Absetzgeschwindigkeiten grober organischer Feststoffe

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12436 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Absetzgeschwindigkeit eines Partikels ist ein integraler Parameter bei der Regenwassermodellierung und -planung. Die Absetzgeschwindigkeit kann verwendet werden, um das Schicksal und den Transport von Regenwasserpartikeln vorherzusagen und um festzustellen, ob die Partikel zur Nährstoffbelastung in einem Wassereinzugsgebiet beitragen. Die Vorhersage der Absetzgeschwindigkeit anorganischer Partikel ist im Allgemeinen gut erforscht und gut verstanden. Organische Partikel variieren in der Regel stark in ihren physikalischen Eigenschaften und es gibt derzeit keine festgelegten Standards oder empirischen Gleichungen zur Schätzung der Absetzgeschwindigkeit organischer Partikel. In diesem Artikel werden Daten aus Experimenten zur Setzgeschwindigkeit von Baumblättern und Samen vorgestellt, um besser zu verstehen, wie sich organische Partikel im Kontext von Setzgeschwindigkeitsgleichungen wie der von Ferguson und Church entwickelten absetzen. Die Analyse der gesammelten Daten zeigte, dass der zweite der beiden in der Ferguson- und Church-Gleichung verwendeten Widerstandskoeffizienten (C2) empfindlich auf Partikeltyp und -form reagierte. Durch die Mittelung von C2 nach Partikeltyp und -art ergab sich eine Korrelation zwischen der beobachteten Absetzgeschwindigkeit und der durch die Ferguson- und Church-Gleichung vorhergesagten Absetzgeschwindigkeit (R2 = 0,83). Mit diesen Ergebnissen verfügen Regenwassermodellierer und -designer über ein besseres Verständnis dafür, wie häufig vorkommende organische Partikel in Bezug auf die Absetzgeschwindigkeit dargestellt werden können. Zusätzliche Forschung zu einer größeren Vielfalt organischer Partikeltypen und -arten würde den hier vorgestellten Datensatz erweitern.

Die Urbanisierung hat zu einzigartigen Herausforderungen bei der Wasserbewirtschaftung in Städten geführt, die von versiegelten Flächen dominiert werden. Die Notwendigkeit, Wasser zum Nutzen von Mensch und Umwelt aufzubereiten, zu speichern und zu versickern, ist von größter Bedeutung, da die städtische Bevölkerung weiter wächst und der Klimawandel die Wetterereignisse verschärft1. Regenwasser, also Niederschlagswasser, das von undurchlässigen Flächen abfließt, gilt als besonders breiter Schadstoffträger. Regenwasser trägt chemische, physikalische und biologische Schadstoffe in das Vorfluter ein und verschlechtert so die Wasserqualität und den aquatischen Lebensraum2.

Regenwasser wird mithilfe von Stormwater Control Measures (SCMs) behandelt, bei denen es sich um Strukturen handelt, die auf der Grundlage grundlegender wissenschaftlicher Prinzipien dazu dienen, Regenwasserabflüsse zu infiltrieren, zu speichern oder zu behandeln3. In städtischen Wohngebieten sind grobe anorganische und organische Abfälle besonders besorgniserregende Schadstoffe2. Grobe organische und anorganische Partikel bestehen aus Metallen4, Sedimenten mit gebundenen Nährstoffen5 und Materialien, die Nährstoffe auslaugen6.

Viele SCMs in städtischen Wohngebieten basieren auf der Sedimentation zur Aufbereitung von Regenwasser3, sodass die Absetzgeschwindigkeit ein wichtiger Parameter bei der Planung und Bewertung ist. Beispielsweise sind Regenbecken ein sehr häufiges SCM, das entlang von Straßen und Parkplätzen zu finden ist. Regenwasserbecken senken die Gesamtmenge an Schwebstoffen und Gesamtphosphor, die in flussabwärts gelegene Gewässer gelangen, indem sie das Regenwasser speichern und es den Sedimenten ermöglichen, sich am Boden des Beckens abzusetzen, bevor das Wasser am Auslass freigesetzt wird7.

Die Absetzgeschwindigkeit (w) ist eine physikalische Eigenschaft von Partikeln, die von der Größe, Form und Dichte der Partikel abhängt. Die Absetzgeschwindigkeit für eine Reihe von Partikelgrößen kann bei der Modellierung der Regenwasseraufbereitung verwendet werden, um die Auffangeffizienz von Becken abzuschätzen8. Die Sedimentation kann auch anhand verschiedener Absetzgeschwindigkeitswerte geschätzt werden. Diese Informationen werden benötigt, um zu ermitteln, wann sich ein Versickerungsbecken füllen würde und ausgebaggert werden muss.

Mehrere Studien untersuchen und prognostizieren die Absetzgeschwindigkeiten nicht-sphärischer Mineralpartikel9,10,11,12. Die Absetzgeschwindigkeit kann für Partikel mit bekanntem Durchmesser (D) und bekanntem spezifischem Gewicht (SG) mithilfe des Stokes-Gesetzes13 berechnet werden. Berechnungen nach dem Stokes-Gesetz gehen davon aus, dass das fallende Teilchen kugelförmig ist, was im Allgemeinen für Mineral- oder Sedimentpartikel gilt. Die Widerstandskoeffizienten C1 (anwendbar für laminare Strömungen) und C2 (anwendbar für turbulente Strömungen) können angepasst werden, um die Absetzgeschwindigkeiten nichtsphärischer Mineralien vorherzusagen11.

Relativ wenige Studien haben sich mit der Absetzgeschwindigkeit organischer Partikel befasst, bei denen es auch viel unwahrscheinlicher ist, dass sie eine Kugelform haben. Die Formen organischer Partikel variieren stark von dünnen, flachen Baumblättern bis hin zu prismatisch geformten Holzspänen und allem dazwischen. Die innere Struktur und die Darstellung des spezifischen Gewichts von organischem Material14 erschweren die Anwendung von Gleichungen für die Absetzgeschwindigkeit von Mineralien zusätzlich. In dieser Studie werden die physikalischen Eigenschaften und Absetzgeschwindigkeiten nicht kugelförmiger organischer Partikel gemessen und an eine Vorhersagegleichung angepasst, die aus früheren Untersuchungen zu Mineralpartikeln erstellt wurde.

Experimente zur Absetzgeschwindigkeit wurden im Environmental Engineering Lab im Biosystems and Agricultural Engineering Building auf dem St. Paul-Campus der University of Minnesota durchgeführt. Anorganische Mineralpartikel und organische Partikel wurden aus Proben ausgewählt, die im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Ansammlung von Regenwasserfeststoffen im Jahr 2021 gesammelt wurden. Im Rahmen des Regenwasserfeststoffprojekts wurden die Proben homogenisiert, in kleinere repräsentative Proben aufgeteilt und in einem Gefrierschrank gelagert, um die Absetzgeschwindigkeit zu erhöhen Analyse. Für die Analyse der Absetzgeschwindigkeit wurden die in den Proben am häufigsten beobachteten Baumarten ausgewählt. Die drei im Experiment verwendeten Baumarten waren Quercus rubra (Roteiche), Acer platanoides (Spitzahorn) und Ulmus americana (Amerikanische Ulme). Holzspäne wurden in die Experimente einbezogen, jedoch aufgrund ihrer Formabweichung von Samen und Blättern nicht in die Analyse einbezogen. Darüber hinaus wurden einige Holzspäne nie ausreichend gesättigt, um abzusinken, und konnten nicht in die Absetzgeschwindigkeitsanalyse einbezogen werden. Die organischen Partikel stammten aus verschiedenen Sammeldaten und unterschieden sich in Art, Zersetzungsgrad und physikalischen Eigenschaften. Die Partikeltypen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die maximalen Durchmesserbereiche für jeden Partikeltyp sind wie folgt: 9,89 bis 18,9 cm für Roteichenblätter, 6,46 bis 16,1 cm für Spitzahornblätter, 3,11 bis 5,63 cm für Spitzahornsamen und 1,04 bis 1,38 cm für amerikanische Ulmensamen. Detaillierte physikalische Eigenschaften der Partikel sind im Anhang mit ergänzenden Informationen enthalten.

Das für die Absetzgeschwindigkeitsexperimente gesammelte Pflanzenmaterial wurde von kultivierten Boulevardbäumen gesammelt, die von der Stadt St. Paul, der Stadt Shoreview oder der University of Minnesota gepflanzt wurden. Vor der Abholung wurde die Genehmigung jedes Unternehmens eingeholt. Für das Sammeln von Pflanzenmaterial, das von den Kulturbäumen auf den Bordstein fiel, waren keine Genehmigungen oder Lizenzen erforderlich. Die Autoren befolgten die relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetze zur Sammlung von Pflanzenmaterial. Die Stadt St. Paul stellte eine Karte der in der Stadt gepflanzten Boulevardbäume zur Verfügung, anhand derer die Baumarten identifiziert werden konnten, von denen Pflanzenmaterial gesammelt wurde. Für Standorte in Shoreview und auf dem Campus der University of Minnesota lieferte Aaron Pietsch die Identifizierung von Baumarten mithilfe eines dichotomen Schlüssels von Chadde15. Gutscheinproben wurden nicht an ein Herbarium geschickt.

Als experimentelles Absetzbecken wurde ein 19-L-Tank mit Leitungswasser gefüllt und mit einem Lineal ausgestattet (Abb. 1). Vor Beginn des Experiments ließ man das Wasser Umgebungstemperatur (ca. 22 °C) erreichen. Die Partikel wurden jeweils dreimal in den Tank geworfen und von einer wasserdichten GoPro Hero 8-Kamera mit 120 Bildern/s für schnell fallende Partikel (≥ 0,5 m/s) und 60 Bildern/s für langsam fallende Partikel (< 0,5 m/s) gefilmt. S). Organische Partikel sanken im Allgemeinen nicht sofort nach dem Einbringen in das Absetzbecken und mussten vorgesättigt werden, bevor die Absetzgeschwindigkeit gemessen werden konnte. Die Vorsättigungszeiten lagen zwischen 1 und 5 Tagen, abhängig von der Partikelart, -größe und dem physikalischen Zustand der Partikel. Die Absetzgeschwindigkeiten wurden unter der Annahme sauberer Partikel oder Partikel berechnet, die nicht durch äußere Bedingungen beeinflusst wurden.

Plan- (a) und Profilansichten (b) des Versuchsaufbaus. (c) Zeigt ein Standbild einer der zur Analyse verwendeten Videodateien.

Die Videodateien wurden mit der Tracker©-Software analysiert, um die Position der Punktmasse Bild für Bild zu messen. Die vertikalen Positions- und Zeitdaten der Software wurden verwendet, um die Absetzgeschwindigkeit jedes Partikels zu berechnen. Es wurde jeweils ein Partikel abgesetzt, sodass die Art der beobachteten Ablagerung eine diskrete Ablagerung für alle Partikel war. Um die Auswirkungen des Zusammensetzens mehrerer Partikel, wie z. B. Kompression oder behindertes Absetzen, beurteilen zu können, sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Der maximale Feret-Durchmesser (Fmax) wird von Walton16 als der senkrechte Abstand zwischen parallelen Tangenten definiert, die gegenüberliegende Seiten des Profils berühren, was auch definiert werden kann als: der längste Abstand über das Profil eines Partikels, gemessen mit Messschiebern (Abb. 2b). . Fmax wurde in früheren Studien zur Analyse von Partikelformen und Partikelgrößenverteilungen aus digitalen Bildern verwendet, insbesondere für unregelmäßige Formen17,18.

Analyse von (a) Oberfläche und (b) Fmax organischer Partikel mithilfe der ImageJ-Software und zur Schätzung der Absetzgeschwindigkeiten in den Gleichungen. (1) und (2).

Der SG von Mineralpartikeln ist eine einfache Messung und es werden enge Bereiche für Mineralien angegeben, wobei 2,6 als typischer Wert verwendet wird19. Mineralpartikel sind Feststoffe, aber Blätter und andere vegetative Stoffe enthalten aufgrund ihrer Zellstruktur innere Luft- und Flüssigkeitsbestandteile20. Ein Maß für SG für organische Partikel ist daher ein Massenmaß für SG, das Wasser und Luft in den Zellhohlräumen umfasst. In dieser Studie wird SGbulk verwendet, um das spezifische Massengewicht organischer Partikel, einschließlich interner Luft- und Flüssigkeitsbestandteile, anzuzeigen, das durch Division der gemessenen Masse durch die Partikelvolumenverdrängung in Wasser bestimmt wurde. Anhand unserer Messungen und unter der Annahme, dass das Zellulosematerial eine Dichte von 1,5 g/cm3 hat, konnten wir die Menge des mit Wasser zu füllenden Hohlraums abschätzen, der zu einem SGbulk von 1,05 oder einem Punkt führen würde, der zum Absetzen führen sollte. Diese Werte werden als SG1,05 bezeichnet und führten zu einer Hohlraumsättigung von 77 bis 102 Vol.-% mit einem Durchschnitt von 91 % und einer Standardabweichung von 8,2. Das Absetzen würde wahrscheinlich beginnen, sobald der SGbulk einen Wert größer als 1 erreicht, auch wenn die Hohlräume nicht vollständig gesättigt sind. Diese Annahmen berücksichtigen nicht die Auswirkungen der Oberflächenspannung, die das Absetzen kleiner Partikel, die dichter als Wasser sind, verhindern könnten, aber die Konsistenz legt nahe, dass die Annahmen vernünftig sind.

Die Reynoldszahl (Re) beschreibt die relative Größe der viskosen und Trägheitskräfte eines Objekts, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt10. Die Re-Werte wurden für alle in diese Studie einbezogenen Partikel berechnet und die Statistiken sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Re-Ergebnisse zeigen, dass die Samen der amerikanischen Ulme in mittlere Strömungsregime fielen und der Rest der Partikel in turbulente Regime fiel. Jüngste Studien zur Absetzgeschwindigkeit von Mikroplastik haben Re im Bereich von etwa 100 bis 1.00021 beobachtet. Nur amerikanische Ulmensamen fielen in diesen Bereich, wobei der Re-Wert der übrigen Samen und Blätter 1000 überstieg. Dies ist auf die größeren Partikeldurchmesser zurückzuführen, die in dieser Studie im Vergleich zu anderen Studien mit natürlichen Körnern mit kleinem Durchmesser (< 0,005 m) verwendet wurden oder Mikroplastik.

Eine empirische Gleichung zur Vorhersage der Absetzgeschwindigkeit nicht kugelförmiger Bodenpartikel wurde von Kim et al.22 entwickelt. Die Studie maß mehrere Formeigenschaften der Bodenpartikel und erstellte die Gleichung auf der Grundlage der besten Anpassung aller Variablen, die durch nichtlineare Regression ermittelt wurde. Die Gleichung basiert auf drei Durchmessermaßen und lautet wie folgt:

Dabei ist V die Absetzgeschwindigkeit (LT−1), Dmin der minimale Feret-Durchmesser (L), Dmax der maximale Feret-Durchmesser (L) und Dmean der Durchschnitt von Dmin und Dmax (L). In dieser Studie wird Gl. (1) wurde als Vorhersagegleichung für die Absetzgeschwindigkeit der 48 organischen Partikel verwendet. Die vorhergesagten Absetzgeschwindigkeiten aus Gl. (1) zeigte jedoch keine signifikante Korrelation mit den beobachteten Absetzgeschwindigkeiten.

Ein Formfaktor, der bei Studien zur natürlichen Kornsedimentationsgeschwindigkeit verwendet wird, ist das Seitenverhältnis22. Das Seitenverhältnis ist einfach das Verhältnis des maximalen Durchmessers (in dieser Studie als Fmax bezeichnet) zum minimalen Durchmesser in zwei Dimensionen. Je größer das Seitenverhältnis eines Partikels ist, desto länglicher ist das Partikel. Das Seitenverhältnis für jedes Partikel wurde berechnet und die Statistiken sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Ergebnisse zum Seitenverhältnis deuten darauf hin, dass die meisten Partikel nicht verlängert waren: Amerikanische Ulmensamen, Blätter der Roteiche und Blätter des Spitzahorns waren alle etwa 1,5-mal so lang wie sie breit. Das Seitenverhältnis der Spitzahornsamen weist jedoch darauf hin, dass sie länglich waren, da sie mehr als dreimal so lang wie breit waren.

Ferguson und Church11 stellten eine explizite, aus dem Stokes-Gesetz abgeleitete Gleichung mit zwei Luftwiderstandsbeiwerten vor (Gleichung 2). Diese Studie verwendete Gl. (2) um die Luftwiderstandsbeiwerte (C1 und C2) für organische Partikel abzuschätzen, nachdem die Absetzgeschwindigkeit der Partikel in einem Absetzbecken gemessen wurde. Gleichung (2) zeigte eine positive Korrelation (R2 = 0,83) zwischen den vorhergesagten und beobachteten Absetzgeschwindigkeiten.

Dabei ist w die Absetzgeschwindigkeit (LT−1), SG das spezifische Gewicht des Partikels (dimensionslos), D der Durchmesser des Partikels (L), ν die kinematische Viskosität des Fluids (L2T−1) und g ist die Gravitationskonstante (LT−2). In dieser Studie wurden SGbulk und SG1.05 wie angegeben für SG verwendet und Fmax wird für D in Gleichung verwendet. (2).

Ferguson und Church11 verwendeten den Corey Shape Factor (CSF) zur Darstellung kugelförmiger Partikelformen und Goral et al.21 verwendeten CSF zur Darstellung regelmäßiger und unregelmäßiger Mikroplastikformen. Die in dieser Studie verwendeten Partikel hatten jedoch eine ähnliche Form: breit in zwei Dimensionen und relativ dünn in der dritten, senkrechten Dimension. Der CSF war niedrig und variierte von Partikel zu Partikel nicht so stark wie Fmax (der gemessene CSF für Maple Leaves lag zwischen 0,00275 und 0,00467). Fmax wurde gewählt, um den in Absetzgeschwindigkeitsgleichungen verwendeten Durchmesser anstelle von CSF darzustellen, da Fmax die Variabilität der Partikelgröße in zwei Dimensionen erfasst. Darüber hinaus war Fmax der zuverlässigste Messwert, der anhand von Partikelfotos ermittelt wurde. Der minimale Durchmesser der Partikel war nicht geeignet, den in den Gleichungen für die Absetzgeschwindigkeit verwendeten Durchmesser darzustellen, da der minimale Durchmesser die Breite des Blattstiels bemisst, die in den Samen fehlt. Die Blattstiele verzerrten den minimalen Durchmesser (und damit den Durchschnitt aus minimalem und maximalem Durchmesser) der Blätter.

Mit der ImageJ-Software wurden Fmax und die Oberfläche der Partikel gemessen (Abb. 2). Das Volumen organischer Partikel wurde gemessen, indem die gesättigten Partikel in einen Messzylinder mit einem bekannten Wasservolumen getaucht und die Volumenänderung gemessen wurden.

Pflanzenmaterial (Baumblätter und Samen) wurde für dieses Projekt im Rahmen der geltenden Stadtverordnungen, Landesgesetze und Bundesgesetze gesammelt. Das gesammelte Pflanzenmaterial enthielt keine gefährdeten/gefährdeten Arten oder staatlich verbotene schädliche Unkräuter.

Iteration wurde verwendet, um C1- und C2-Werte in Gleichung zu finden. (2) durch Berechnen der vorhergesagten Absetzgeschwindigkeit basierend auf den physikalischen Eigenschaften jedes Partikels und Einstellen der berechneten Absetzgeschwindigkeit auf die beobachtete Absetzgeschwindigkeit und Lösen nach C1 und C2. Erste Sensitivitätsanalysen deuteten darauf hin, dass C2 der einflussreichere Parameter in den Daten war und C1 für alle Analysen auf einen Wert von 100 gesetzt wurde. Goral et al.21 fanden heraus, dass Mikroplastik derselben Form, flache Scheiben und quadratische Platten, einen konstanten Luftwiderstandsbeiwert von etwa 1,23 bei Re unter 1000 hatten. Ferguson und Church11 beschreiben C1 als die Konstante in der Stokes-Gleichung für laminare Absenkung und C2 als Konstante für Re größer als 1000. Die in dieser Studie getesteten Partikel befanden sich alle in mittleren oder turbulenten Strömungsregimen (Re > 1000), daher ist es logisch, dass C2 einen größeren Einfluss auf die Gleichung zur Vorhersage der Absetzgeschwindigkeit hatte.

Die gemittelten C2-Werte unter Verwendung der anfänglichen ungesättigten SGbulk-Werte sind in Tabelle 4 aufgeführt, und die gemittelten C2-Werte unter Verwendung eines SGbulk-Werts von 1,05 sind in Tabelle 5 aufgeführt. Obwohl außerhalb des Bereichs der empfohlenen Werte von Ferguson und Church11 (18 bis 24 für C1 und 0,4). bis 1,2 für C2) hatten die C2-Werte eine Beziehung zum Fmax für Samen, wie später in diesem Abschnitt besprochen wird.

Die Residuen der vorhergesagten und der beobachteten Absetzgeschwindigkeiten unter Verwendung des anfänglichen ungesättigten SGbulk und unter Verwendung von SG1.05 sind in Abb. 3 gegen Fmax aufgetragen. Die Residuen zeigen, dass die Regression unverzerrt und homoskedastisch ist, mit Ausnahme der Residuen mit einem Fmax um 0,05 m . Offensichtlich konnte die Regression die Absetzgeschwindigkeit dieser Ausreißerpartikel nicht gut vorhersagen. Bei allen Ausreißern handelte es sich um Spitzahornsamen, die sich in Form und Massenverteilung deutlich von den anderen Partikeln unterschieden. Die Samen des Spitzahorns waren die am längsten getesteten Partikel mit dem höchsten Seitenverhältnis. Darüber hinaus hatten die Samen des Spitzahorns einen dichten Samen an einem Ende des Partikels, während leichteres Samenmaterial zum anderen Ende führte (siehe Abb. 2b). Alle anderen Partikel hatten niedrigere Seitenverhältnisse und die Samen der Amerikanischen Ulme waren flache Scheiben mit einem kleinen Samen in der Mitte der Scheibe und hatten daher eine gleichmäßigere Massenverteilung.

Residuen für die vorhergesagte vs. beobachtete Absetzgeschwindigkeit unter Verwendung (a) anfänglicher ungesättigter SGbulk und unter Verwendung von (b) SG1.05, aufgetragen gegen den Feret-Durchmesser jedes Partikels.

Die vorhergesagten und beobachteten Absetzgeschwindigkeitswerte für alle 48 Partikel hatten eine einigermaßen starke Korrelation mit einem R2-Wert von 0,83 und p < 0,05 (Abb. 4a) bei Verwendung des anfänglichen SGbulk und einem R2-Wert von 0,79 bei Verwendung von SG1,05 (Abb. 4b). . Die Verwendung der durchschnittlichen C2-Werte führt nicht zu einer Eins-zu-eins-Reaktion der beobachteten und vorhergesagten Werte mit der Church-Gleichung, was darauf hindeutet, dass dies möglicherweise kein geeignetes Modell für diese Bedingungen ist. Diese Methode scheint für Spitzahornsamen vernünftige Schätzungen von Geschwindigkeiten unter 0,08 m/s mit geringerer Zuverlässigkeit zu liefern.

Vorhergesagte vs. beobachtete Absetzgeschwindigkeit unter Verwendung von (a) anfänglichem ungesättigtem SGbulk und unter Verwendung von (b) SG1.05. Sowohl für Parzelle (a) als auch für Parzelle (b) wurden die durchschnittlichen C2-Werte nach Arten verwendet.

Es wurde keine Eins-zu-eins-Beziehung zwischen den fünf gemessenen physikalischen Parametern (Masse, Fmax, Grundoberfläche, SG-Masse und verdrängtes Wasservolumen) und der durchschnittlichen Absetzgeschwindigkeit für die Blätter und Samen aller Arten gefunden. Tabellen mit berechneten linearen Korrelationskoeffizienten sind im Anhang mit ergänzenden Informationen enthalten.

Bei Blättern gab es keine Korrelation zwischen irgendeinem physikalischen Parameter und C2. Ein einseitiger Varianzanalysetest (ANOVA) (α = 0,05) wurde an den beiden Blattarten durchgeführt (unter Verwendung von anfänglichem ungesättigtem SGbulk). Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt. Mit p = 0,58 ist die Nullhypothese, dass die beiden Proben dass die Durchschnittswerte gleich sind, konnte nicht zurückgewiesen werden. Mit diesen Ergebnissen wurden die beiden Blattarten gruppiert und analysiert (Tabelle 7).

Zusätzliche Daten von weiteren Baumarten würden bestätigen oder widerlegen, dass Baumblätter einen festgelegten Bereich von C2-Werten aufweisen, der nicht mit den physikalischen Parametern der einzelnen Blätter zusammenhängt. Für häufig gepflanzte Boulevardbäume, Quercus- und Acer-Arten müssten zusätzliche Datensätze zur Überprüfung der Ergebnisse verwendet werden, um den mittleren C2-Wert zur Schätzung der Blattsetzgeschwindigkeit zu verwenden, insbesondere angesichts der Unsicherheit von C2 (Tabelle 7).

Ein einseitiger ANOVA-Test (α = 0,05) wurde mit den beiden Samenkategorien durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 aufgeführt. Für die Analyse wurde zunächst ungesättigtes SGbulk verwendet. Mit p < 0,05 wurde die Nullhypothese, dass die beiden Durchschnittswerte gleich sind, verworfen. Die C2-Werte und Absetzgeschwindigkeiten waren innerhalb der Arten konsistent, unterschieden sich jedoch im Vergleich zwischen den beiden Arten stark, wie statistisch in Tabelle 9 dargestellt. Es gab eine Korrelation zwischen Fmax und dem C2-Wert mit R2 = 0,67 und p < 0,05 (Abb. 5). ).

C2 vs. Fmax für alle getesteten Samen.

Bei den getesteten Samen handelte es sich im Wesentlichen um raue Kugeln, die von Pflanzengewebe umgeben waren. Es ist wahrscheinlich, dass die kugelförmigen Samen die Absetzgeschwindigkeit kontrollierten und dazu führten, dass sich die Partikel eher wie ein natürliches Korn verhielten, wobei Spitzahornsamen größere Samen, eine schnellere Absetzgeschwindigkeit und niedrigere C2-Werte als amerikanische Ulmensamen aufwiesen.

Um festzustellen, ob die beobachtete Beziehung zwischen C2 und Fmax zutrifft, wären Daten verschiedener Baumarten erforderlich. Wenn die Beziehung für mehrere Arten gilt, könnte sie verwendet werden, um die Absetzgeschwindigkeit jedes Baumsamens basierend auf seinem Fmax vorherzusagen. Andernfalls könnte für jede Art ein festgelegter Bereich von C2-Werten aufgezeichnet werden.

Die anfänglichen ungesättigten SGbulk-Werte werden hier dargestellt und stellen die physikalischen Eigenschaften der organischen Partikel dar, wie sie in städtischen Umgebungen vorkommen: auf dem Bürgersteig und ungesättigt. Wie bereits erwähnt, waren die Partikel vor den Experimenten gesättigt, was zu einem gesättigten SGbulk-Wert von näher bei 1,05 führen würde. Der gemessene anfängliche SGbulk für alle Partikeltypen ist in Boxplots in Abb. 6 zusammengefasst und die durchschnittlichen anfänglichen SGbulk-Werte sind in Tabelle 10 aufgeführt. Die Durchschnittswerte des anfänglichen SGbulk der beiden Blattarten waren statistisch unterschiedlich bei α = 0,05 (p = 0,039), aber die Durchschnittswerte der beiden Samenarten unterschieden sich statistisch nicht bei α = 0,05 (p = 0,59). Rote Eichenblätter hatten den höchsten durchschnittlichen anfänglichen SGbulk-Wert der gemessenen Partikel, einschließlich eines anfänglichen SGbulk-Werts über eins. Karlik und McKay23 fanden ähnliche Trockenmassedichtewerte in Blättern der Blaueiche, darunter ein Blatt mit einem SGbulk über eins. Es ist wahrscheinlich, dass die biologische Struktur und Funktion der beiden verschiedenen Baumarten den Unterschied in der anfänglichen SG-Masse verursacht hat, wobei die Blätter der Roteiche im Allgemeinen dicker sind und mehr Wasser speichern als die Blätter des Spitzahorns. Die Berechnung eines vollständig gesättigten SG-Werts und teilweise gesättigter SG-Werte, um einen SG von 1,05 zu erreichen, stimmte insofern überein, als die Messungen ergaben, dass jedes Partikel vor der Sättigung schweben und nach der Sättigung sinken konnte, was ein effektiver evolutionärer Ausbreitungsmechanismus ist.

Anfängliche Boxplots mit spezifischem Massengewicht für (a) Baumsamen und (b) Baumblätter.

Eine einfaktorielle ANOVA zeigte, dass die Stichprobenmittelwerte der anfänglichen SG-Masse der Samen der Amerikanischen Ulme und der Samen des Spitzahorns bei α = 0,05 (p = 0,59) statistisch nicht unterschiedlich waren. Eine einfaktorielle ANOVA zeigte, dass die Stichprobendurchschnitte des anfänglichen SGbulk für Roteichenblätter und Spitzahornblätter bei α = 0,05 (p = 0,039) statistisch unterschiedlich waren. Beim Vergleich aller 24 Blattpartikel mit allen 24 Samenpartikeln zeigte eine einfache ANOVA bei α = 0,05 (p = 0,0001), dass sich der durchschnittliche anfängliche SGbulk für Blätter deutlich vom durchschnittlichen anfänglichen SGbulk für Samen unterschied. Alle ANOVA-Tabellen, die sich auf die anfängliche SGbulk-Analyse beziehen, sind in Tabelle 11 aufgeführt.

Die anfänglichen SGbulk-Werte für beide Samenarten waren im Allgemeinen niedriger als die anfänglichen SGbulk-Werte für beide Blattarten, und die anfänglichen SGbulk-Werte zwischen den beiden Samenarten waren sehr ähnlich. Auch hier dürfte die biologische Struktur der Samen die Ursache für die Unterschiede sein. Bei beiden Arten von Baumsamen handelt es sich um „Segelflugzeuge“, die nach dem Fallen vom Baum von einem zarten Gewebe getragen werden, das den Samen umgibt.

In dieser Studie wurden Absetzgeschwindigkeitsdaten für organische, nicht kugelförmige Partikel präsentiert. Durch die Lösung nach dem C2-Widerstandsbeiwert in der Ferguson- und Church-Gleichung wurden neue Wertebereiche für Baumblätter und eine Beziehung zu Fmax für Baumsamen angegeben. Diese Ergebnisse sind wertvoll, da sie die Fülle an verfügbaren Daten und Analysen für anorganische Absetzgeschwindigkeiten erweitern, indem sie die relativ unerforschten Absetzgeschwindigkeiten organischer Partikel untersuchen.

Mit zusätzlichen Untersuchungen könnte auf der Grundlage der resultierenden Daten ein Bereich von C2-Werten allen Baumblättern oder mehreren Gruppen ähnlicher Baumarten zugeordnet werden. Die für amerikanische Ulmensamen, Blätter und Samen der Roteiche sowie Spitzahornblätter dargestellten C2-Werte scheinen bei Verwendung eines ungesättigten SG-Werts vernünftige Schätzungen der Absetzgeschwindigkeit zu liefern. Diese Methode scheint für Spitzahorn-Samen nicht geeignet zu sein, wahrscheinlich aufgrund der asymmetrischen Form. Durch maschinelles Lernen könnten zuverlässige Modelle entstehen, die die Absetzgeschwindigkeit anhand der Formen des Pflanzenmaterials vorhersagen. Daten zum Nährstoffgehalt, die mit Daten zur Absetzgeschwindigkeit organischer Partikel verknüpft sind, würden bessere Schätzungen der Schadstoffbelastung des Regenwassers ermöglichen.

Diese Studie legt den Grundstein für zukünftige Forschungen zur Absetzgeschwindigkeit organischer Partikel. In diesem Bereich gibt es mehrere interessante Forschungsrichtungen, darunter unter anderem: die Erweiterung der Anzahl der Baumarten, die Variation der Proben je nach Grad der Zersetzung und das Absetzen der Partikel in fließendem Wasser, um Regenwasser zu simulieren, das entlang einer Bordsteinkante fließt. Untersuchungen zur Zeit, die ein organisches Partikel benötigt, um im Wasser zu sinken, wären wertvoll, da diese Informationen Aufschluss darüber geben würden, wie lange das Partikel im Regenwasser schwimmt, bevor es mit der angegebenen Absetzgeschwindigkeit sinkt.

Organisches Material gilt als Auslöser der Nährstoffverschmutzung im städtischen Regenwasser, doch das Schicksal und der Transport spezifischer organischer Partikel im Regenwasser sind nicht genau geklärt. Diese Studie ist einer der ersten Schritte zur mathematischen Darstellung nichtsphärischer organischer Partikel, was zu vielen praktischen Ingenieurstudien führen könnte. Mit einem besseren Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Regenwasserschadstoffen sind Städte und Regierungen besser für die Sanierung und Erhaltung ihrer wertvollen Wasserressourcen gerüstet.

Die in dieser Studie verwendeten Datensätze sind im Anhang mit ergänzenden Informationen enthalten.

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Dieses Projekt wurde vom Minnesota Stormwater Research and Technology Transfer Program unterstützt, das vom University of Minnesota Water Resources Center verwaltet wird, durch Mittel aus dem Clean Water Fund, der durch Minnesota Clean Water Land and Legacy Amendment eingerichtet wurde, und vom Minnesota Stormwater Research Council mit finanziellen Beiträgen von : Capitol Region Watershed District, Comfort Lake-Forest Lake Watershed District, Mississippi Watershed Management Organization, Nine Mile Creek Watershed District, Ramsey-Washington Metro Watershed District, South Washington Watershed District, City of Edina, City of Minnetonka, City of Woodbury und , Wenck Associates, Minnesota Cities Stormwater Coalition.

Abteilung für Bioprodukte und Biosystemtechnik, University of Minnesota, Twin Cities, 1390 Eckles Ave, Saint Paul, MN, 55108, USA

Aaron J. Pietsch und John A. Chapman

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Beide Autoren waren an der Gestaltung des Experiments beteiligt. AJP sammelte Daten und verfasste das Manuskript mit Feedback von JAC

Korrespondenz mit Aaron J. Pietsch.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pietsch, AJ, Chapman, JA Absetzgeschwindigkeiten grober organischer Feststoffe. Sci Rep 13, 12436 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39645-x

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Eingegangen: 01. April 2023

Angenommen: 28. Juli 2023

Veröffentlicht: 01. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39645-x

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