Department of Geosciences and Natural Resource Management Kohæsiv sedimenttransport - de fysiske processer Thorbjørn Joest Andersen Institut for Geovidenskab og Naturforvaltning Københavns Universitet 13. November 2015
Kohæsivt sediment og det estuarine og marine miljø Dept of Geosciences and Natural Resource Management
Erosion og aflejring af kohæsivt sediment Dept of Geosciences and Natural Resource Management
Department of Geography & Geology Erosion af sediment For sand: F L = lift force F D = drag force F W = gravity force For kohæsivt sediment: Tilføj kohæsive kræfter + biologiske effekter Dermed meget mere komplekst
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Aflejring af sediment Faldhastighed Stokes lov: us = settling velocity s = density of particle d = diameter of particle v = kinematic viscosity
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Aflejring af kohæsivt sediment Stokes lov: us = Faldhastighed s = partikeldensitet d = partikeldiameter v = kinematisk viskositet Hvad er diameteren? Hvad er densiteten? Igen er det meget mere komplekst
Department of Geography & Geology Aggregering af kohæsivt sediment Why does it flocculate/aggregate? Physical/chemical processes: -Salt-flocculation -Adherence due to different particle charges -Organic matter/coatings Dependent on: -SPMC, interparticle contacts -Turbulence -Differential settling Bioaggregation: -Faeces and pseudo-faeces -Polymeric substances (e.g EPS) -Phytoplankton, zooplankton, microphytobenthos, bacteria
Flokkulering i vandsøjlen Department of Geography & Geology
Department of Geography & Geology Flokkulering i vandsøjlen Hvad bestemmer flokstørrelsen? Sedimentkoncentration: Højere koncentration, større partikler og højere faldhastighed (indtil hindered settling). Turbulens: Lille turbulens, større aggregater Stor turbulens, nedbrydning af aggregater.
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Suspenderet sedimentkoncentration og faldhastighed 1-4...Puls et al. (1988) 5-7...Barton et al. (1991) 8-10...Edelvang & Larsen (1995) 11...Andersen (1999) 12...Burt (1986) 13...Pejrup (1988) 14...Jones & Jago (1996) [Dyer et al. (1996)] 15...Pejrup & Edelvang (1996) [Dyer et al. (1996)] 16-18..Dyer et al. (1996) 100 10 1 W 50 (mm/s) 0.1 0.01 10 8 9 17 1 18 13 3 15 16 4 12 6 11 7 5 2 0.001 14 0.0001 1 10 100 1000 10000 SSC (mg/l)
Department of Geography & Geology Bioaggregering F.eks. fecal pellets og pseudo faeces fra bunddyr (orme, snegle, muslinger mm.) Eksempel: primærpartikler: 0.5-50 um; aggregater: 20-300 um Bioaggregering er givetvis af meget stor betydning i de fleste miljøer Pellets fra Hydrobia ulvae: 100-300 um; 1.03-1.14 g cm 3
Department of Geography & Geology Erosion af kohæsivt sediment Ruheden ændres som funktion af biologi
Bundforskydningsspændingen ændres ved ændret ruhed og er derfor afhængig af biologi Department of Geography & Geology Stor ruhed Lille ruhed Strømhastighed målt 10 cm over bunden. Fra Pope et al., 2006 Der opleves meget store forskelle i bundforskydningsspændingen pga forskelle i ruheden
Department of Geography & Geology Typiske bunddyr på finkornede sedimenter i danske farvande Fra venstre: Mya arenia Hydrobia ulvae Cerastoderma edule Pygospio elegans Macoma balthica Arenicola marina
Department of Geography & Geology Hydrobia ulvae (stor dyndsnegl) Fecal pellets from H. ulvae
Department of Geography & Geology Stabilisiering pga biofilm, benthiske diatomeer Sammenklistring af sedimentet med EPS (Extracellular Polymeric Substances: slim som bl.a. bruges under kiselalgernes vertikale bevægelse)
Department of Geography & Geology Kiselalger (chl a) og erosionstærskel 2.0 r 2 = 0.79 Erosion threshold (N m -2 ) 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0 20 40 60 80 Chl a (mg m -2 )
Department of Geography & Geology Hydrobia og erodibilitet 2.0 Erosion rate (gm -2 s -1 ) 1.5 1.0 0.5 r 2 = 0.57 0.0 0 20 40 60 80 100 Fecal pellet content (mass %)
Department of Geography & Geology Hydrobia og erodibilitet Årstidsvariation Avg. fecal pellet content (mass %) 100 80 60 40 20 1999 2000 2001 0 Feb-99 Jun-99 Oct-99 Feb-00 Jun-00 Oct-00 Feb-01 Jun-01 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Avg. erosion rate (g m -2 s -1 )
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Case-study: flokkulering i vandsøjlen Markussen & Andersen, 2014
Hypotese: graden af flokkulering afhænger også af turbulensen i vandsøjlen Dept of Geosciences and Natural Resource Management
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Sedimentet er tydeligvis aggregeret Particles in situ Primary particles Markussen & Andersen, 2014
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Tidslig variation af partikel-størrelse in situ Markussen & Andersen, 2014 Flok-størrelsen afhænger af strømhastigeden. Store flokke findes ved strømstille
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Sedimentet er tilsyneladende aldrig dis-aggregeret Flocculated particles Primary particles Markussen & Andersen, 2014 Hvorfor er der en konstant høj minimums flok-størrelse?
Department of Geosciences and Natural Resource Management Hvordan er kohæsivt sediment eroderet? Enkeltpartikler eller aggregater?
Undersøgelse af erosion og aggregeringen på tidevandsflade Dept of Geosciences and Natural Resource Management Andersen and Ramos, in prep
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Case study Vadehavet Sedimentkerner på mudderflade Biofilm med ilt-bobler Mudderflade med åndehuller fra Sandmusling
Case study Vadehavet Erosionseksperimenter Dept of Geosciences and Natural Resource Management
Dept of Geosciences and Natural Resource Management 0.5 300 Bed shear stress (N m -2 ) 0.4 0.3 0.2 0.1 200 100 SPMC (mg l -1 ) 0 0 0 400 800 1200 1600 2000 Time (sec) 0.1 Eroded aggregates 0.08 Freq. in interval 0.06 0.04 0.02 0 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 >Grain size (mm)
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Størrelse af eroderede partikler 0.1 0.3 N m -2 0.08 Frequency 0.06 0.04 0.02 0 0.001 0.01 0.1 1 Grain size (mm) Andersen and Ramos, in prep
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Størrelse af eroderede partikler 0.1 0.3 N m -2 0.4 N m -2 0.08 Frequency 0.06 0.04 0.02 0 0.001 0.01 0.1 1 Grain size (mm) Andersen and Ramos, in prep
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Størrelse af eroderede partikler 0.1 0.08 0.3 N m -2 0.4 N m -2 0.5 N m -2 Frequency 0.06 0.04 0.02 0 0.001 0.01 0.1 1 Grain size (mm) Andersen and Ramos, in prep
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Størrelse af eroderede partikler Primary particles 0.1 0.08 0.3 N m -2 0.4 N m -2 0.5 N m -2 Frequency 0.06 0.04 0.02 0 0.001 0.01 0.1 1 Grain size (mm) Primary particles Andersen and Ramos, in prep
Dept of Geosciences and Natural Resource Management 0.1 0.08 0.3 N m -2 0.4 N m -2 0.5 N m -2 Frequency 0.06 0.04 0.02 0 0.001 0.01 0.1 1 Grain size (mm) Markussen & Andersen, 2014 Stabile aggregater eroderet fra bunden bestemmer minimums-flokstørrelse
Nyt udstyr: Pcam in situ-kamera til måling af partikelstørrelse i felten Dept of Geosciences and Natural Resource Management
Dept of Geosciences and Natural Resource Management Partikler optaget med Pcam 20 x 15 mm Markussen et al., in prep