水・底泥間での物質移動における生物過程の定量化

水与沉积物之间传质生物过程的量化

基本信息

  • 批准号:
    14750436
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.43万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
  • 财政年份:
    2002
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2002 至 2003
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

本研究では,湖沼・貯水池等の水域において,底泥直上の水柱から底泥表面へと移動する溶存酸素(DO)のフラックス(SOD)に関する検討を行った。研究代表者は,従来,水・底泥境界面近傍のDO濃度分布,およびSODに及ぼす底泥直上の流れの影響について検討を行い,SODを底泥表面直上の水流速と底泥内部でのDO消費速度の関数としてモデル化した。今回,これまでの研究を更に発展させて,底泥内部での微生物の増殖に伴うDO消費過程を詳細な検討結果に基づいて定式化し,これを従来の境界層モデルに組み込んだ。このモデルによって,底泥直上の環境条件の変化に伴う底泥内部の生物過程の応答,および水・底泥境界面近傍のDO濃度分布とSODの変化特性を調べるとともに,モデルの妥当性を微小電極を用いたSODの実験値との比較により検証した。SODが流れの影響を受けるのは,水・底泥境界面直上に形成される濃度境界層の厚さが流れの影響を受けて変化するためである。モデルによるシミュレーションより,SODは界面直上の濃度境界層でのDO移動速度と底泥内部での微生物の増殖に伴うDO消費速度の両者に規定されることを明らかにした。両者のどちらか遅い方が律速となってSODが決まる。濃度境界層厚さは界面直上の水流速の影響を受けて大きく変化する。一方,底泥内部へのDO浸透深さは,流れの影響を殆ど受けない。底泥内部での微生物増殖速度は,界面直上の流速が大きい(濃度境界層厚さが小さい)とき,底泥の有機物や栄養塩含有量に依存する。他方,流速が小さい(濃度境界層厚さが大きい)ときには,微生物増殖速度の流速依存性は大きくなる。モデルによるSODの推定値を実験値と比較した結果,モデルは実験結果を良好に再現することを確かめた。本モデルは,現在開発が進められている湖沼・貯水池等の水質モデルと対応させることで,水域において水質を高精度に予測することが可能である。
在这项研究中,我们研究了湖泊和水库等水体中从底泥正上方的水柱移动到底泥表面(SOD)的溶解氧(DO)通量。主要研究人员之前研究了水/底泥界面附近的 DO 浓度分布以及底泥正上方的流动对 SOD 的影响,并将其建模为 DO 消耗率的函数。这次,我们进一步发展了之前的研究,根据详细的研究结果,制定了与底泥内部微生物生长相关的DO消耗过程,并将其纳入常规边界层模型中。利用该模型,我们将研究底泥正上方环境条件变化对底泥内部生物过程的响应,以及水/底泥界面附近DO浓度分布和SOD的变化特征,并通过与使用电极的 SOD 实验值进行比较来验证该模型的有效性。 SOD受水流影响的原因是水-泥沙界面正上方形成的浓度边界层的厚度在水流的影响下发生变化。使用该模型进行的模拟表明,SOD 是由界面上方浓度边界层中的 DO 移动速率以及与底泥内微生物生长相关的 DO 消耗速率决定的。两者中较慢的一个将成为速率限制并决定 SOD。由于界面正上方水流速度的影响,浓度边界层厚度变化很大。另一方面,溶解氧进入底泥的深度几乎不受水流的影响。当界面正上方流速较大(浓度边界层厚度较小)时,底泥内部微生物的生长速率取决于底泥的有机质和养分含量。另一方面,当流速小时(浓度边界层厚度大),微生物生长速度对流速的依赖性变大。将模型的SOD估计值与实验值进行比较,证实该模型很好地再现了实验结果。通过将该模型与目前正在开发的湖泊、水库等水质模型相结合,可以高精度地预测水域水质。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
道奥康治, 金井健史, 東野 誠: "傾斜堆積面からの嫌気的溶出により発生する化学成層流と栄養塩溶出・酸素消費の解析"土木学会論文集. No.754/II-66. 75-90 (2004)
Yasuji Michio、Takeshi Kanai、Makoto Higashino:“倾斜沉积表面厌氧洗脱产生的化学分层流、营养物洗脱和耗氧量的分析”日本土木工程师学会会刊第 754/II-66 号。 - 90 (2004)
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
東野 誠, ステファン, H.G.: "底泥直上の環境条件の変化に伴うSOD応答"水工学論文集. 第47巻. 973-978 (2003)
Makoto Higashino,Stephen,H.G.:“由于底部泥浆正上方的环境条件变化而产生的 SOD 响应”,水利工程学报,第 47 卷,973-978(2003 年)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Higashino, M., Stefan, H.G.: "Unsteady (Periodic) Diffusional Mass Transfer across a Sediment/Water Interface in a Stratified Lake"Proc. of 5th International Conference on Hydroinformatics. 555-560 (2002)
Higashino,M.,Stefan,H.G.:“分层湖中沉积物/水界面上的不稳定(周期性)扩散传质”Proc。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Higashino, M., Stefan, H.G.: "Diffusional Mass Transfer across a Sediment/Water Interface of Finite Length"Proc.of 30th Congress of the International Association for Hydraulic Research. ThemeA. 225-230 (2003)
Higashino, M., Stefan, H.G.:“有限长度沉积物/水界面上的扩散传质”国际水利研究协会第 30 届大会论文集。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Higashino, M., Gantzer, C.J., Stefan, H.G.: "Unsteady Diffusional Mass Transfer at the Sediment/Water Interface : Theory and Significance for SOD Measurements"Water Research. Vol.38. 1-12 (2004)
Higashino, M.、Gantzer, C.J.、Stefan, H.G.:“沉积物/水界面的非稳态扩散传质:SOD 测量的理论和意义”水研究。
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