La segregación y el bloqueo del lecho aumentan el almacenamiento de partículas naturales y sintéticas en los ríos

Nature Communications volumen 12, número de artículo: 7315 (2021) Citar este artículo

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Si bien la importancia ecológica del intercambio hiporreico y el transporte de partículas finas en los ríos está bien establecida, estos procesos generalmente se consideran irrelevantes para la morfodinámica del lecho de los ríos. Mostramos que el acoplamiento entre el intercambio hiporreico, la deposición de sedimentos suspendidos y el movimiento del lecho de arena modula fuertemente la morfodinámica y clasifica los sedimentos del lecho. El intercambio hiporreico centra la deposición de partículas finas dentro y debajo de los lechos móviles, lo que suprime la movilidad del lecho. Sin embargo, los finos depositados también se removilizan mediante el movimiento del lecho, proporcionando un mecanismo para segregar partículas gruesas y finas en el lecho. Sorprendentemente, dos estados finales distintos emergen de la interacción competitiva entre la estabilización y la removilización del lecho: un estado bloqueado en el que la deposición de partículas finas estabiliza completamente el lecho, y un equilibrio dinámico en el que la removilización frecuente clasifica el lecho y restaura la movilidad. Estos hallazgos demuestran la importancia del intercambio hiporreico para la morfodinámica del lecho de los ríos y aclaran cómo las interacciones dinámicas entre partículas gruesas y finas producen patrones sedimentarios que se encuentran comúnmente en los ríos.

Los ríos transportan material disuelto y particulado desde los continentes a los océanos. Las partículas terrestres desempeñan un papel clave en la estructuración de los canales de los ríos aluviales1, el mantenimiento de las costas deltaicas2 y el apoyo a los ecosistemas acuáticos3,4. La materia orgánica particulada se retiene en los lechos de los ríos y las llanuras aluviales5, se entierra en clinoformas deltaicas6 y se almacena en sedimentos marinos7,8. En consecuencia, la dinámica del sistema fluvial interno regula el metabolismo del carbono, produciendo una salida anual de 5,1 Pg de carbono de los ríos a la atmósfera y entregando 0,9 Pg9 de carbono de origen terrestre a los océanos5,8,10,11,12. El desarrollo de la tierra y la agricultura han aumentado sustancialmente la erosión del suelo y la entrega de partículas a los ríos13. La acumulación excesiva de estas partículas finas en los sedimentos (sedimentación, incrustación) es una de las principales causas de deterioro de los ecosistemas acuáticos en la actualidad14,15. Estos impactos se ven enormemente exacerbados cuando las propias partículas son tóxicas (por ejemplo, relaves de minas metálicas)16. Al mismo tiempo, se han introducido grandes cantidades de plásticos en los sistemas acuáticos, produciendo cantidades extraordinarias de pequeñas partículas, fragmentos y fibras (denominados colectivamente microplásticos) que se transportan a través de los sistemas fluviales y se acumulan dentro de ellos17,18. Actualmente se desconocen los tiempos de almacenamiento de estas partículas sintéticas y sus consecuencias a largo plazo para los ecosistemas acuáticos.

Las partículas terrestres, acuáticas y antropogénicas están sujetas a una amplia gama de condiciones durante el transporte desde las cabeceras de los ríos hasta los ecosistemas costeros, incluidas variaciones de luz solar y oxígeno en la columna de agua, abrasión física, fuertes gradientes redox y metabolismo microbiano diverso en el lecho del río19,20 ,21. La materia orgánica disuelta y particulada se transforma tanto en el arroyo como dentro de la zona hiporreica, la región altamente bioactiva del lecho del río donde el agua del río se mezcla con el agua subterránea19. El intercambio hiporreico facilita el metabolismo microbiano al entregar oxígeno, carbono y nutrientes a las comunidades microbianas bentónicas e hiporreicas19. La tasa y extensión del intercambio hiporreico están controladas por el flujo del río, la morfología del canal y la permeabilidad del lecho del río. Sin embargo, las escalas de tiempo de almacenamiento y flujo hiporreico no se han incorporado en los modelos numéricos y conceptuales para la dinámica de la materia orgánica particulada o los microplásticos en los ríos22,23,24,25.

Hasta la fecha, la deposición de partículas finas (diámetro < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) y ligeras (gravedad específica ~1) inorgánicas, orgánicas y sintéticas en los lechos de los ríos ha aumentado. No se han considerado porque generalmente se supone que permanecen suspendidos en la columna de agua debido a las bajas velocidades de sedimentación26. Aunque los primeros estudios indicaron que las partículas finas y/o ligeras pueden afectar la morfodinámica del lecho27 y se sabe que los finos modulan las propiedades de los fluidos28, comúnmente se supone que solo interactúan mínimamente con los lechos de los ríos29. Cada vez hay más conciencia de que las partículas finas pueden afectar la morfodinámica del lecho, ya que estudios recientes han demostrado que los finos pueden cambiar la pendiente del lecho30 e interactuar con los sedimentos del lecho como parte de la carga del lecho31,32. Además, las partículas finas en suspensión son transportadas a los lechos de los ríos mediante intercambio hiporreico y se acumulan en el subsuelo33,34,35,36.

Aquí mostramos que la dinámica de partículas finas, el intercambio hiporreico y la morfodinámica del lecho del río están altamente acoplados, y este acoplamiento lleva al sistema a uno de dos estados finales asintóticos: bloqueo del lecho en el que las partículas finas se acumulan dentro del lecho y estabilizan completamente el lecho, y segregación en el lecho. cuyas partículas finas se propagan hacia abajo a través de las formas del lecho, restaurando completamente la morfodinámica del lecho y formando capas deposicionales enterradas. Ambos estados finales dejan un patrón de depósito distintivo que puede detectarse mediante núcleos de sedimentos. Además, estos estados finales controlan tanto las escalas de tiempo de retención de partículas como las frecuencias de removilización del lecho, que regulan tanto la descomposición como el impacto ecológico de las partículas finas en los ríos.

Simultáneamente observamos la morfodinámica del lecho y la deposición de partículas finas (arcilla caolinita) en canales de recirculación de laboratorio en condiciones típicas de pequeños arroyos de lecho de arena (Métodos). Primero observamos la morfodinámica de la arena sola (antes de agregar arcilla) para evaluar las distribuciones de la celeridad y la morfología de la forma del lecho en cada condición de flujo (Fig. 1a, b). Luego agregamos arcilla dispersa a la corriente libre y observamos el flujo de la corriente, la deposición de arcilla y los cambios en la morfodinámica del lecho usando una combinación de imágenes (formas de lecho y arcilla), velocimetría Doppler acústica (estadísticas de flujo y forma de lecho en un punto), mediciones de concentración de arcilla suspendida. (tiempo real) y contenido de arcilla del lecho (al finalizar los experimentos). La arcilla se transportó hacia el interior y a través del lecho a lo largo de trayectorias de flujo hiporreico y se depositó en el lugar de máximo influjo hiporreico en cada lecho y dentro de los canales del lecho (Figura complementaria 1, Película complementaria I). La acumulación de arcilla estabilizó el lecho, reduciendo la celeridad de la forma del lecho (Fig. 1a, b) y alterando la morfología del lecho (Fig. 1c). Este tipo de estabilización se ha observado en mezclas granulares37,38 y se sabe que resulta de interacciones entre partículas (cohesión) a medida que los depósitos de arcilla llenan los poros y forman puentes entre los granos de arena39,40,41,42,43. No pudimos observar estos procesos a microescala directamente en nuestros experimentos a gran escala, pero los patrones de deposición de arcilla, la celeridad reducida de la forma del lecho y la morfología alterada de la forma del lecho demuestran los efectos de la estabilización (Fig. 1, Fig. 2, Fig. Suplementaria 2). .

a Los canales Bedform fueron seguidos continuamente antes (azul) y después de la adición de arcilla (rojo). Después de agregar arcilla, las formas del lecho se ralentizan y eventualmente se fijan en su lugar. Las líneas horizontales rojas indican formas de lecho inmóviles (es decir, celeridad = 0). b Los puntos rojos y azules representan celeridades de forma de lecho calculadas para las ubicaciones de los canales que se muestran en a, mientras que la línea negra continua representa la acumulación de arcilla dentro del lecho. A medida que se acumula la arcilla, el lecho se bloquea temporalmente (las celeridades se acercan a cero cerca de las 250 h) y luego el movimiento del lecho se reinicia debido a fluctuaciones turbulentas aguas arriba. El lecho se vuelve a cerrar después de que se acumula suficiente arcilla en el lecho (cerca de 410 h). c De arriba a abajo, imágenes que muestran formas de base móviles de lecho limpio (50 h), formas de lecho parcialmente móviles después de la adición de arcilla (300 h) y formas de lecho bloqueadas (450 h), respectivamente. Se ha combinado el color de las imágenes para ayudar en la visualización de la capa de arcilla. En condiciones de altas tasas de transporte de sedimentos del lecho, el transporte continuo de arena conduce a un estado final segregado con formas de lecho móviles que se propagan sobre una capa de arcilla depositada. Sin embargo, en los casos dominados por la estabilización, la deposición extensa de arcilla dentro de los lechos produce un estado final bloqueado.

a Tres ejemplos de distribuciones de celeridad de la forma del lecho antes (sólido) y después de la adición de arcilla (discontinua) para tensiones de escudo bajas (azul), media (amarilla) y alta (roja). La distribución de celeridad de la forma del lecho disminuye después de la deposición de arcilla, y la reducción es más pronunciada bajo una menor cizalladura del fluido impuesta (líneas azules). b La celeridad normalizada de la forma de lecho disminuye con la relación de estabilización de la forma de lecho \(\psi =\frac{M}{{\tau }_{* }}\), lo que indica que los cambios morfodinámicos observados reflejan un equilibrio entre las fuerzas cohesivas y el estrés de escudo del fluido. . Los puntos representan el promedio de las 100 h de datos de celeridad en forma de cama. Se muestra el ajuste lineal (R2 = 0,93) con un intervalo de confianza del 95%. Esta relación es consistente tanto para condiciones de bloqueo (dominadas por la estabilización) como de segregación (dominadas por la movilización).

En experimentos con velocidades de corte relativamente bajas (U* = 0,013 m/s), la acumulación de arcilla estabilizó completamente el lecho, fijando las formas del lecho en su lugar (Película complementaria I). El bloqueo se produjo cuando la cohesión aumentó hasta tal punto que el corte del fluido impuesto ya no fue suficiente para movilizar el lecho. La celeridad de la forma del lecho disminuyó a medida que la arcilla se acumulaba en el lecho (Fig. 1, Fig. 2) y exhibió un comportamiento estocástico a medida que la tasa de transporte se acercaba a cero. El bloqueo completo fue precedido por períodos de bloqueo incipiente, en los que el lecho se estabilizó completamente localmente en el lugar de observación pero permaneció móvil aguas arriba. El transporte de sedimentos resultante se propagó a través del sistema y removilizó episódicamente el lecho en el área de medición (Fig. 1a-c). A medida que la cama se acercaba a un estado bloqueado, la estabilización parcial cambió sustancialmente la morfología de la cama. Las longitudes de onda de la forma del lecho aumentaron cuando el transporte de sedimentos del lecho disminuyó (Figura complementaria 2). Además, durante el período de bloqueo del encofrado, una pequeña cantidad de arena permaneció en transporte sobre los encofrados bloqueados. Esta combinación de deposición de arena en los canales de los lechos y el alargamiento general de los lechos redujo los ángulos de sotavento del lecho (Figura complementaria 2). La deposición de arcilla finalmente bloqueó el lecho por completo, deteniendo el transporte de sedimentos por todo el sistema. Los lechos completamente bloqueados tenían formas y propiedades morfológicas visiblemente diferentes a los lechos libres de arcilla o clasificados de arcilla y arena, ya que son alargados y su ángulo de sotavento se reduce notablemente. (Figura 1c, Figura complementaria 2).

El grado de estabilización del lecho dependió del corte del fluido impuesto, así como de la cantidad de arcilla depositada (Fig. 2). Si bien el tamaño de los flóculos de arcilla aumentó ligeramente con la masa de arcilla utilizada en cada inyección y la salinidad, el tamaño de los flóculos no afectó notablemente la estabilización del lecho. La celeridad de la forma del lecho disminuyó en todos los casos, pero el bloqueo completo solo ocurrió en condiciones de cizallamiento relativamente bajo en las que la estabilización dominó el retorno de la arcilla a la columna de agua a través del intercambio hiporreico y la socavación del lecho (removilización) (Fig. 2a). Evaluamos el cambio en la dinámica de la forma del lecho en términos de una relación de estabilización \(\psi\), definida como la relación entre la fracción de arcilla en el lecho (M) (un indicador de la fuerza cohesiva asociada con la deposición de arcilla) y la fuerza de movilización. impuesto por el fluido (esfuerzo de escudo adimensional, \({\tau }_{* }\)). La celeridad de la forma del lecho normalizada (relación de la celeridad media de las formas del lecho de arcilla y arena en relación con la arena sola ) disminuyó linealmente con la relación de estabilización (Fig. 2b). La estabilización de lechos de sedimentos móviles únicamente mediante la deposición de partículas finas de la columna de agua no se ha cuantificado previamente. Estos hallazgos indican que la deposición y removilización de partículas finas regulan episódicamente la morfodinámica de los ríos con lecho de arena.

En condiciones de alta movilidad del lecho (\(\psi\) - > 0), la arcilla depositada frecuentemente se removiliza desde dentro de los lechos, y la deposición a largo plazo sólo ocurre en una capa horizontal debajo de la región activa de transporte de sedimentos del lecho. Para este caso, observamos un pico en la acumulación de arcilla en la ubicación de la profundidad de socavación (modal) más frecuente (Fig. 3a). Esto puede considerarse el resultado de un proceso estocástico en el que el paso de una serie aleatoria de formas de lecho induce tanto el movimiento descendente de las partículas suspendidas a lo largo de trayectorias de flujo hiporreicas como la removilización de las partículas depositadas a través de la socavación. Esta removilización puede considerarse un tipo de proceso de aventamiento que elimina las partículas finas del lecho de sedimentos. Sin embargo, el paso repetido de las formas del lecho mueve las partículas de arcilla más profundamente hacia el lecho y, en última instancia, hacia regiones de las cuales no se removilizan44. La capa de acumulación de arcilla resultante es horizontal porque se forma por el paso de muchos lechos, lo que homogeneiza longitudinalmente los efectos de los procesos de intercambio hiporreico45. Por el contrario, cuando domina la estabilización, hay una extensa deposición de arcilla dentro de cada lecho y la fuerte estabilización local resultante ralentiza y finalmente detiene el movimiento de los sedimentos del lecho. Para el caso cerrado, observamos que la acumulación de arcilla disminuyó monótonamente con la profundidad en el lecho (Fig. 3b), como se esperaba para un proceso impulsado por el flujo de partículas de sedimento desde la columna de agua46,47.

Las imágenes de la izquierda son imágenes representativas de los dos estados finales, mientras que los perfiles de concentración de la derecha reflejan la acumulación de arcilla en el lecho de sedimento (ver métodos). Los círculos rojos indican la concentración mediana y el sombreado representa el rango intercuartil. a En el estado final segregado (NU-3), la arcilla se acumula en una capa definida justo debajo de la capa activa de transporte de arena. El pico del perfil de concentración de arcilla ocurre justo debajo de la profundidad de socavación del lecho más frecuente. La arcilla también se deposita por debajo de la profundidad máxima de socavación (~0,075 m), ya que la arcilla se bombea activamente debajo de los lechos mediante intercambio hiporreico. b En el estado final bloqueado (NU-8), la acumulación extensa de arcilla dentro de los lechos detiene el movimiento del lecho. Los patrones de deposición de arcilla reflejan el bombeo hiporreico inducido por la forma del lecho hacia la pendiente tipo Stoss y a través del lecho. En este caso, no hay una capa definida de arcilla enterrada y la concentración de arcilla depositada disminuye monótonamente con la profundidad. El flujo es de izquierda a derecha en las imágenes de formas de cama. Se ha combinado el color de las imágenes para permitir una visualización más sencilla de la acumulación de arcilla.

En el caso dominado por la movilización, la presencia de arcilla en la capa móvil aún disminuyó la celeridad de la forma del lecho durante la escala de tiempo del experimento (Fig. 2), pero la arcilla no se acumuló permanentemente en esta región. En cambio, la arcilla se acumuló principalmente debajo de la capa activa de transporte de arena, en profundidades donde la arcilla fue entregada por intercambio hiporreico pero rara vez removilizada por el paso de lechos más grandes. La acumulación de arcilla estabilizó el lecho a esta profundidad, desplazando la distribución de la socavación hacia arriba y reduciendo la altura media del lecho (Figura complementaria 4). Esta dinámica produjo un estado final segregado en el que la arcilla se acumula justo debajo de la capa activa, mientras se mantiene una capa móvil de transporte de arena (Fig. 3a). El intercambio hiporreico disminuyó en más de un factor de dos en la profundidad de la acumulación de arcilla, pero se mantuvo dentro de la capa activa (Figura complementaria 1, Película complementaria 2).

Los dos estados finales morfodinámicos observados aquí (segregados y bloqueados) representan los resultados asintóticos del forzamiento estocástico y la dinámica interna en los ríos. Las formas del lecho se desarrollan espontáneamente a partir de interacciones entre el flujo del río, el movimiento de los sedimentos del lecho y la topografía del lecho del río48. Si bien anteriormente se pensaba que la dinámica de las partículas suspendidas y del lecho era independiente, nuestros resultados muestran que el intercambio hiporreico y la posterior deposición de partículas finas modulan fuertemente la morfodinámica del lecho local. En escalas de tiempo más largas, se espera que la repetición extensa de estos procesos lleve los lechos de los ríos al estado segregado o bloqueado. Los ríos con lecho de arena altamente móviles tienen poca arcilla en la capa activa, mientras que los sedimentos del lecho en los ríos con lecho de arena/limo/arcilla bloqueados contienen una mezcla de partículas gruesas y finas48. Los resultados presentados aquí muestran que la dinámica de suspensión del lecho de flujo refuerza estos patrones. Además, si bien normalmente se supone que la clasificación de arcilla y arena es impulsada por el lavado de partículas finas de los lechos de sedimentos mixtos, los resultados presentados aquí muestran que los finos se retienen en una medida mucho mayor de lo que se creía anteriormente y se acumulan en capas deposicionales enterradas. Se sabe que esta heterogeneidad estratificada ocurre en los ríos e influye fuertemente en las tasas y patrones de intercambio hiporreico49, pero los datos de campo disponibles no resuelven las escalas de heterogeneidad observadas aquí50,51.

Se espera que las variaciones a mayor escala en el flujo y las entradas de sedimentos refuercen los procesos locales de formación de lechos. Las partículas que están inmovilizadas ya sea por bloqueo o por depósito debajo de la capa activa sólo pueden removilizarse bajo una mayor cizalladura del fluido, por ejemplo, en inundaciones. Las inundaciones generan lechos más grandes con la capacidad de removilizar los finos depositados desde dentro de los canales de los arroyos35. Sin embargo, las inundaciones también inducen procesos de intercambio hiporreico a mayor escala y empujan partículas finas a mayor profundidad en el lecho del río34,52. Por lo tanto, tanto los procesos de movilización como de deposición observados aquí continúan ocurriendo durante las inundaciones. Se espera que los amplios rangos de flujo y condiciones morfodinámicas que se encuentran en los ríos aumenten la duración y las escalas de tiempo de los procesos que observamos. Además, nuestras observaciones respaldan la hipótesis reciente de que los sedimentos finos contribuyen al desarrollo de lechos de ángulo bajo en grandes ríos y proporcionan un mecanismo adicional para el desarrollo de morfologías de dunas y depósitos sedimentarios inusuales53.

Tanto el estado final bloqueado como el segregado tienen implicaciones directas para el almacenamiento y el metabolismo de partículas finas en los ríos. En el caso cerrado, las partículas quedan atrapadas dentro de los lechos hasta que un evento de alto flujo excede el umbral de erosión del lecho. Esto aumenta los tiempos de residencia de las partículas dentro de la zona hiporreica hasta escalas de tiempo de recurrencia de inundaciones. Se espera que las escalas de tiempo de almacenamiento de partículas finas sean aún mayores en los ríos más grandes, ya que estos ríos requieren un aumento sostenido en la descarga para modular la morfodinámica de la forma del lecho, lo que resulta en tiempos de reajuste lentos54. En el caso segregado, el entierro de partículas finas debajo de la capa activa y la limitación resultante del intercambio hiporreico favorecen la retención a largo plazo de partículas naturales y sintéticas en los ríos. Las partículas finas se depositan principalmente en una capa por debajo de la profundidad promedio de socavación y migran hacia abajo con el tiempo. Las inundaciones repetidas empujarán este material más profundamente hacia el lecho y formarán estratos de baja permeabilidad debajo del canal del río que restringen el intercambio hiporreico y disminuyen la entrega de solutos del río suprayacente. Este proceso proporciona un mecanismo para que las partículas orgánicas suspendidas se depositen, retengan y conserven bajo los canales de los ríos.

Ambos estados finales aumentan las oportunidades de metabolismo de la materia orgánica en relación con los modelos actuales que suponen que estas partículas permanecen en la columna de agua. Si bien se sabe que las partículas de carbono orgánico están enterradas y almacenadas en llanuras aluviales8 y deltas5,6, nuestras observaciones son las primeras en identificar un mecanismo claro de almacenamiento bajo canales fluviales activos.

Es probable que este proceso contribuya a la sobresaturación del CO2 que se encuentra comúnmente en los ríos55 y a las altas tasas resultantes de desgasificación a la atmósfera10.

De manera similar, los microplásticos quedarán enterrados y retenidos durante largos períodos de tiempo en los lechos de los ríos. Los microplásticos son colonizados por biopelículas36, y la sorción de iones y material orgánico en sus superficies conduce a agregados orgánicos-inorgánicos cohesivos que contribuirán a la segregación del lecho. En escalas de tiempo morfodinámicas de los valles de los ríos aluviales, la migración de canales deja depósitos fluviales enterrados dentro de las llanuras aluviales. La estructura a largo plazo formada por los procesos observados aquí serán lentes de partículas finas discontinuas y alargadas, que conservarán la firma del desarrollo humano en forma de extensos depósitos de partículas finas que contienen una gran cantidad de partículas de microplásticos sintéticos.

Si bien la fuerza de cohesión del lecho se verá modificada por el tamaño y las propiedades de la superficie del sedimento suspendido y la porosidad del lecho de arena, el diámetro de la arcilla floculada suspendida (\( < 50\,\mu m\)), las concentraciones de sedimento suspendido ( \( < 10\,g/L\)) y el diámetro del sedimento del lecho (\({D}_{50}0.420\,{mm}\)) utilizados en este estudio son típicos de muchos cursos de agua56,57,58. Tanto los estados finales segregados como bloqueados parecen ocurrir con frecuencia en los sistemas naturales. Los lechos de los ríos a menudo contienen lechos de arena superficiales que se superponen a capas de partículas finas del subsuelo49,59,60. Los estudios de campo han indicado que la formación de estos depósitos puede estar relacionada con la interacción entre la deposición hiporreica y la socavación en lecho móvil34,35. La arcilla en los lechos intermareales, donde estas capas también están presentes44, se ha relacionado con disminuciones en la celeridad de los lechos39. Los lechos en estos sistemas tienen altas fracciones de partículas finas cohesivas61,62,63,64 y suelen ser inmóviles48.

Nuestros resultados muestran que las retroalimentaciones complejas entre la deposición de partículas finas, el intercambio hiporreico y la morfodinámica de la forma del lecho aumentan la retención y el entierro de partículas en los ríos. Es necesario investigar los efectos de los procesos de segregación y bloqueo del lecho en una variedad de ríos para mejorar la evaluación del ciclo de partículas entre los sistemas terrestres, de agua dulce y marinos, y reevaluar la oportunidad para el metabolismo de la materia orgánica acuática y de origen terrestre en los sistemas fluviales. y determinar los impactos ecológicos a largo plazo de las partículas sintéticas. Se espera que el almacenamiento fluvial, la sedimentación y el metabolismo del carbono, los nutrientes y los contaminantes adquieran mayor importancia en el futuro a medida que el aumento del desarrollo de la tierra y la intensidad de las precipitaciones aporten más partículas terrestres a los ríos65. Nuestros hallazgos proporcionan una base para incorporar la heterogeneidad autoorganizada del subsuelo y la dinámica de partículas finas y gruesas acopladas en modelos de geomorfología fluvial, biogeoquímica e impactos en los ecosistemas.

El transporte de sedimentos dentro de ríos y arroyos con lecho de arena ocurre con altas tensiones de Shields (\({{{{{{\rm{\tau }}}}}}}_{* }={{{{{\rm{\tau }}}}}}/\left({{{{{\rm{\rho }}}}}}}_{{{{{{\rm{s}}}}}}}-{{{ {{\rm{\rho }}}}}}\right){{{{\rm{gD}}}}}}\)) donde el flujo se produce a través de la suspensión del material del lecho y el movimiento coherente del lecho41,42, 53. En esta ecuación, τ es el esfuerzo cortante (Pa), g es la gravedad (m/s2), D es un tamaño de grano representativo (m) y ρs y ρ son la densidad del sedimento y del fluido tomada como 2650 y 1000 kg/m3. , respectivamente. La morfodinámica del lecho depende principalmente de las propiedades de la corriente libre (p. ej., velocidad, profundidad), la geometría del tramo del río (p. ej., pendiente, ancho) y la composición del lecho (tamaño de grano, rugosidad)66,67. Por lo general, se considera que las partículas finas suspendidas (diámetro < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) no interactúan significativamente con el lecho basándose en una baja probabilidad inferida de deposición basada en la velocidad de sedimentación de partículas (\({U}_{s}\)) y mezcla hidrodinámica, típicamente representada por el número de Rouse adimensional (\(P=\frac{{U}_{s}}{\beta \kappa {U }^{* }}\)). Sin embargo, un reanálisis reciente de los perfiles de sedimentos suspendidos en ríos con lechos de arena sugiere que los sedimentos suspendidos y los sedimentos del lecho están en equilibrio dinámico32. Además, un creciente conjunto de evidencia indica que las partículas finas se transportan y se acumulan dentro del lecho debido al intercambio hiporreico33,34,35.

Para explorar las interacciones entre la dinámica de las partículas suspendidas y la morfodinámica del lecho, realizamos experimentos dentro de dos canales de recirculación similares en la Universidad Northwestern (NU)40 y la Universidad Ben-Gurion del Negev (BGU) con lechos de sedimentos móviles y arcilla de caolinita de flujo libre con una mediana listada. diámetro de partícula de 0,5 \(\mu m\) y un diámetro floculado de \( < 50\,\mu m\). Se realizaron nueve experimentos en NU y tres en BGU. Todos los experimentos se realizaron con una velocidad de corriente libre constante pero con diferente salinidad de fondo, velocidad de corte y frecuencia y magnitud de las inyecciones de arcilla (Tabla complementaria 1). Todos los experimentos comenzaron con un lecho plano compuesto enteramente de arena con un D50 de 0,420 mm, al que se le permitió desarrollarse completamente antes de agregar caolinita. La velocidad de corte se determinó ajustando un perfil de velocidad de ley logarítmica a un perfil de velocidad aguas abajo promediado en el tiempo sobre el lecho completamente desarrollado. La morfodinámica del lecho de arena se observó durante al menos 70 h, que fue el tiempo mínimo requerido para que convergieran las estadísticas de la forma del lecho. Después de que el lecho estuvo completamente desarrollado y se completaron las mediciones morfológicas de referencia, se agregó arcilla suspendida ya sea como una sola adición (7 ejecuciones) o en adiciones secuenciales (5 ejecuciones).

La altura del lecho (H), la longitud (L), la celeridad (C) y la elevación del lecho se midieron continuamente antes y después de la inyección de arcilla. La morfodinámica de la forma de la cama se midió utilizando cámaras Nikon D5300 montadas en la pared lateral. Las imágenes se procesaron utilizando un procedimiento simple de umbralización en blanco y negro (MATLAB R2019a) para extraer la interfaz entre el fluido suprayacente y la forma del lecho. Los picos y valles de cada forma de cama se determinaron utilizando un algoritmo de "buscar picos" (Python 3.7 SciPy). La longitud del lecho se calculó como la distancia promedio entre canales sucesivos, mientras que la celeridad se determinó mediante regresión lineal del desplazamiento del lecho a lo largo del tiempo. También se utilizó un perfilador de velocímetro acústico Doppler (ADV) Nortek para medir continuamente la elevación del lecho en un solo punto. Estos datos se procesaron con un filtro Savitzky-Golay y un algoritmo de "buscar picos" permitió la extracción de los picos y valles. Los canales se utilizaron para generar la distribución de la profundidad de la socavación para cada corrida. La altura H del lecho se determinó como la diferencia entre la cresta del lecho y la depresión aguas abajo (lado de stoss).

La concentración de arcilla suspendida en la corriente libre se midió continuamente utilizando turbiedades Xylem (WTW Visoturb 700IQ SW para concentraciones bajas y WTW Visolid 700IQ SW para concentraciones altas). El flujo de intercambio hiporreico se midió periódicamente mediante inyecciones de trazador de sal, y la concentración de sal en la corriente se midió utilizando un medidor de salinidad (SM—Star Comm, resolución de 0,01 \(\mu S/{cm}\)). Se midió el intercambio hiporreico para el lecho de arena limpio (antes de la adición de arcilla) y en varios intervalos a lo largo del experimento47. Los perfiles de concentración de arcilla en el sedimento del lecho se obtuvieron tomando núcleos al final de cada corrida siguiendo los métodos de Dallmann 202040. Una vez retirados, los núcleos se seccionaron y el contenido de arcilla de cada sección se midió resuspendiendo la arcilla depositada en agua DI y luego midiendo la absorbancia de la luz con un espectrómetro (Hach Company, DR/4000). Se utilizó una curva de calibración para relacionar la absorbancia de la muestra con la masa de arcilla.

Figuras 1 a 3 y figuras complementarias. 2 a 6 tienen datos sin procesar asociados que están disponibles públicamente en el repositorio de Hydroshare (https://www.hidroshare.org/resource/0983ec823ac64088b25882a6e99341ab/).

Todos los códigos utilizados para procesar los datos sin procesar están disponibles previa solicitud. Las consultas deben dirigirse a Jon Dallmann en [email protected].

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J. Dallmann

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Y. Teitelbaum y S. Arnón

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N. Sund y R. Schumer

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JD, CBP, ESC e YT realizaron experimentos; JD, CBP, YT, ESC, NS, RS, SA y AIP analizaron e interpretaron los resultados; JD, CBP, AIP, YT, ESC, NS, RS y SA escribieron y editaron el manuscrito.

Correspondencia a AI Packman.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a Jaco Baas y Vaughan Voller por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

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Dallmann, J., Phillips, CB, Teitelbaum, Y. et al. La segregación del lecho y el bloqueo aumentan el almacenamiento de partículas naturales y sintéticas en los ríos. Nat Comuna 12, 7315 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27554-4

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Recibido: 09 de septiembre de 2021

Aceptado: 23 de noviembre de 2021

Publicado: 16 de diciembre de 2021

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-27554-4

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