A One‐Dimensional Model for Turbulent Mixing in the Benthic Biolayer of Stream and Coastal Sediments
A One‐Dimensional Model for Turbulent Mixing in the Benthic Biolayer of Stream and Coastal Sediments
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河流和海岸沉积物底栖生物层湍流混合的一维模型
DOI：
10.1029/2019wr026822
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发表时间：
2020
影响因子：
5.4
通讯作者：
Harvey, Judson
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Grant, Stanley B.;Gomez‐Velez, Jesus D.;Ghisalberti, Marco;Guymer, Ian;Boano, Fulvio;Roche, Kevin;Harvey, Judson
在本文中，我们开发并验证了一个严格的建模框架，该框架基于Duhamel定理，用于求解溶质穿过平坦的沉积物-水界面（SWI）和湍流的底栖生物层的非定常一维垂直输送。该模型框架在捕捉SWI上下不断变化的溶质浓度之间的双向耦合以及允许深度变化的扩散系数方面是新颖的。沉积物中的三种扩散率分布（恒定、指数衰减和混合模型）根据先前发表的大量实验室湍流传质测量结果进行了评估。指数扩散率曲线最能代表实验观测结果，其参考扩散率尺度与渗透率雷诺数（SWI湍流的无量纲度量）有关。湍流增强的扩散系数衰减的深度为厘米数量级，与底栖生物层的厚度相当。因此，SWI的湍流混合可能是一种普遍的运输机制，为河流和海岸沉积物的底栖生物层提供维持微生物生长和营养物质加工所需的营养和能量通量。
In this paper, we develop and validate a rigorous modeling framework, based on Duhamel's Theorem, for the unsteady one‐dimensional vertical transport of a solute across a flat sediment‐water interface (SWI) and through the benthic biolayer of a turbulent stream. The modeling framework is novel in capturing the two‐way coupling between evolving solute concentrations above and below the SWI and in allowing for a depth‐varying diffusivity. Three diffusivity profiles within the sediment (constant, exponentially decaying, and a hybrid model) are evaluated against an extensive set of previously published laboratory measurements of turbulent mass transfer across the SWI. The exponential diffusivity profile best represents experimental observations and its reference diffusivity scales with the permeability Reynolds number, a dimensionless measure of turbulence at the SWI. The depth over which turbulence‐enhanced diffusivity decays is of the order of centimeters and comparable to the thickness of the benthic biolayer. Thus, turbulent mixing across the SWI may serve as a universal transport mechanism, supplying the nutrient and energy fluxes needed to sustain microbial growth, and nutrient processing, in the benthic biolayer of stream and coastal sediments.
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影响因子：
11.4
作者：
S. Grant;I. Marusic
通讯作者：
S. Grant;I. Marusic
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DOI：
--
发表时间：
2010
期刊：
影响因子：
--
作者：
L. Thibodeaux;G. Matisoff;D. Reible
通讯作者：
D. Reible
影响因子：
5.4
作者：
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通讯作者：
B. O’Connor;J. Harvey
影响因子：
2.7
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通讯作者：
P. Vervier
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通讯作者：
B. Ruddell