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悬浮泥沙浓度和颗粒特征在混合流域中的大小

作者：Elliott Kellner a,b,

Jason A. Hubbart c,d

a University of Missouri, School of Natural Resources, Columbia, MO 65211, USA

b West Virginia University, Institute of Water Security and Science, Morgantown, WV 26506, USA

c West Virginia University, Institute of Water Security and Science, Morgantown, WV 26506, USA

d West Virginia University, Davis College, Schools of Agriculture and Food, and Natural Resources, Morgantown, WV 26506, USA

强调：（1）在流动类的基础上分析流样品的悬浮沉积物特征

（2）沉积物浓度表明城市场地对河流流量变化的敏感性更高

（3）随着每个站点的流量增加，粒径呈下降趋势。

（4）尺寸结果可能归因于高流量和低流量期间可变的沉积物来源。

（5）结果突出了流量变化和土地利用对悬浮沉积物的复合影响。

摘要：关于基本悬浮沉积物物理过程/关系的知识差距仍然存在，例如粒子类动态和水文变率。每周四次（2009年10月至2014年2月）在巢式规模测量地点（n = 5）采集溪流采集样本，代表对比的主要土地利用实践进行原位测量。使用激光粒子衍射分析抓取样品的总悬浮沉积物浓度和平均粒度。对与不同的流量等级（即第20，第40，第60，第80和第99百分位流量）相对应的悬浮沉积物参数进行比较。从主要农业上游到城市化中部流域，平均悬浮泥沙浓度呈下降趋势，随后增加到郊区下游流域。结果表明，对应于不同流动类别的浓度显着（p lt;0.05）差异，更多城市地点的浓度显示出对流量变化的更大“敏感性”。发现不同位点浓度之间存在显着差异（p lt;0.05），但在较高流量下浓度变得更加相似（pgt;0.05）,平均粒径结果显示每个位点的流动类别之间的显着差异（p lt;0.05）。值得注意的是，尽管基于流速度/能力关系的预期，结果显示在逐渐更高的流量期间颗粒尺寸减小. 在站点之间发现了显着的（p b 0.05）粒径空间差异，特别是对于第20和第40百分位流级别内的流动。 然而，在更高的流量（第60,80和99百分位流量）下，空间模式被削弱因为网站显示出更大的统计相似性, 。 总的来说，结果突出了流量变化和土地利用实践对悬浮泥沙体系的复合影响; 并考虑到颗粒大小和流量之间关系的意外结果，强调了继续研究关于粒度动力学的必要性。

关键词：悬浮沉积物，流程类粒径，土地使用影响，实验流域研究，激光粒子衍射

1.介绍：

悬浮沉积物是水生生态系统的天然成分，在生物地球化学，地貌和生态过程中发挥着重要作用（Wass和Leeks，1999; Vercruysse等，2017）。因此，沉积物体系的改变可能导致对系统功能的连锁效应。然而，尽管悬浮沉积物与水生生态系统健康和水质有着明显的相关性，但悬浮沉积物粒径变化仍然存在巨大的知识差距（Walling和Moorehead，1987; Hubbart和弗里曼，2010年; Hubbart和Gebo，2010; Kellner等，2014）。如Frostick等人所述。 （1983），Slattery和Burt（1997），和汤普森等人。（2016年），关于悬浮沉积物的颗粒大小类特征研究相对较少尽管这种工作有可能提高对河流运输动力学和沉积物/化学物质运输关系的理解（Walling等，2000）。关于悬浮沉积物颗粒/粒度分布的许多现有研究已在实验室中进行，物理学家和数学家寻求更好地理解流体 - 粒子关系的动力学（例如Ghoshaland Debasish，2014）。根据Sadeghi和Singh（2017）的观点，对悬浮沉积物粒径的定期现场取样可能是昂贵的，因此在文献中对环境粒度分布的时空变异性的研究仍然很少。此外，大多数（少数）先前的研究通过破坏天然聚集体的分散方法分析粒度特征，以确定最终的粒度分布（Slattery和Burt，1997）。鉴于有大量悬浮沉积物的证据通过流域的运输以总体形式运输（Wallinget等，2000; Martilla和Kloslash;ve，2015），重要的是考虑“有效”（即未分散的）粒度分布，以便充分了解悬浮沉积物的生物地球化学意义 ，并通过扩展，污染物运输过程和水生生态系统的发展（Slattery和Burt，1997）。 因此，显然需要对悬浮沉积物粒度变化进行研究，以促进对悬浮沉积物体系和动力学的理解，改进污染物运输预测（MartillaaindKloslash;ve，2015），并提高沉积物控制实践的效率（Selbig和Fienen，2012）。

在最近发表的一项研究中，Kellner和Hubbart（2017a）利用总浓度（mu;LL-1）和平均粒径（mu;m）和淤泥体积（mu;LL-1）研究了美国中部混合土地利用流域的悬沙特征。（mu;LL -1）作为一般粒度参数。他们报告了所有参数的子流域之间的统计显着性差异（p lt;0.05），将结果归因于研究流域的土地利用空间模式和地表地质。此外，结果表明粒度特征的季节性强。 在一项关于悬浮沉积物粒度类别分布（PSD）的后续研究中，Kellner和Hubbart（2018）在整个研究过程中在监测点显示出显着不同的（p b 0.05）悬浮沉积物PSDs。例如，结果表明，相对于其他地点，位于较低流域的郊区的淤泥比例（2.43-57.29mu;m）较大。同样，结果显示，相对于其他地点，位于流域中部的高密度城区的砂和聚集体（ge;67.65mu;m）比例较大。 PSD在研究期间表现出一致的季节性，其特征是冬季沙子（和聚集体）比例达到峰值（即70-90％），夏季最低（即12-38％）; 并且在夏季淤泥颗粒的比例达到峰值（即61-88％）和冬季的最低限度（即10-23％）。对结果的可能解释包括季节性流量差异。然而，这两项研究均未涉及一般悬浮沉积物参数的基于事件的动力学，而是利用单调测量（即Spearman相关测试）来描述沉积物参数与水文变异性（例如流量）之间的关系。因此，还存在其他问题，包括：a）流量变化对先前观测到的悬浮沉积物参数的时空变化有何贡献？并且，b）基于流动的悬浮沉积物动力学是否存在空间差异（例如子流域尺度）？因此，尽管Kellner和Hubbart（2017a）取得了进展，Kellner和Hubbart（2018）以及其他先前的研究，需要进一步研究以提高对悬浮泥沙粒度动态的理解，减缓资源的优先次序，土地和水资源管理实践的效果，以及促进沉积物的理解和建模/ 污染物运输过程。

鉴于气象事件（例如降水，高流量）是点和非点源沉积物输送的主要驱动因素（Novotny和Olem，1994），基于流量的动力学考虑是全面了解悬浮泥沙状况的基础。然而，用于基于事件的调查的传统方法通常包括在选择事件期间的高频（例如，小时）流采样（即，机会性采样）。鉴于先前的结果表明颗粒大小特征和年度水文变率的强季节性（Kellner和Hubbart，2017a; Kellner和Hubbart，2018），试图通过这种方法捕获悬浮沉积物体系的全范围时间变化 是不可行的。此外，尽管在整个水域中发生了有贡献的过程（例如，沉积物动员，供应和沉积），但很少有研究在悬浮沉积物动力学研究中包括“非洪水”期。（即从低到高的流动频谱）（Lefranccedil;ois等，2007）。最终，土地和水资源管理者需要后勤量化基于事件的沉积物动力学的可行方法。

考虑到当前的知识差距（例如混合土地利用对基于事件的粒度动态的影响，以及粒度动态的时空变化），该研究的主要目的是研究当代混合用途流域的悬浮泥沙动态。 方法论既科学又严谨（即常规，长期）和后勤可行（例如每日时间尺度，每周采样频率）。子目标包括评估悬浮沉积物结果相对于a）观测到的水文数据，和b）流域土地利用模式，以阐明不同的自然和人为因素对悬浮沉积物状况的影响。

2.材料和方法：

2.1 研究区概况：

该调查在位于美国密苏里州中部的Hinkson Creek Watershed（HCW）进行（表1）。

医护人员的土地使用率约为34％森林，38％为农业，25％为城市（Hubbartet al。，2011），使其成为研究混合用途类型对水质影响的区域代表性分水岭。流域的农业实践包括行种植（例如玉米和大豆生产）和牧场（例如肉牛）（Zeiger和Hubbart，2016），而大部分森林土地是私有的，没有集中管理（即没有种植园或大型） - 森林采伐）。除农业和林地用途外，HCW还包括哥伦比亚大部分城市（人口116,000）（USCB，2015）。HCW的引流面积约为230平方公里海拔高度从海拔平均海平面（AMSL）274米到流域出口附近177米AMSL。 根据64年气候记录（电台编号＃231790,231791），年平均气温和降水量HCW内的温度为12.5°C和991 mm /年，分别（密苏里州气候中心，2014; Kellner和Hubbart，2016）。Hinkson Creek主要以暴雨流为主，基流指数从上游的0.17到流域出口附近的0.27（Zeiger和Hubbart，2015）。值得注意的是，哥伦比亚市从HCW（哥伦比亚市，2016年）的边界外采购市政供水，因此水流不受水抽取的影响。对于未知污染物，Hinkson Creek于1998年被列入清洁水法案303（d）的受损水域清单。 Hinkson Creek于2008年进行了嵌套规模的实验流域研究设计，其中五个测量点（n = 5）将流域划分为五个子流域，其特点是不同的主要土地利用/土地覆盖（LULC）类型（表1）（Hubbart等，2010）。站点＃5位于分水岭出口附近，站点＃1至＃4嵌套在（图1）内。站点＃4是一个美国地质调查局站点（USGS＃06910230），其中阶段和排出已自1967年以来间歇监测。2011年实施了协同适应性管理（CAM）计划，以改善医护人员的水质管理（www.helpthehinkson.org），并最终实现除名，因此包括对悬浮沉积物的调查。需要提高对悬浮沉积物体系的理解，在嵌套尺度上占主导土地利用类型的分区，为当前的工作提供了动力。

表1

位于Hinkson Creek流域（HCW）的巢式规模试验流域研究中，每个分流域（n = 5）的排水面积（ha）和个别土地利用/土地覆盖率（％），密苏里州，美国。 注意，百分比不是总和为100％，因为并非包括每个类别（即湿地，开放水域等），而某些类别是其他类别的组合或独立的（例如不透水的）。

注意：监测站位于Hinkson Creek的主干上。 住宅=发达地区，不透水度为b50％。 城市=发达地区，N50％不透水。 开发=住宅 城市。

2.2. 研究期间的水文气候监测和条件

SutronAccubarreg;恒定流量起泡器被用来在每个计量现场监测阶段。FLO-MATE 2000trade;Marsh McBirney流量计和涉水棒用于测量阶段深度为b1 m时的流量。 美国地质调查局Bridge Boardtrade;用于促进风暴流动期间的流量测量。增量截面法用于生成阶段 - 放电等级曲线（Dottoriet al。，2009），以估算流量。土地利用/土地覆盖数据是使用Arc GIS水文和区域统计工具以及2011年的国家土地覆盖数据集生成的（Homer等，2015）。五年平均年降水量为952 mm yr-1（Hubbart等，2017），类似于64年平均值991 mm yr-1（密苏里气候中心，2014; Kellner和Hubbart，2016）。 每个站点配对的个体位点降水显着相关（p lt;0.05），Spearman相关系数范围为0.77-0.92（Hubbart等，2017）。在研究过程中（1612天），观察到沉淀的平均值（即5个位点平均值）为499天（Hubbart等，2017）。 研究期包括2010年的湿润年，其降水量（1485毫米）比64年平均水平多50％，干旱年份为2012年（727毫米）和2011年（765毫米）（Hubbart等，2017年））。Hinkson Creek的累积流量统计表明，随着流距离的增加（即下游方向），可变性和流量增加（Hubbart等，2017）。水文情势变化的规模通过观察到的所有测量点的低流量和高流量之间的差异来说明，包括大约五个数量级（即0.001-100.00 m3 s-1）（Hubbart等，2017）。在大型春季降水事件后的所有地点观测到最大流量，而在气候干旱年份（例如2011年和2012年水年）的夏末和秋季季节发生最小流量（Hubbart等，2017）。总的来说，研究期间的水文气候特征说明了两个重点：监测点在降水方面的统计相似性; 和HCW的动力学方法。

2.3.数据采集

在周一，周三，周五和周六，在每个测量站点（n = 5）的研究期间（2009年10月至2014年2月）收集流水抓取样本（图1）。始终在每个测量站点的12:00小时（站点＃1）和14:30小时（站点＃5）之间以站点的数字顺序收集样本。 从60％的深度收集抓取样品作为建立的方法，以提供代表性样品（Zeiger和Hubbart，2016; USGS，2006）。将水样放置在田地的冰上，在收集后3小时内送到实验室，冷藏直至分析。 在收集的几天

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