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Jun 19, 2023

Velocidades de sedimentación de sólidos orgánicos gruesos.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 12436 (2023) Citar este artículo 116 Accesos Detalles de métricas La velocidad de sedimentación de una partícula es un parámetro integral en el modelado de aguas pluviales y

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12436 (2023) Citar este artículo

116 Accesos

Detalles de métricas

La velocidad de sedimentación de una partícula es un parámetro integral en el modelado y diseño de aguas pluviales. La velocidad de sedimentación se puede utilizar para predecir el destino y el transporte de las partículas de aguas pluviales y si las partículas contribuyen a la carga de nutrientes en una cuenca. La predicción de la velocidad de sedimentación de partículas inorgánicas generalmente está bien investigada y se comprende bien. Las partículas orgánicas tienden a variar ampliamente en sus propiedades físicas y actualmente no existen estándares establecidos o ecuaciones empíricas para estimar la velocidad de sedimentación de las partículas orgánicas. Este artículo presenta datos de experimentos de velocidad de sedimentación de hojas y semillas de árboles para comprender mejor cómo se sedimentan las partículas orgánicas en el contexto de ecuaciones de velocidad de sedimentación como la desarrollada por Ferguson y Church. El análisis de los datos recopilados mostró que el segundo de los dos coeficientes de arrastre (C2) utilizados en la ecuación de Ferguson y Church era sensible al tipo y forma de las partículas. Al promediar C2 por tipo de partícula y especie, hubo una correlación entre la velocidad de sedimentación observada y la velocidad de sedimentación predicha por la ecuación de Ferguson y Church (R2 = 0,83). Con estos resultados, los modeladores y diseñadores de aguas pluviales cuentan con una mejor comprensión de cómo representar partículas orgánicas comunes en términos de velocidad de sedimentación. La investigación adicional sobre una variedad más amplia de tipos y especies de partículas orgánicas ampliaría el conjunto de datos presentado aquí.

La urbanización ha generado desafíos únicos en la gestión del agua en ciudades dominadas por superficies impermeables. La necesidad de tratar, almacenar e infiltrar agua en beneficio de los seres humanos y el medio ambiente es primordial a medida que las poblaciones urbanas continúan creciendo y el cambio climático intensifica los fenómenos meteorológicos1. Las aguas pluviales, es decir, el agua de lluvia que escurre por superficies impermeables, son conocidas como un transportador de contaminantes especialmente amplio. Las aguas pluviales transportan contaminantes químicos, físicos y biológicos al agua receptora, degradando la calidad del agua y el hábitat acuático2.

Las aguas pluviales se tratan mediante Medidas de Control de Aguas Pluviales (SCM, por sus siglas en inglés), que son estructuras diseñadas para infiltrar, almacenar o tratar la escorrentía de aguas pluviales con base en principios científicos básicos3. En las zonas residenciales urbanas, los desechos orgánicos e inorgánicos gruesos son contaminantes que suscitan gran preocupación2. Las partículas orgánicas e inorgánicas gruesas consisten en metales4, sedimentos con nutrientes unidos5 y materiales que lixivian nutrientes6.

Muchos SCM residenciales urbanos dependen de la sedimentación para tratar las aguas pluviales3, lo que hace que la velocidad de sedimentación sea un parámetro clave en el diseño y la evaluación. Por ejemplo, las cuencas de aguas pluviales son un SCM muy común que se encuentra a lo largo de carreteras y estacionamientos. Las cuencas de aguas pluviales reducen el total de sólidos suspendidos y el fósforo total que ingresa a los cuerpos de agua aguas abajo al almacenar el agua de lluvia y permitir que los sedimentos se depositen en el fondo de la cuenca antes de liberar el agua en la salida7.

La velocidad de sedimentación (w) es una propiedad física de las partículas que depende del tamaño, la forma y la densidad de la partícula. La velocidad de sedimentación para una variedad de tamaños de partículas se puede utilizar en el modelado de tratamiento de aguas pluviales para estimar la eficiencia de captura de las cuencas8. La sedimentación también se puede estimar con un rango de valores de velocidad de sedimentación, y esta información es necesaria para saber qué tan pronto se llenaría una cuenca de infiltración y sería necesario dragarla.

Varios estudios exploran y predicen las velocidades de sedimentación de partículas minerales no esféricas9,10,11,12. La velocidad de sedimentación se puede calcular para partículas con un diámetro (D) y gravedad específica (SG) conocidos utilizando la Ley de Stokes13. Los cálculos de la ley de Stokes suponen que la partícula que cae es esférica, lo que generalmente es válido para partículas minerales o sedimentos. Los coeficientes de arrastre C1 (aplicable al flujo laminar) y C2 (aplicable al flujo turbulento) se pueden ajustar para predecir las velocidades de sedimentación de minerales no esféricos11.

Relativamente pocos estudios han abordado las velocidades de sedimentación de las partículas orgánicas, que también es mucho menos probable que tengan forma esférica. Las formas de las partículas orgánicas varían ampliamente, desde hojas de árbol delgadas y planas hasta astillas de madera con forma prismática y todo lo demás. La estructura interna y cómo representar la gravedad específica del material orgánico14 complican aún más la aplicación de las ecuaciones de velocidad de sedimentación de minerales. En este estudio, se medirán las propiedades físicas y las velocidades de sedimentación de partículas orgánicas no esféricas y se ajustarán a una ecuación predictiva producida a partir de investigaciones anteriores sobre partículas minerales.

Los experimentos de velocidad de sedimentación se llevaron a cabo en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental en el Edificio de Ingeniería Agrícola y de Biosistemas en el campus de St. Paul de la Universidad de Minnesota. Se seleccionaron partículas minerales inorgánicas y partículas orgánicas a partir de muestras recolectadas como parte de un proyecto de investigación sobre acumulación de sólidos de aguas pluviales en 2021. Como parte del proyecto de sólidos de aguas pluviales, las muestras se homogeneizaron, se dividieron en muestras representativas más pequeñas y se almacenaron en un congelador para determinar la velocidad de sedimentación. análisis. Se eligieron las especies de árboles más comúnmente observadas en las muestras para el análisis de la velocidad de sedimentación. Las tres especies de árboles utilizadas en el experimento fueron Quercus rubra (roble rojo), Acer platanoides (arce de Noruega) y Ulmus americana (olmo americano). Se incluyeron astillas de madera en los experimentos, pero no se incluyeron en el análisis debido a su desviación en la forma de las semillas y las hojas. Además, algunas partículas de astillas de madera nunca se saturaron lo suficiente como para hundirse y no pudieron incluirse en el análisis de velocidad de sedimentación. Las partículas orgánicas se tomaron de distintas fechas de recolección y diferían en tipo, nivel de descomposición y propiedades físicas. Los tipos de partículas se muestran en la Tabla 1. Los rangos de diámetro máximo para cada tipo de partícula son los siguientes: 9,89 a 18,9 cm para hojas de roble rojo, 6,46 a 16,1 cm para hojas de arce noruego, 3,11 a 5,63 cm para semillas de arce noruego y 1,04 a 16,1 cm para hojas de arce noruego. 1,38 cm para semillas de Olmo Americano. Las propiedades físicas detalladas de las partículas se incluyen en el archivo adjunto de información complementaria.

El material vegetal recolectado para los experimentos de velocidad de sedimentación se recolectó de árboles de bulevares cultivados plantados por la ciudad de St. Paul, la ciudad de Shoreview o la Universidad de Minnesota. Se obtuvo el permiso de cada entidad antes de la recolección. No se requirieron permisos ni licencias para recolectar material vegetal que cayó de los árboles cultivados a la acera. Los autores cumplieron con las directrices y la legislación institucional, nacional e internacional pertinentes con respecto a la recolección de material vegetal. La ciudad de St. Paul proporcionó un mapa de árboles de bulevares plantados en la ciudad, que se utilizó para identificar las especies de árboles de los cuales se recolectó material vegetal. Para los sitios en Shoreview y en el campus de la Universidad de Minnesota, Aaron Pietsch proporcionó la identificación de especies de árboles utilizando una clave dicotómica de Chadde15. Las muestras de vales no fueron enviadas a un herbario.

Se llenó un tanque de 19 litros con agua del grifo y se equipó con una regla para que sirviera como tanque de sedimentación experimental (Fig. 1). Se dejó que el agua alcanzara la temperatura ambiente (aproximadamente 22 °C) antes de que comenzara la experimentación. Las partículas se dejaron caer tres veces cada una en el tanque y se filmaron con una cámara GoPro Hero 8 resistente al agua a 120 fotogramas/s para partículas que caían rápidamente (≥ 0,5 m/s) y 60 fotogramas/s para partículas que caían lentamente (< 0,5 m/s). s). Las partículas orgánicas generalmente no se hundían inmediatamente después de su colocación en el tanque de sedimentación y necesitaban ser presaturadas antes de poder medir la velocidad de sedimentación. Los tiempos de presaturación oscilaron entre 1 y 5 días, dependiendo del tipo de partícula, el tamaño y la condición física de las partículas. Las velocidades de sedimentación se calcularon asumiendo partículas limpias o partículas que no se vieron afectadas por las condiciones externas.

Vistas del plano (a) y del perfil (b) de la configuración experimental. (c) Muestra una imagen fija de uno de los archivos de vídeo utilizados para el análisis.

Los archivos de vídeo se analizaron utilizando el software Tracker© para medir la posición de la masa puntual cuadro por cuadro. Los datos de posición vertical y tiempo del software se utilizaron para calcular la velocidad de sedimentación de cada partícula. Se sedimentó una partícula a la vez, por lo que el tipo de sedimentación observado fue una sedimentación discreta para todas las partículas. Para evaluar los efectos de la sedimentación de múltiples partículas, como la compresión o la sedimentación obstaculizada, se requieren más investigaciones.

Walton16 define el diámetro máximo de Feret (Fmax) como la distancia perpendicular entre tangentes paralelas que tocan lados opuestos del perfil, que también se puede definir como: la distancia más larga a través del perfil de una partícula medida con calibradores (Fig. 2b) . Fmax se ha utilizado para analizar formas de partículas y distribuciones de tamaño de partículas a partir de imágenes digitales en estudios anteriores, especialmente para formas irregulares17,18.

Análisis de (a) área de superficie y (b) Fmax de partículas orgánicas utilizando el software ImageJ y utilizado para estimar las velocidades de sedimentación en las Ecs. (1) y (2).

La SG de las partículas minerales es una medición sencilla y se reportan rangos ajustados para los minerales, siendo 2,6 el valor típico utilizado19. Las partículas minerales son materia sólida, pero las hojas y otra materia vegetativa tienen componentes internos de aire y líquido debido a su estructura celular20. Por lo tanto, una medida de SG para partículas orgánicas es una medida masiva de SG que incluye agua y aire en los espacios vacíos celulares. En este estudio, SGbulk se utilizará para indicar la gravedad específica aparente de partículas orgánicas, incluido el aire interno y los componentes líquidos, que se determinó dividiendo la masa medida por el desplazamiento volumétrico de las partículas en el agua. A partir de nuestras mediciones y asumiendo que el material de celulosa tiene una densidad de 1,5 g/cm3, pudimos estimar la cantidad de espacio vacío que se llenaría con agua y que daría como resultado un SGbulk de 1,05, o un punto que debería inducir la sedimentación. Estos valores se indican como SG1,05 y dieron como resultado una saturación de vacíos del 77 % al 102 % en volumen con un promedio del 91 % y una desviación estándar de 8,2. La sedimentación probablemente comenzaría una vez que SGbulk alcanzara un valor mayor que 1, aunque los espacios vacíos no estuvieran completamente saturados. Estas suposiciones no tienen en cuenta los efectos de la tensión superficial que podrían impedir la sedimentación de partículas pequeñas que son más densas que el agua, pero la coherencia sugiere que las suposiciones son razonables.

El número de Reynold (Re) describe la magnitud relativa de las fuerzas viscosas e inerciales de un objeto que se mueve a través de un líquido10. Los valores de Re se calcularon para todas las partículas incluidas en este estudio y las estadísticas se muestran en la Tabla 2. Los resultados de Re indican que las semillas de olmo americano cayeron en regímenes de flujo intermedio y el resto de las partículas cayeron en regímenes turbulentos. Estudios recientes sobre la velocidad de sedimentación de microplásticos han observado que Re oscila entre aproximadamente 100 y 100021. Sólo las semillas de olmo americano se encuentran dentro de este rango, y el Re del resto de las semillas y hojas supera los 1000. Esto se debe a los diámetros de partículas más grandes utilizados en este estudio en comparación con otros estudios que utilizan granos naturales de diámetro pequeño (< 0,005 m). o microplásticos.

Kim et al.22 desarrollaron una ecuación empírica para predecir la velocidad de sedimentación de las partículas no esféricas del suelo. El estudio midió varias propiedades de forma de las partículas del suelo y produjo la ecuación basada en el mejor ajuste de todas las variables determinada por regresión no lineal. La ecuación se basa en tres medidas de diámetro y es la siguiente:

donde V es la velocidad de sedimentación (LT-1), Dmin es el diámetro mínimo de Feret (L), Dmax es el diámetro máximo de Feret (L) y Dmean es el promedio de Dmin y Dmax (L). En este estudio, la Ec. (1) se utilizó como ecuación predictiva para la velocidad de sedimentación de las 48 partículas orgánicas. Las velocidades de sedimentación predichas por la ecuación. (1), sin embargo, no mostró una correlación significativa con las velocidades de sedimentación observadas.

Un factor de forma utilizado en los estudios de velocidad de sedimentación del grano natural es la relación de aspecto22. La relación de aspecto es simplemente la relación entre el diámetro máximo (denominado Fmax en este estudio) y el diámetro mínimo en dos dimensiones. Cuanto mayor es la relación de aspecto de una partícula, más alargada es la partícula. Se calculó la relación de aspecto para cada partícula y las estadísticas se muestran en la Tabla 3. Los resultados de la relación de aspecto sugieren que la mayoría de las partículas no eran alargadas: las semillas de olmo americano, las hojas de roble rojo y las hojas de arce noruego eran aproximadamente 1,5 veces más largas de lo que eran. ancho. Sin embargo, la relación de aspecto de las semillas de arce de Noruega indica que eran alargadas, ya que eran más de tres veces más largas que anchas.

Ferguson y Church11 presentaron una ecuación explícita derivada de la Ley de Stokes con dos coeficientes de arrastre (Ec. 2). Este estudio utilizó la ecuación. (2) estimar los coeficientes de arrastre (C1 y C2) para partículas orgánicas después de medir la velocidad de sedimentación de las partículas en un tanque de sedimentación. La ecuación (2) mostró una correlación positiva (R2 = 0,83) entre las velocidades de sedimentación previstas y observadas.

donde w es la velocidad de sedimentación (LT-1), SG es la gravedad específica de la partícula (adimensional), D es el diámetro de la partícula (L), ν es la viscosidad cinemática del fluido (L2T-1), y g es la constante gravitacional (LT−2). En este estudio, se usaron SGbulk y SG1.05 para SG como se indica y Fmax se usa para D en la ecuación. (2).

Ferguson y Church11 utilizaron el factor de forma de Corey (CSF) para representar formas de partículas esféricas y Goral et al.21 utilizaron CSF para representar formas de microplásticos regulares e irregulares. Las partículas utilizadas en este estudio, sin embargo, tenían una forma similar entre sí: anchas en dos dimensiones y relativamente delgadas en la tercera dimensión perpendicular. El LCR fue bajo y no varió de una partícula a otra tanto como Fmax (el LCR medido para las hojas de arce osciló entre 0,00275 y 0,00467). Se eligió Fmax para representar el diámetro utilizado en las ecuaciones de velocidad de sedimentación en lugar de CSF porque Fmax captura la variabilidad del tamaño de las partículas en dos dimensiones. Además, Fmax fue la medida determinada de forma más fiable a partir de fotografías de partículas. El diámetro mínimo de las partículas no fue apropiado para representar el diámetro utilizado en las ecuaciones de velocidad de sedimentación porque el diámetro mínimo midió el ancho del pecíolo de las hojas, que falta en las semillas. Los pecíolos sesgaron el diámetro mínimo (y por lo tanto el promedio de los diámetros mínimo y máximo) de las hojas.

Se utilizó el software ImageJ para medir Fmax y el área de superficie de las partículas (Fig. 2). El volumen de partículas orgánicas se midió sumergiendo la partícula saturada en un cilindro graduado con un volumen conocido de agua y midiendo el cambio de volumen.

Para este proyecto se recolectó material vegetal (hojas de árboles y semillas) dentro de las ordenanzas municipales, leyes estatales y federales aplicables. El material vegetal recolectado no contenía ninguna especie en peligro o amenazada ni malezas nocivas prohibidas por el estado.

Se utilizó la iteración para encontrar los valores de C1 y C2 en la ecuación. (2) calculando la velocidad de sedimentación prevista en función de las propiedades físicas de cada partícula y estableciendo la velocidad de sedimentación calculada en la velocidad de sedimentación observada y resolviendo C1 y C2. Los análisis de sensibilidad iniciales sugirieron que C2 era el parámetro más influyente en los datos y C1 se estableció en un valor de 100 para todos los análisis. Goral et al.21 encontraron que los microplásticos de la misma forma, discos planos y placas cuadradas, tenían un coeficiente de arrastre constante de aproximadamente 1,23 en Re menor que 1000. Ferguson y Church11 describen C1 como la constante en la ecuación de Stokes para la sedimentación laminar y C2. como constante para Re mayor que 1000. Todas las partículas probadas en este estudio estaban en regímenes de flujo intermedios o turbulentos (Re > 1000), por lo que es lógico que el C2 fuera más influyente en la ecuación predictiva de la velocidad de sedimentación.

Los valores promedio de C2 usando valores SGbulk iniciales no saturados se muestran en la Tabla 4 y los valores promedio de C2 usando un valor SGbulk de 1,05 se muestran en la Tabla 5. Aunque está fuera del rango de los valores sugeridos por Ferguson y Church11 (18 a 24 para C1 y 0,4 a 1,2 para C2), los valores de C2 tenían una relación con la Fmax para las semillas, como se analiza más adelante en esta sección.

Los residuos de las velocidades de sedimentación previstas y observadas usando el SGbulk inicial insaturado y usando SG1.05 se muestran graficados contra Fmax en la Fig. 3. Los residuos indican que la regresión es insesgada y homocedástica, excepto para los residuos con un Fmax alrededor de 0.05 m. . Claramente, la regresión no predijo bien la velocidad de sedimentación de estas partículas atípicas. Todos los valores atípicos fueron semillas de arce noruego, que tenían diferencias clave con las otras partículas en forma y distribución de masa. Las semillas de arce noruego fueron las partículas más alargadas probadas y con la relación de aspecto más alta. Además, las semillas de arce de Noruega tenían una semilla densa en un extremo de la partícula con un material de semilla más ligero que conducía al otro extremo (ver Fig. 2b). Todas las demás partículas tenían relaciones de aspecto más bajas y las semillas del olmo americano eran discos planos con una pequeña semilla en el centro del disco y, por lo tanto, tenían una distribución de masa más uniforme.

Residuos de la velocidad de sedimentación prevista versus observada usando (a) SGbulk insaturado inicial y usando (b) SG1.05 representados frente al diámetro de Feret de cada partícula.

Los valores de velocidad de sedimentación pronosticados y observados para las 48 partículas tuvieron una correlación razonablemente fuerte con un valor R2 de 0,83 y p <0,05 (Fig. 4a) cuando se usó SGbulk inicial y un valor R2 de 0,79 cuando se usó SG1.05 (Fig. 4b). . El uso de los valores promedio de C2 no da como resultado una respuesta uno a uno de los valores observados y predichos con la ecuación de Church, lo que sugiere que este puede no ser un modelo apropiado para estas condiciones. Esta metodología parece proporcionar estimaciones razonables de velocidades inferiores a 0,08 m/s con menos confiabilidad para las semillas de arce noruego.

Velocidad de sedimentación prevista versus observada usando (a) SGbulk inicial insaturado y usando (b) SG1.05. Tanto para la parcela (a) como para la parcela (b), se utilizaron los valores promedio de C2 por especie.

No se encontró una relación uno a uno entre ninguno de los cinco parámetros físicos medidos (masa, Fmax, área de superficie de la base, SGbulk y volumen de agua desplazada) y la velocidad promedio de sedimentación de las hojas y semillas de todas las especies. Las tablas de coeficientes de correlación lineal calculados se incluyen en el adjunto de información complementaria.

Para las hojas, no hubo correlación entre ningún parámetro físico y C2. Se realizó una prueba de Análisis de Varianza (ANOVA) unidireccional (α = 0,05) en las dos especies de hojas (usando SGbulk inicial insaturado) con los resultados que se muestran en la Tabla 6. Con p = 0,58, la hipótesis nula de que las dos muestras los promedios son iguales no se puede rechazar. Con estos resultados se agruparon y analizaron las dos especies de hojas (Cuadro 7).

Datos adicionales de más especies de árboles confirmarían o refutarían que las hojas de los árboles tienen un rango establecido de valores de C2 que no están relacionados con los parámetros físicos de las hojas individuales. Para los árboles de bulevar comúnmente plantados, especies Quercus y Acer, se necesitarían conjuntos de datos adicionales para verificar los resultados para usar el valor medio de C2 para estimar la velocidad de asentamiento de las hojas, especialmente con la incertidumbre de C2 (Tabla 7).

Se realizó una prueba ANOVA unidireccional (α = 0,05) en las dos categorías de semillas y los resultados se muestran en la Tabla 8. En el análisis se utilizó SGbulk inicial insaturado. Con p < 0,05 se rechazó la hipótesis nula de que las dos medias son iguales. Los valores de C2 y las velocidades de sedimentación fueron consistentes dentro de las especies, pero muy diferentes en comparación entre las dos especies, como se muestra estadísticamente en la Tabla 9. Hubo una correlación entre Fmax y el valor de C2 con R2 = 0,67 y p < 0,05 (Fig. 5 ).

C2 vs Fmax para todas las semillas analizadas.

Las semillas analizadas eran esencialmente esferas rugosas rodeadas de tejido vegetal. Es probable que la semilla esférica controlara la velocidad de sedimentación y provocara que la partícula se comportara más como un grano natural; las semillas de arce noruego tenían semillas más grandes, una velocidad de sedimentación más rápida y valores de C2 más bajos que las semillas de olmo americano.

Se necesitarían datos de una variedad de especies de árboles para ver si se mantiene la relación observada entre C2 y Fmax. Si la relación se mantiene en más especies, podría usarse para predecir la velocidad de sedimentación de cualquier semilla de árbol en función de su Fmax. De lo contrario, se podría registrar un rango establecido de valores de C2 para cada especie.

Los valores iniciales de SGbulk insaturados se presentan aquí y representan las propiedades físicas de la partícula orgánica tal como se encuentran en entornos urbanos: en pavimento e insaturados. Como se analizó anteriormente, las partículas se saturaron antes de los experimentos, lo que daría como resultado un valor SGbulk saturado más cercano a 1,05. El SGbulk inicial medido para todos los tipos de partículas se resume en diagramas de caja en la Fig. 6 y los valores SGbulk iniciales promedio se muestran en la Tabla 10. Los promedios del SGbulk inicial de las dos especies de hojas fueron estadísticamente diferentes en α = 0.05 (p = 0.039), pero los promedios de las dos especies de semillas no fueron estadísticamente diferentes en α = 0.05 (p = 0.59). Las hojas de roble rojo tuvieron el mayor promedio de SGbulk inicial de las partículas medidas, incluido un valor de SGbulk inicial sobre uno. Karlik y McKay23 encontraron valores similares de densidad de masa seca en hojas de Blue Oak, incluida una hoja con un SGbulk sobre una. Es probable que la estructura biológica y la función de las dos especies de árboles diferentes causaran la diferencia en el SGbulk inicial, con hojas de roble rojo que generalmente son más gruesas y retienen más agua que las hojas de arce noruego. El cálculo de un valor de SG completamente saturado y valores de SG parcialmente saturados para alcanzar un SG de 1,05 fue consistente en que las mediciones hacen que cada partícula pueda flotar antes de la saturación y pueda hundirse después de la saturación como un mecanismo de dispersión evolutivo efectivo.

Gráficos de caja de gravedad específica inicial para (a) semillas de árboles y (b) hojas de árboles.

Un ANOVA unidireccional mostró que los promedios de las muestras del SGbulk inicial de semillas de olmo americano y de semillas de arce noruego no fueron estadísticamente diferentes en α = 0,05 (p = 0,59). Un ANOVA unidireccional mostró que los promedios de muestra de SGbulk inicial para hojas de roble rojo y hojas de arce noruego fueron estadísticamente diferentes en α = 0,05 (p = 0,039). Al comparar las 24 partículas de hojas con las 24 partículas de semillas, un ANOVA unidireccional en α = 0,05 (p = 0,0001) indicó que el SGbulk inicial promedio para las hojas era significativamente diferente al SGbulk inicial promedio para las semillas. Todas las tablas de ANOVA relacionadas con el análisis SGbulk inicial se muestran en la Tabla 11.

Los valores iniciales de SGbulk para ambas especies de semillas fueron generalmente más bajos que los valores iniciales de SGbulk para ambas especies de hojas, y los valores iniciales de SGbulk entre las dos especies de semillas fueron muy similares. Nuevamente, la estructura biológica de las semillas es probablemente la causa de las diferencias. Ambas especies de semillas de árboles son “planeadores” que son transportados por el viento mediante delicadas redes que rodean la semilla después de caer del árbol.

En este estudio se presentaron datos de velocidad de sedimentación para partículas orgánicas no esféricas. Al resolver el coeficiente de resistencia C2 en la ecuación de Ferguson y Church, se obtuvieron nuevos rangos de valores para las hojas de los árboles y una relación con Fmax para las semillas de los árboles. Estos resultados son valiosos porque amplían la riqueza de datos y análisis disponibles para las velocidades de sedimentación inorgánica al explorar las velocidades de sedimentación relativamente no estudiadas de las partículas orgánicas.

Con investigación adicional, se podría asignar un rango de valores de C2 a todas las hojas de los árboles o a varios grupos de especies de árboles similares basándose en los datos resultantes. Los valores de C2 presentados para semillas de olmo americano, hojas y semillas de roble rojo y hojas de arce noruego parecen dar estimaciones razonables de la velocidad de sedimentación cuando se utiliza un valor de SG no saturado. Esta metodología no parece apropiada para la semilla de arce noruego, probablemente debido a su forma asimétrica. El aprendizaje automático podría producir modelos fiables que predigan la velocidad de sedimentación basándose en las formas del material vegetal. Los datos del contenido de nutrientes vinculados a los datos de velocidad de sedimentación de las partículas orgánicas permitirían mejores estimaciones de la carga de contaminantes de las aguas pluviales.

Este estudio sienta las bases para futuras investigaciones sobre la velocidad de sedimentación de partículas orgánicas. Hay varias vías de investigación interesantes en esta área, que incluyen, entre otras: ampliar el número de especies de árboles, variar las muestras según el nivel de descomposición y asentar las partículas en agua corriente para simular el agua de lluvia que fluye a lo largo de una acera. La investigación sobre el tiempo que tarda una partícula orgánica en hundirse en el agua sería valiosa porque esta información informaría cuánto tiempo flota la partícula en las aguas pluviales antes de hundirse a la velocidad de sedimentación presentada.

Se sabe que el material orgánico es un factor de contaminación por nutrientes en las aguas pluviales urbanas, pero no se comprende bien el destino y el transporte de partículas orgánicas específicas en las aguas pluviales. Este estudio es uno de los primeros pasos en la representación matemática de partículas orgánicas no esféricas, lo que podría conducir a muchos estudios prácticos de ingeniería. Con una mejor comprensión de las propiedades físicas de los contaminantes de las aguas pluviales, las ciudades y los gobiernos están mejor equipados para rehabilitar y mantener sus valiosos recursos hídricos.

Los conjuntos de datos utilizados en este estudio se incluyen en el archivo adjunto de información complementaria.

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Este proyecto fue apoyado por el Programa de Transferencia de Tecnología e Investigación de Aguas Pluviales de Minnesota administrado por el Centro de Recursos Hídricos de la Universidad de Minnesota a través de una asignación del Fondo de Agua Limpia establecido por la Enmienda de Legado y Tierras de Agua Limpia de Minnesota y del Consejo de Investigación de Aguas Pluviales de Minnesota con contribuciones financieras de : Distrito de la Cuenca Hidrográfica de la Región del Capitolio, Distrito de la Cuenca Hidrográfica del Lago Comfort Lake-Forest, Organización de Gestión de la Cuenca Hidrográfica del Mississippi, Distrito de la Cuenca Hidrográfica de Nine Mile Creek, Distrito de la Cuenca Hidrográfica Metropolitana de Ramsey-Washington, Distrito de la Cuenca Hidrográfica del Sur de Washington, Ciudad de Edina, Ciudad de Minnetonka, Ciudad de Woodbury y , Wenck Associates, Coalición de aguas pluviales de ciudades de Minnesota.

Departamento de Ingeniería de Bioproductos y Biosistemas, Universidad de Minnesota, Twin Cities, 1390 Eckles Ave, Saint Paul, MN, 55108, EE. UU.

Aaron J. Pietsch y John A. Chapman

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Ambos autores contribuyeron al diseño del experimento. AJP recopiló datos y escribió el manuscrito con comentarios de JAC

Correspondencia a Aaron J. Pietsch.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pietsch, AJ, Chapman, JA Velocidades de sedimentación de sólidos orgánicos gruesos. Informe científico 13, 12436 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39645-x

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Recibido: 01 de abril de 2023

Aceptado: 28 de julio de 2023

Publicado: 01 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39645-x

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