A model to predict surface gas transfer rate in streams based on turbulence production by aquatic vegetation
A model to predict surface gas transfer rate in streams based on turbulence production by aquatic vegetation
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基于水生植被产生的湍流来预测溪流中表面气体传输速率的模型
DOI：
10.1016/j.advwatres.2020.103666
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发表时间：
2020
影响因子：
4.7
通讯作者：
Tinoco, Rafael O.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Tseng, Chien-Yung;Tinoco, Rafael O.
湖泊、河口和河流中的水生植被产生的湍流可以显着改变整个水体的流动结构，影响空气-水界面的气体传输机制，从而改变水质指标。在循环 Odell-Kovasznay 型跑道水槽中进行了一系列实验室实验，使用刚性丙烯酸圆柱阵列来模拟植被。粒子图像测速用于表征平均和湍流统计数据，以研究突水和水下植被对湍流动能 (TKE)、雷诺应力和 TKE 产量方面气体传输速率的影响。通过使用光学传感器测量再通气期间的溶解氧浓度来确定表面气体传输速率。研究结果提供了关于茎和冠层湍流如何影响不同浸没率和阵列密度下表面气体传输速率的新见解。讨论了每种情况下平均流速和 TKE 产量之间的关系，并开发了一种使用 TKE 产量作为气体传输效率指标的改进表面更新模型，以更准确地预测植被流中的表面气体传输速率。
Turbulence generated by aquatic vegetation in lakes, estuaries, and rivers can significantly alter the flow structure throughout the entire water column, affecting gas transfer mechanisms at the air-water interface, thus modifying indicators of water quality. A series of laboratory experiments with rigid, acrylic cylinder arrays to mimic vegetation was conducted in a recirculating Odell-Kovasznay type race-track flume. Particle Image Velocimetry was used to characterize mean and turbulent flow statistics, to investigate the effect of emergent and submerged vegetation on gas transfer rate in terms of turbulent kinetic energy (TKE), Reynolds stresses, and TKE production. Surface gas transfer rates were determined by measuring dissolved oxygen concentration during re-aeration using an optical sensor. The results provided new insights on how stem- and canopy-scale turbulence affect the surface gas transfer rate at different submergence ratios and array densities. The relation between mean flow velocity and TKE production in each scenario is discussed, and a modified surface renewal model using TKE production as an indicator of gas transfer efficiency is developed to more accurately predict surface gas transfer rates in vegetated streams.
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