하상 분리 및 잠금으로 하천의 천연 및 합성 입자 저장 증가

Nature Communications 12권, 기사 번호: 7315(2021) 이 기사 인용

1937년 접속

2 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

강의 저류 교환과 미세 입자 이동의 생태학적 중요성은 잘 확립되어 있지만 이러한 과정은 일반적으로 강바닥 형태역학과 관련이 없는 것으로 간주됩니다. 우리는 hyporheic exchange, 부유 퇴적물 퇴적물, 모래 bedform 운동 사이의 결합이 형태역학을 강력하게 조절하고 바닥 퇴적물을 분류한다는 것을 보여줍니다. Hyporheic exchange는 모바일 침대 형태 내부 및 아래에 미세 입자 침착을 집중시켜 침대 이동성을 억제합니다. 그러나 침전된 미세 입자도 베드폼 운동에 의해 다시 이동되어 베드에서 거친 입자와 미세한 입자를 분리하는 메커니즘을 제공합니다. 놀랍게도 베드 안정화와 재이동의 경쟁적인 상호 작용에서 두 가지 뚜렷한 최종 상태가 나타납니다. 즉, 미세 입자 증착이 베드를 완전히 안정화시키는 고정 상태와 빈번한 재이동으로 인해 베드가 분류되고 이동성이 회복되는 동적 평형 상태입니다. 이러한 발견은 강바닥 형태역학에 대한 가설 교환의 중요성을 입증하고 거친 입자와 미세한 입자 사이의 동적 상호 작용이 강에서 흔히 발견되는 퇴적 패턴을 생성하는 방법을 명확히 합니다.

강은 대륙에서 해양으로 용해된 물질과 입자상 물질을 모두 운반합니다. 육상 미립자 물질은 충적 하천 수로 구조1, 삼각주 해안선 유지2, 수생 생태계 지원3,4에 핵심적인 역할을 합니다. 미립자 유기물은 강바닥과 범람원5에 유지되고, 삼각주 클린노폼6에 묻혀 있으며, 해양 퇴적물7,8에 저장됩니다. 결과적으로, 내부 하천 시스템 역학은 탄소 대사를 조절하여 연간 5.1Pg의 탄소를 강에서 대기로 유출시키고, 0.9Pg9의 육상 유래 탄소를 바다로 전달합니다5,8,10,11,12. 토지 개발과 농업으로 인해 토양 침식과 입자상 물질의 하천 유입이 크게 증가했습니다13. 퇴적물(침적, 매립)에 이러한 미세 입자가 과도하게 축적되는 것은 오늘날 수생 생태계 손상의 주요 원인 중 하나입니다14,15. 이러한 영향은 입자 자체에 독성이 있는 경우(예: 금속 광산 광미)16 더욱 악화됩니다. 동시에, 대량의 플라스틱이 수생 시스템에 도입되어 엄청난 수의 작은 입자, 파편 및 섬유(총칭하여 마이크로 플라스틱이라고 함)가 하천 시스템을 통해 이동되고 축적됩니다17,18. 이러한 합성 입자의 저장 시간과 수생 생태계에 대한 장기적인 결과는 현재 알려져 있지 않습니다.

육상, 수생 및 인위적 입자는 강 상류에서 해안 생태계로 이동하는 동안 물기둥의 햇빛 및 산소 변화, 물리적 마모, 강한 산화환원 구배 및 강바닥의 다양한 미생물 대사를 포함하여 광범위한 조건에 영향을 받습니다. ,21. 용해된 입자상 유기물은 하천과 저수역(강물이 지하수와 혼합되는 강바닥의 생물 활성이 높은 지역) 내에서 변환됩니다19. 저서 교환은 저서 및 저서 미생물 군집에 산소, 탄소 및 영양분을 전달하여 미생물 대사를 촉진합니다. hyporheic exchange의 속도와 범위는 강의 흐름, 수로 형태 및 강바닥 투과성에 의해 제어됩니다. 그럼에도 불구하고, 하천의 미립자 유기물이나 미세플라스틱의 역학에 대한 수치적 및 개념적 모델에는 hyporheic flux 및 저장 기간이 통합되지 않았습니다22,23,24,25.

현재까지 강바닥에는 미세(직경 < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) 및 빛(비중 ~1) 무기, 유기 및 합성 입자가 퇴적되는 것으로 나타났습니다. 일반적으로 낮은 침전 속도로 인해 물기둥에 부유되어 있다고 가정하기 때문에 고려되지 않았습니다. 초기 연구에서는 미세하고 가벼운 입자가 바닥 형태역학에 영향을 미칠 수 있고 미세 입자가 유체 특성을 조절하는 것으로 알려져 있지만 일반적으로 강바닥과 최소한의 상호 작용만 하는 것으로 가정합니다. 미세 입자가 하상 형태역학에 영향을 미칠 수 있다는 인식이 점점 더 커지고 있습니다. 최근 연구에 따르면 미세 입자가 하상 경사를 변경하고 하상 하중의 일부로 하상 퇴적물과 상호 작용할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다31,32. 더욱이 미세한 부유 입자는 hyporheic exchange에 의해 강바닥으로 운반되어 지하에 축적됩니다33,34,35,36.

relative to sand alone ) decreased linearly with the stabilization ratio (Fig. 2b). Stabilization of mobile sediment beds solely by deposition of fine particles from the water column has not previously been quantified. These findings indicate that fine-particle deposition and remobilization episodically regulate the morphodynamics of sand-bed rivers./p> 0), deposited clay is frequently remobilized from within bedforms, and long-term deposition only occurs in a horizontal layer below the active region of bed sediment transport. For this case, we observed a peak in clay accumulation at the location of the most frequent (modal) scour depth (Fig. 3a). This can be considered the result of a stochastic process in which passage of a random series of bedforms induces both downward motion of suspended particles along hyporheic flow paths and remobilization of deposited particles though scour. This remobilization can be considered a type of winnowing process removing fine particles from the sediment bed. However, repeated passage of bedforms moves clay particles deeper into the bed, and ultimately into regions from which they are not remobilized44. The resulting clay accumulation layer is horizontal because it is formed by the passage of many bedforms, which longitudinally homogenizes the effects of hyporheic exchange processes45. Conversely, when stabilization dominates, there is extensive deposition of clay within each bedform and the resulting strong local stabilization slows and ultimately stops bed sediment motion. For the locked case, we observed that clay accumulation decreased monotonically with depth in the bed (Fig. 3b), as expected for a process driven by flux of sediment particle from the water column46,47./p>