zugabe von Ton verlangsamen sich die Bettformen und verriegeln sich schließlich. Rote horizontale Linien zeigen unbewegliche Bettformen an (dh Geschwindigkeit = 0). b Rote und blaue Punkte stellen Bettformgeschwindigkeiten dar, die für die in a gezeigten Trogstellen berechnet wurden, während die durchgezogene schwarze Linie die Ansammlung von Ton innerhalb des Bettes darstellt. Während sich der Ton ansammelt, verriegelt sich das Bett vorübergehend (die Geschwindigkeit nähert sich in der Nähe von 250 Stunden dem Nullpunkt) und dann setzt die Bettbewegung aufgrund turbulenter Schwankungen stromaufwärts wieder ein. Das Bett verschließt sich wieder, nachdem sich ausreichend Ton im Bett angesammelt hat (ca. 410 Stunden). c Von oben nach unten: Bilder, die mobile Bettformen mit sauberem Bett (50 Stunden), teilweise mobile Bettformen nach Tonzugabe (300 Stunden) bzw. verriegelte Bettformen (450 Stunden) zeigen. Die Bilder wurden farblich angepasst, um die Visualisierung der Tonschicht zu erleichtern. Unter Bedingungen hoher Sedimenttransportraten im Boden führt der fortlaufende Sandtransport zu einem getrennten Endzustand, in dem sich mobile Bettformen über einer Schicht abgelagerten Tons ausbreiten. In Fällen, in denen die Stabilisierung vorherrscht, führt jedoch eine ausgedehnte Tonablagerung innerhalb der Bettformen zu einem verschlossenen Endzustand.

a Drei Beispiele für Verteilungen der Gesteinsgeschwindigkeit vor (durchgezogen) und nach (gestrichelt) der Tonzugabe für niedrige (blau), mittlere (gelb) und hohe (rot) Schildspannungen. Die Geschwindigkeitsverteilung der Bodenform nimmt nach der Tonablagerung ab, und die Verringerung ist bei geringerer Flüssigkeitsscherung stärker ausgeprägt (blaue Linien). b Die normalisierte Bettformgeschwindigkeit nimmt mit dem Bettformstabilisierungsverhältnis \(\psi =\frac{M}{{\tau }_{* }}\) ab, was darauf hinweist, dass die beobachteten morphodynamischen Änderungen ein Gleichgewicht zwischen Kohäsionskräften und der Spannung der Flüssigkeitsschilde widerspiegeln . Die Punkte stellen den Durchschnitt der 100-Stunden-Daten zur Bettformgeschwindigkeit dar. Es wird eine lineare Anpassung (R2 = 0,93) mit einem Konfidenzintervall von 95 % angezeigt. Diese Beziehung ist sowohl für sperrende (stabilisierungsdominierte) als auch segregierende (mobilisierungsdominierte) Bedingungen konsistent.

In Experimenten mit relativ niedrigen Schergeschwindigkeiten (U* = 0,013 m/s) stabilisierte die Tonansammlung das Bett vollständig und fixierte die Bettformen an Ort und Stelle (Zusatzfilm I). Zur Blockierung kam es, als die Kohäsion so stark zunahm, dass die ausgeübte Flüssigkeitsscherung nicht mehr ausreichte, um das Bett zu mobilisieren. Die Geschwindigkeit der Bettform nahm mit der Ansammlung von Ton im Bett ab (Abb. 1, Abb. 2) und zeigte ein stochastisches Verhalten, wenn die Transportrate gegen Null ging. Der vollständigen Blockierung gingen Phasen beginnender Blockierung voraus, in denen sich das Bett lokal am Beobachtungsort vollständig stabilisierte, stromaufwärts jedoch mobil blieb. Der resultierende Sedimenttransport breitete sich durch das System aus und remobilisierte das Bett im Messbereich episodisch (Abb. 1a – c). Als sich das Bett einem verriegelten Zustand näherte, veränderte die teilweise Stabilisierung die Bettmorphologie erheblich. Die Wellenlängen der Bettform nahmen zu, als sich der Transport von Bettsedimenten verlangsamte (ergänzende Abbildung 2). Darüber hinaus verblieb während der Zeit der Sperrung der Bettformen eine kleine Menge Sand beim Transport über die gesperrten Bettformen. Diese Kombination aus Sandablagerung in Bettformmulden und einer Gesamtverlängerung der Bettformen verringerte die Leewinkel der Bettform (ergänzende Abbildung 2). Durch die Tonablagerung wurde das Bett schließlich vollständig blockiert und der Sedimenttransport überall im System gestoppt. Vollständig verschlossene Bettformen hatten sichtbar andere Formen und morphologische Eigenschaften als tonfreie oder sortierte Ton-Sand-Bettformen, da sie länglich sind und ihr Lee-Winkel merklich verringert ist. (Abb. 1c, ergänzende Abb. 2).

Das Ausmaß der Stabilisierung des Bettes hing von der ausgeübten Flüssigkeitsscherung sowie der Menge des abgelagerten Tons ab (Abb. 2). Während die Tonflockengröße mit der bei jeder Injektion verwendeten Tonmasse und dem Salzgehalt leicht zunahm, hatte die Flockengröße keinen merklichen Einfluss auf die Bodenstabilisierung. Die Gesteinsgeschwindigkeit nahm in allen Fällen ab, eine vollständige Blockierung trat jedoch nur unter relativ geringen Scherbedingungen auf, bei denen die Stabilisierung die Rückkehr des Tons in die Wassersäule durch hyporheischen Austausch und Gesteinsauswaschung (Remobilisierung) dominierte (Abb. 2a). Wir haben die Änderung der Gebirgsformdynamik anhand eines Stabilisierungsverhältnisses \(\psi\) bewertet, das als Verhältnis des Tonanteils im Bett (M) (ein Proxy für die mit der Tonablagerung verbundene Kohäsionskraft) und der Mobilisierungskraft definiert ist durch die Flüssigkeit auferlegt (dimensionale Shields-Spannung, \({\tau }_{* }\)). Die normalisierte Bettformgeschwindigkeit (Verhältnis der mittleren Geschwindigkeit von Ton-Sand-Bettformen relativ zu Sand allein ) nahm linear mit dem Stabilisierungsverhältnis ab (Abb. 2b). Die Stabilisierung mobiler Sedimentbetten allein durch die Ablagerung feiner Partikel aus der Wassersäule wurde bisher nicht quantifiziert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ablagerung und Remobilisierung feiner Partikel episodisch die Morphodynamik von Sandbettflüssen reguliert.

Unter Bedingungen hoher Bettmobilität (\(\psi\) - > 0) wird abgelagerter Ton häufig aus den Bettformen heraus remobilisiert, und eine langfristige Ablagerung erfolgt nur in einer horizontalen Schicht unterhalb des aktiven Bereichs des Bettsedimenttransports. In diesem Fall beobachteten wir einen Höhepunkt der Tonansammlung an der Stelle der häufigsten (modalen) Kolktiefe (Abb. 3a). Dies kann als Ergebnis eines stochastischen Prozesses angesehen werden, bei dem der Durchgang einer zufälligen Reihe von Bettformen sowohl eine Abwärtsbewegung suspendierter Partikel entlang hyporheischer Strömungspfade als auch eine Remobilisierung abgelagerter Partikel durch Kolkung induziert. Diese Remobilisierung kann als eine Art Windungsprozess betrachtet werden, bei dem feine Partikel aus dem Sedimentbett entfernt werden. Durch die wiederholte Passage von Bettformen werden Tonpartikel jedoch tiefer in das Bett und schließlich in Regionen bewegt, aus denen sie nicht remobilisiert werden44. Die resultierende Tonakkumulationsschicht ist horizontal, da sie durch den Durchgang vieler Bodenformen gebildet wird, was die Auswirkungen hyporheischer Austauschprozesse in Längsrichtung homogenisiert45. Wenn umgekehrt die Stabilisierung vorherrscht, kommt es in jeder Bettform zu einer ausgedehnten Tonablagerung, und die daraus resultierende starke lokale Stabilisierung verlangsamt die Bewegung der Bettsedimente und stoppt sie schließlich. Für den gesperrten Fall beobachteten wir, dass die Tonansammlung mit der Tiefe im Boden monoton abnahm (Abb. 3b), wie es für einen Prozess erwartet wird, der durch den Fluss von Sedimentpartikeln aus der Wassersäule angetrieben wird 46, 47.

Die Bilder auf der linken Seite sind repräsentative Bilder der beiden Endzustände, während die Konzentrationsprofile auf der rechten Seite die Tonansammlung im Sedimentbett widerspiegeln (siehe Methoden). Rote Kreise stellen die mittlere Konzentration dar und die Schattierung stellt den Interquartilbereich dar. a Im entmischten Endzustand (NU-3) sammelt sich Ton in einer definierten Schicht direkt unterhalb der aktiven Sandtransportschicht an. Der Höhepunkt des Tonkonzentrationsprofils liegt knapp unterhalb der häufigsten Bodenbildungstiefe. Ton lagert sich auch unterhalb der maximalen Kolktiefe (~0,075 m) ab, da Ton durch hyporheischen Austausch aktiv unter die Bodenformen gepumpt wird. b Im gesperrten Endzustand (NU-8) stoppt eine ausgedehnte Tonansammlung innerhalb der Bettformen die Bettbewegung. Die Tonablagerungsmuster spiegeln das durch die Bettform verursachte hyporheische Pumpen in den Stosshang und durch die Bettform wider. In diesem Fall gibt es keine definierte Schicht vergrabenen Tons und die Konzentration des abgelagerten Tons nimmt monoton mit der Tiefe ab. In den Bildern der Bettformen erfolgt die Strömung von links nach rechts. Die Bilder wurden farblich angepasst, um eine einfachere Visualisierung der Tonansammlung zu ermöglichen.

Im mobilisierungsdominierten Fall verringerte das Vorhandensein von Ton in der mobilen Schicht die Geschwindigkeit der Bodenform über den Zeitraum des Experiments immer noch (Abb. 2), aber Ton sammelte sich in dieser Region nicht dauerhaft an. Stattdessen sammelte sich Ton hauptsächlich unterhalb der aktiven Sandtransportschicht in Tiefen an, wo Ton durch hyporheischen Austausch abgegeben, aber nur selten durch den Durchgang größerer Bettformen remobilisiert wurde. Die Tonansammlung stabilisierte das Bett in dieser Tiefe, verschob die Kolkverteilung nach oben und verringerte die mittlere Bettformhöhe (ergänzende Abbildung 4). Diese Dynamik erzeugte einen getrennten Endzustand, in dem sich Ton direkt unter der aktiven Schicht ansammelt, während eine mobile Sandtransportschicht aufrechterhalten wird (Abb. 3a). Der hyporheische Austausch nahm in der Tiefe der Tonansammlung um mehr als den Faktor zwei ab, blieb jedoch innerhalb der aktiven Schicht bestehen (Ergänzungsbild 1, Ergänzungsfilm 2).

Die beiden hier beobachteten morphodynamischen Endzustände – getrennt und verriegelt – repräsentieren die asymptotischen Ergebnisse des stochastischen Antriebs und der inneren Dynamik in Flüssen. Bettformen entwickeln sich spontan aus Wechselwirkungen zwischen Flussströmung, Bettsedimentbewegung und Flussbetttopographie48. Während früher angenommen wurde, dass die Dynamik von Schwebstoff- und Bettteilchen unabhängig voneinander sei, zeigen unsere Ergebnisse, dass der hyporheische Austausch und die anschließende Ablagerung von Feinpartikeln die lokale Bettmorphodynamik stark modulieren. Es ist zu erwarten, dass die ausgedehnte Wiederholung dieser Prozesse über längere Zeiträume dazu führen wird, dass die Flussbetten entweder in den getrennten oder gesperrten Zustand gelangen. Hochbewegliche Sandbettflüsse haben wenig Ton in der aktiven Schicht, während Bettsedimente in gesperrten Sand-/Schluff-/Tonbettflüssen eine Mischung aus groben und feinen Partikeln enthalten48. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsbett-Suspensionsdynamik diese Muster verstärkt. Während darüber hinaus normalerweise davon ausgegangen wird, dass die Ton-Sand-Sortierung durch das Auswaschen feiner Partikel aus gemischten Sedimentbetten erfolgt, zeigen die hier präsentierten Ergebnisse, dass Feinpartikel in viel größerem Ausmaß als bisher angenommen zurückgehalten werden und sich in vergrabenen Ablagerungsschichten ansammeln. Es ist bekannt, dass eine solche geschichtete Heterogenität in Flüssen auftritt und die Geschwindigkeit und Muster des hyporheischen Austauschs stark beeinflusst49, aber die verfügbaren Felddaten lösen die hier beobachteten Ausmaße der Heterogenität nicht auf50,51.

Es wird erwartet, dass größere Schwankungen der Strömung und des Sedimenteintrags lokale Bodenbildungsprozesse verstärken. Partikel, die entweder durch Blockieren oder durch Ablagerung unterhalb der aktiven Schicht immobilisiert werden, können nur unter höherer Flüssigkeitsscherung, z. B. bei Überschwemmungen, remobilisiert werden. Überschwemmungen erzeugen größere Bettformen mit der Fähigkeit, abgelagerte Feinstoffe aus den Flusskanälen zu remobilisieren35. Überschwemmungen induzieren jedoch auch großräumigere hyporheische Austauschprozesse und treiben Feinpartikel tiefer in das Bachbett34,52. Daher finden sowohl die hier beobachteten Mobilisierungs- als auch Ablagerungsprozesse auch bei Hochwasser weiterhin statt. Es wird erwartet, dass die vielfältigen Strömungs- und morphodynamischen Bedingungen in Flüssen die Länge und Zeitskalen der von uns beobachteten Prozesse verlängern. Darüber hinaus stützen unsere Beobachtungen die aktuelle Hypothese, dass Feinsedimente zur Entwicklung von Bettformen mit geringem Winkel in großen Flüssen beitragen und einen zusätzlichen Mechanismus für die Entwicklung ungewöhnlicher Dünenmorphologien und Sedimentablagerungen darstellen53.

Sowohl der verschlossene als auch der getrennte Endzustand haben direkte Auswirkungen auf die Speicherung und den Stoffwechsel feiner Partikel in Flüssen. Im verschlossenen Fall werden Partikel in Bettformen gefangen, bis ein Ereignis mit hoher Strömung die Betterosionsschwelle überschreitet. Dadurch erhöhen sich die Verweilzeiten der Partikel in der hyporheischen Zone auf die Zeitskalen für das erneute Auftreten von Überschwemmungen. Es wird erwartet, dass die Speicherzeiträume für Feinpartikel in größeren Flüssen sogar noch länger sind, da diese Flüsse einen anhaltenden Anstieg des Abflusses erfordern, um die Morphodynamik der Bettform zu modulieren, was zu langsamen Anpassungszeiten führt54. Im Fall der Segregation begünstigen die Einbettung feiner Partikel unter der aktiven Schicht und die daraus resultierende Einschränkung des hyporheischen Austauschs die langfristige Rückhaltung natürlicher und synthetischer Partikel in Flüssen. Feine Partikel lagern sich hauptsächlich in einer Schicht unterhalb der durchschnittlichen Kolktiefe ab und wandern mit der Zeit weiter nach unten. Wiederholte Überschwemmungen werden dieses Material tiefer in das Bett treiben und unter dem Flussbett Schichten mit geringer Durchlässigkeit bilden, die den hyporheischen Austausch einschränken und die Zufuhr gelöster Stoffe aus dem darüber liegenden Fluss verringern. Dieser Prozess bietet einen Mechanismus für die Ablagerung, Zurückhaltung und Konservierung suspendierter organischer Partikel unter Flusskanälen.

Beide Endzustände erhöhen die Möglichkeit des Metabolismus organischer Stoffe im Vergleich zu aktuellen Modellen, die davon ausgehen, dass diese Partikel in der Wassersäule verbleiben. Während bekannt ist, dass partikulärer organischer Kohlenstoff in Überschwemmungsgebieten8 und Deltas5,6 vergraben und gespeichert wird, sind unsere Beobachtungen die ersten, die einen klaren Mechanismus für die Speicherung unter aktiven Flusskanälen identifizieren.

Dieser Prozess trägt wahrscheinlich zur Übersättigung von CO2 bei, die häufig in Flüssen vorkommt55 und zu den daraus resultierenden hohen Ausgasungsraten in die Atmosphäre10.

Mikroplastik wird ebenfalls vergraben und über lange Zeiträume in Flussbetten zurückgehalten. Mikroplastik wird von Biofilmen besiedelt36 und die Sorption von Ionen und organischem Material an ihren Oberflächen führt zu kohäsiven organisch-anorganischen Aggregaten, die zur Entmischung der Bettform beitragen. Über die morphodynamischen Zeitskalen alluvialer Flusstäler hinweg hinterlässt die Kanalwanderung Flussablagerungen, die in Überschwemmungsgebieten vergraben sind. Die durch die hier beobachteten Prozesse entstehende langfristige Struktur werden diskontinuierliche und längliche Feinpartikellinsen sein, die die Signatur der menschlichen Entwicklung in Form ausgedehnter Feinpartikelablagerungen mit einer großen Anzahl synthetischer Mikroplastikpartikel beibehalten.

Während die Stärke der Bettkohäsion durch die Größe und Oberflächeneigenschaften des suspendierten Sediments und die Porosität des Sandbetts, den suspendierten geflockten Tondurchmesser (\( < 50\,\mu m\)), die suspendierten Sedimentkonzentrationen ( \( < 10\,g/L\)) und der in dieser Studie verwendete Bodensedimentdurchmesser (\({D}_{50}0,420\,{mm}\)) sind typisch für viele Wasserläufe56,57,58. Sowohl getrennte als auch gesperrte Endzustände scheinen in natürlichen Systemen häufig vorzukommen. Flussbetten enthalten häufig oberflächliche Sandbettformen, die über unterirdischen Feinpartikelschichten liegen49,59,60. Feldstudien haben gezeigt, dass die Bildung dieser Ablagerungen mit dem Zusammenspiel zwischen hyporheischer Ablagerung und mobiler Bodenformkolkung zusammenhängen kann34,35. Ton in Gezeitenbettformen, in denen diese Schichten ebenfalls vorhanden sind44, wurde mit einer Abnahme der Gezeitengeschwindigkeit in Verbindung gebracht39. Die Schichten in diesen Systemen haben einen hohen Anteil kohäsiver Feinpartikel61,62,63,64 und sind normalerweise unbeweglich48.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass komplexe Rückkopplungen zwischen der Ablagerung feiner Partikel, dem hyporheischen Austausch und der Morphodynamik der Bodenform die Rückhaltung und Verlagerung von Partikeln in Flüssen erhöhen. Die Auswirkungen von Flussbetttrennungs- und Sperrprozessen müssen in einer Vielzahl von Flüssen untersucht werden, um die Beurteilung des Partikelkreislaufs zwischen Land-, Süßwasser- und Meeressystemen zu verbessern und die Möglichkeit des Metabolismus sowohl terrestrischer als auch aquatischer organischer Stoffe in Flusssystemen neu zu bewerten und ermitteln Sie die langfristigen ökologischen Auswirkungen synthetischer Partikel. Es wird erwartet, dass die Speicherung, Verschlammung und der Metabolismus von Kohlenstoff, Nährstoffen und Schadstoffen in Flüssen in Zukunft an Bedeutung gewinnen werden, da durch die zunehmende Landbebauung und Niederschlagsintensität mehr terrestrische Partikel in die Flüsse gelangen65. Unsere Ergebnisse bilden eine Grundlage für die Einbeziehung selbstorganisierter Heterogenität unter der Oberfläche und gekoppelter fein-grober Partikeldynamik in Modelle der Flussgeomorphologie, Biogeochemie und Ökosystemauswirkungen.

Der Sedimenttransport innerhalb von Flüssen und Bächen mit Sandbett erfolgt bei hohen Schildspannungen (\({{{{{{\rm{\tau }}}}}}}_{* }={{{{{\rm{\tau }}}}}}/\left({{{{{{\rm{\rho }}}}}}}_{{{{{{\rm{s}}}}}}}-{{{ {{\rm{\rho }}}}}}\right){{{{\rm{gD}}}}}}\)), wobei der Fluss durch die Suspension des Bettmaterials und eine kohärente Bewegung der Bettform erfolgt41,42, 53. In dieser Gleichung ist τ die Scherspannung (Pa), g die Schwerkraft (m/s2), D eine repräsentative Korngröße (m) und ρs und ρ die Sediment- und Flüssigkeitsdichte mit 2650 und 1000 kg/m3 , jeweils. Die Morphodynamik des Bettes hängt in erster Linie von den Eigenschaften des freien Flusses (z. B. Geschwindigkeit, Tiefe), der Geometrie der Flussreichweite (z. B. Gefälle, Breite) und der Zusammensetzung des Betts (Korngröße, Rauheit) ab66,67. Bei feinen suspendierten Partikeln (Durchmesser < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\) wird aufgrund der abgeleiteten geringen Ablagerungswahrscheinlichkeit typischerweise davon ausgegangen, dass sie nicht wesentlich mit dem Bett interagieren Partikelsedimentationsgeschwindigkeit (\({U}_{s}\)) und hydrodynamisches Mischen, typischerweise dargestellt durch die dimensionslose Rouse-Zahl (\(P=\frac{{U}_{s}}{\beta \kappa {U }^{* }}\)). Eine kürzlich durchgeführte Neuanalyse der Schwebstoffprofile in Sandbettflüssen legt jedoch nahe, dass sich Schwebstoff- und Grundsedimente in einem dynamischen Gleichgewicht befinden32. Darüber hinaus gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass feine Partikel aufgrund des hyporheischen Austauschs in das Bett transportiert werden und sich darin ansammeln33,34,35.

Um die Wechselwirkungen zwischen der Dynamik suspendierter Partikel und der Bettmorphodynamik zu untersuchen, führten wir Experimente in zwei ähnlichen Umlaufrinnen an der Northwestern University (NU)40 und der Ben-Gurion University of the Negev (BGU) mit mobilen Sedimentbetten und Freestream-Kaolinit-Ton mit einem gelisteten Median durch Partikeldurchmesser von 0,5 \(\mu m\) und ein Flockungsdurchmesser von \( < 50\,\mu m\). Neun Experimente wurden an der NU und drei an der BGU durchgeführt. Alle Experimente wurden mit einer konstanten Freestream-Geschwindigkeit, aber unterschiedlichem Hintergrundsalzgehalt, unterschiedlicher Schergeschwindigkeit sowie der Häufigkeit und Größe der Toninjektionen durchgeführt (Ergänzungstabelle 1). Alle Experimente begannen mit einem Flachbett, das vollständig aus Sand mit einem D50 von 0,420 mm bestand und sich vor der Zugabe von Kaolinit vollständig entwickeln konnte. Die Schergeschwindigkeit wurde bestimmt, indem ein Log-Law-Geschwindigkeitsprofil an ein zeitlich gemitteltes stromabwärtiges Geschwindigkeitsprofil über dem vollständig entwickelten Bett angepasst wurde. Die Morphodynamik des Sandbetts wurde mindestens 70 Stunden lang beobachtet. Dies war die Mindestzeit, die für die Konvergenz der Sandbettstatistiken erforderlich war. Nachdem das Bett vollständig entwickelt war und die grundlegenden morphologischen Messungen abgeschlossen waren, wurde suspendierter Ton entweder als einzelne Zugabe (7 Durchläufe) oder in aufeinanderfolgenden Zugaben (5 Durchgänge) hinzugefügt.

Bettformhöhe (H), Länge (L) und Geschwindigkeit (C) sowie Betthöhe wurden sowohl vor als auch nach der Toninjektion kontinuierlich gemessen. Die Morphodynamik der Bettform wurde mit an der Seitenwand montierten Nikon D5300-Kameras gemessen. Die Bilder wurden mithilfe eines einfachen Schwarz/Weiß-Schwellenwertverfahrens (MATLAB R2019a) verarbeitet, um die Grenzfläche zwischen der darüber liegenden Flüssigkeit und der Bettform zu extrahieren. Die Spitzen und Tiefen jeder Bettform wurden mithilfe eines „Find Peaks“-Algorithmus (Python 3.7 SciPy) bestimmt. Die Bettformlänge wurde als durchschnittlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Mulden berechnet, während die Geschwindigkeit durch lineare Regression der Bettformmuldenverschiebung über die Zeit bestimmt wurde. Außerdem wurde ein ADV-Profiler (Acoustic Doppler Velocimeter) von Nortek verwendet, um die Betthöhe an einem einzelnen Punkt kontinuierlich zu messen. Diese Daten wurden mit einem Savitzky-Golay-Filter verarbeitet und ein „Find Peaks“-Algorithmus ermöglichte die Extraktion der Spitzen und Täler. Die Tröge wurden verwendet, um die Kolktiefenverteilung für jeden Lauf zu erzeugen. Die Sohlenhöhe H wurde als Differenz zwischen der Sohlenkuppe und der stromabwärts gelegenen Mulde (Stoßseite) bestimmt.

Die Konzentration des suspendierten Tons im Freilauf wurde kontinuierlich mit Xylem-Trübungsmessgeräten gemessen (WTW Visoturb 700IQ SW für niedrige Konzentrationen und WTW Visolid 700IQ SW für hohe Konzentrationen). Der hyporheische Austauschfluss wurde regelmäßig über Salztracer-Injektionen gemessen, wobei die Salzkonzentration im Strom mit einem Salzgehaltsmesser (SM – Star Comm, Auflösung 0,01 \(\mu S/{cm}\)) gemessen wurde. Der hyporheische Austausch wurde für das saubere Sandbett (vor der Tonzugabe) und in verschiedenen Abständen während des Experiments gemessen47. Tonkonzentrationsprofile im Bodensediment wurden durch die Entnahme von Kernen am Ende jedes Laufs nach den Methoden von Dallmann 202040 erhalten. Nach der Entnahme wurden die Kerne in Abschnitte unterteilt und der Tongehalt jedes Abschnitts durch Resuspendieren des abgelagerten Tons in entionisiertem Wasser gemessen Anschließend wird die Lichtabsorption mit einem Spektrometer (Hach Company, DR/4000) gemessen. Eine Kalibrierungskurve wurde verwendet, um die Absorption der Probe mit der Tonmasse in Beziehung zu setzen.

Abbildungen 1–3 und ergänzende Abbildungen. 2–6 verfügen über zugehörige Rohdaten, die im Hydroshare-Repository öffentlich verfügbar sind (https://www.hydroshare.org/resource/0983ec823ac64088b25882a6e99341ab/).

Alle zur Verarbeitung der Rohdaten verwendeten Codes sind auf Anfrage erhältlich. Anfragen sollten an Jon Dallmann unter [email protected] gerichtet werden.

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J. Dallmann

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Y. Teitelbaum & S. Arnon

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N. Sund & R. Schumer

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JD, CBP, ESC und YT führten Experimente durch; JD, CBP, YT, ESC, NS, RS, SA und AIP analysierten und interpretierten die Ergebnisse; JD, CBP, AIP, YT, ESC, NS, RS und SA haben das Manuskript geschrieben und bearbeitet.

Korrespondenz mit AI Packman.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Jaco Baas und Vaughan Voller für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Dallmann, J., Phillips, CB, Teitelbaum, Y. et al. Die Segregation und Blockierung der Bettform erhöht die Speicherung natürlicher und synthetischer Partikel in Flüssen. Nat Commun 12, 7315 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27554-4

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Eingegangen: 09. September 2021

Angenommen: 23. November 2021

Veröffentlicht: 16. Dezember 2021

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-27554-4

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