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

• 批准号: 14750436
• 负责人: 東野 誠
• 金额: $ 2.43万
• 依托单位: Oita National College of Technology
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750436/
• 关键词: 底泥; 物質移動; 水環境; 溶存酸素; 生物過程; SOD; 濃度境界層; 水質; 水・底泥境界面; バイオマス

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。

In this study, we investigated the relationship between DO and SOD in lake water, sediment water column and sediment surface. The researchers studied DO concentration distribution near water and sediment boundary surface, SOD and the influence of sediment flow directly above the surface, SOD and DO consumption rate directly above the sediment surface. This paper presents a detailed analysis of the microbial growth and DO consumption process in sediment. The results are based on the formulation of the boundary layer. The change of environmental conditions in the sediment is accompanied by the response of biological processes in the sediment. The DO concentration distribution near the water and sediment boundary is modulated. The suitability of the sediment is verified by the comparison of SOD values in the application of microelectrodes. SOD flow is affected by the formation of water/sediment boundary layer, and the thickness of the boundary layer is affected by SOD flow. The concentration of SOD in the boundary layer directly above the interface, the DO movement speed and the DO consumption speed of microorganisms in the sediment are regulated. The law is fast and the SOD is determined. The thickness of the boundary layer and the velocity of water directly above the interface are affected by the change of concentration. On the other hand, DO penetration in the sediment is deep, and the influence of flow is likely to be affected. The growth rate of microorganisms in the sediment depends on the concentration of organic matter and nutrient content. In other words, the flow rate is small (concentration layer thickness is large), and the flow rate dependence of microbial growth rate is large. The estimated value of SOD was compared with the result of SOD. This is the first time that water quality in lakes and reservoirs has been predicted with high accuracy.

项目成果

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)

Higashino, M., Stefan, H.G, Gantzer, C.J.: "Periodic Diffusional Mass Transfer near Sediment/Water Interface : Theory"Journal of Environmental Engineering, ASCE. Vol.129, No5. 447-455 (2003)

Higashino, M.、Stefan, H.G.、Gantzer, C.J.：“沉积物/水界面附近的周期性扩散传质：理论”环境工程杂志，ASCE。

Higashino, M., Stefan, H.G., am Gantzer, C.J.: "Periodic Diffusional Mass Transfer near the Sediment/Water Interface : Theory"Journal of Environmental Engineering, ASCE. (印刷中). (2003)

Higashino, M.、Stefan, H.G.、am Gantzer, C.J.：“沉积物/水界面附近的周期性扩散传质：理论”环境工程杂志，ASCE（出版中）。

東野 誠: "底泥による溶存酸素消費過程における濃度境界層発達の影響"水工学論文集. 第48巻. 1351-1356 (2004)

Makoto Higashino：“浓度边界层发展对底泥溶解氧消耗过程的影响”水利工程学报，第 48 卷，1351-1356 (2004)。

東野 誠, 神田 徹: "流れ系における水・底泥間の溶質移動過程モデリング"土木学会論文集. No.698/II-58. 33-43 (2002)

Makoto Higashino、Toru Kanda：“流动系统中水和沉积物之间的溶质转移过程的建模”日本土木工程师学会会议记录第 698/II-58 (2002)。