Anlagda våtmarker i avrinningsområden från jordbruksmarker mottar ofta vatten med höga halter av partikelbunden fosfor. Den viktigaste processen för avskiljning av inkommande partikelbunden fosfor är sedimentation. Resuspension är en process som motverkar netto-sedimentationen av partiklar och kan således minska våtmarkers förmåga att hålla kvar fosfor. Syftet med den här studien var att undersöka om A. aquaticus påverkar resuspensionen av partiklar, och om större tätheter av A. aquaticus orsakar större turbiditet i vattenmassan. Två försök genomfördes i plastakvarier med sediment insamlat från våtmarker anlagda på lerjord. Varje försöksuppställning bestod av en behandling och en kontroll utan några djur. I det första försöket innehöll behandlingen A. aquaticus motsvarande en täthet på 2083 individer m-2 och i det andra försöket en täthet på 500 individer m-2. Turbiditeten mättes med en turbidimeter en gång per dag under sju dygn. Aktiviteten hos A. aquaticus orsakade en signifikant högre turbiditet i vattenmassan i behandlingen än i kontrollen. Turbiditeten var i genomsnitt 161 NTU i akvarier med 2083 individer m-2 och 37 NTU i akvarier med 500 individer m-2. Slutsatsen som drogs är att förekomst av A. aquaticus skulle kunna öka resuspensionen av partiklar i våtmarker. Detta kan i sin tur ha en påverkan på våtmarkers förmåga att hålla kvar fosfor som är bundet till lerpartiklar. / Constructed wetlands in agricultural catchments with clay soils often receive water with high concentrations of particle-bound phosphorus. Sedimentation of particle-bound phosphorus is the main retention process. Resuspension is a process that counteracts net sedimentation of the particles and can therefore reduce phosphorus retention in wetlands. The aim of this study was to investigate if A. aquaticus through bioturbation affects the resuspension of particles, and if a larger density of A. aquaticus causes a larger turbidity in the water column. The experimental design included plastic aquariums with sediment collected from wetlands constructed on clay soils. There were two experiments, each with a treatment and a control with no animals. In the first experiment, the treatment contained A. aquaticus at a density of 2083 individuals m-2. In the second experiment the treatment contained A. aquaticus at a density of 500 individuals m-2. Turbidity was measured with a turbidimeter once a day over the course of seven days. The bioturbation activity of the A. aquaticus caused a significantly larger turbidity in the water column in the treatment than in the control. The turbidity was on average 161 NTU in the presence of 2083 individuals m-2 and 37 NTU in the presence of 500 individuals m-2. The conclusion was that the presence of A. aquaticus can increase resuspension of particles in wetlands. This could have a negative impact on the ability of wetlands to retain phosphorus that is bound to particles.

Fosfor (P) är ofta det begränsande ämnet i akvatiska system och kan i höga mängder bidra till övergödning i sjöar och hav. För att minska tillförseln av partikelbunden fosfor som läcker från jordbruksmark kan våtmarker anläggas i avrinningsområdet. För en effektiv avskiljning är det viktigt att partiklar sedimenterar i våtmarken och stannar i sedimentet. Studier har visat att vissa karpfiskar och märlkräftor genom bioturbation kan orsaka resuspension av partiklar, samt att effekten ökar med ökad täthet. Syftet med denna studie var att undersöka om även makroevertebraten Asellus aquaticus (sötvattensgråsugga) kan orsaka resuspension av partiklar. Två hypoteser undersöktes: (i) A. aquaticus orsakar resuspension av sedimenterade partiklar; (ii) ökad täthet av A. aquaticus ger ökad resuspension. Två försök genomfördes och varje försöksuppställning bestod av 15 akvarier, varav finpartikulärt sediment och bäckvatten tillsattes till tio stycken medan fem innehöll endast bäckvatten. I hälften av akvarierna med sediment tillsattes A. aquaticus i olika täthet för försöken. Försöken pågick i sju dygn med dagliga mätningar av vattnets grumlighet. Resultat från försöken bekräftade båda hypoteserna. Genomsnittlig grumlighet efter sju dygn var 161 NTU (143 mg L-1 TSS) vid en täthet på 2083 A. aquaticus m-2 och 37 NTU (26 mg L-1 TSS) vid 500 A. aquaticus m-2. Studiens resultat indikerar att A. aquaticus kan ha en negativ påverkan på retentionen av partikelbunden fosfor i våtmarker. / Phosphorus (P) is often the limiting nutrient in aquatic systems and can in excessive quantities cause eutrophication in lakes and seas. To reduce the input of particle-bound phosphorus leaking from agricultural land, wetlands can be constructed as traps for particles. It is important that particles settle in the wetland and remain in the sediment. Studies have shown that bioturbation by e.g. common carp and amphipods can cause resuspension of settled particles, and that the effect increases with an increasing density of organisms. The purpose of this study was to examine if the macroinvertebrate Asellus aquaticus can also cause resuspension of particles. Two hypotheses were tested: (i) bioturbation by A. aquaticus will cause resuspension of particles; (ii) an increased density of A. aquaticus increases the resuspension of particles. This was tested in two experiments, each of which included 15 aquaria. In ten of these, sediment and stream water were added. To five of the aquaria with sediment, A. aquaticus were added in different densities for the two experiments. Water turbidity was measured daily for seven days. The results confirmed both hypotheses. Average turbidity after seven days was 161 NTU (143 mg L-1 TSS) at a density of 2083 m-2 and 37 NTU (26 mg L-1 TSS) at 500 m-2. The results indicate that the presence of A. aquaticus may have a negative impact on the retention of particle-bound phosphorus in wetlands.

Im Rahmen dieser Dissertation werden eine Serie von Grundlagenexperimenten zur Ablagerung (Deposition) und Remobilisierung (Resuspension) von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen beschrieben. Die Kernmotivation stellt die Quelltermanalyse von Druckentlastungsstörfällen von Hochtemperaturreaktoren (HTR) dar. Im Primärkreislauf früherer HTR-Forschungsanlagen wurden größere Mengen an radiologisch belastetem Graphitstaub gefunden. Dieser Staub scheint größtenteils durch Abrieb zwischen den graphitischen Kernstrukturen entstanden zu sein und verteilte sich während des fortlaufenden Reaktorbetriebs über sämtliche Oberflächen des Primärkreislaufs. Während eines Druckentlastungsstörfalls kann dieser Staub durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden. Eine Quelltermanalyse solch eines Störfallszenarios erfordert die Kenntnis über die Menge und die räumliche Verteilung des Staubs, die radiologische Belastung sowie das Remobilisierungsverhalten in Bezug auf die zu erwartenden Strömungstransienten. Nach dem heutigen Stand von Wissenschaft und Technik kann die räumlich-zeitliche Verteilung des Staubs im Primärkreislauf für stationären Reaktorbetrieb unter Verwendung eindimensionaler Systemcodes abgeschätzt werden. Jedoch ist unbekannt, welcher Anteil des Staubinventars durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden würde. Zur systematischen Untersuchung des Staubtransportverhaltens in turbulenten Strömungen wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen entwickelt und eine Serie von Depositions- und Resuspensionsexperimenten durchgeführt. Die partikelbeladene Strömung in der Heißgasumgebung des HTR-Primärkreislaufs wurde über die Verwendung von Ähnlichkeitskennzahlen auf eine Luftströmung bei Umgebungsbedingungen herunterskaliert. Die Strömung und die Partikel wurden mittels hochauflösender, bildgebender und nichtinvasiver Messverfahren räumlich und zeitlich vermessen, um eine umfangreiche Datenbasis für die Analyse der Partikeltransportprozesse zu erstellen. Inhaltlich lassen sich die durchgeführten Untersuchungen in drei Teile gliedern. Der erste Teil besteht aus zwei Studien über die Deposition und Resuspension monodisperser, sphärischer Einzelpartikel in einer ungestörten, horizontalen Kanalströmung. Die systematische Variation experimenteller Randbedingungen wie der Partikelgröße, der Oberflächenrauheit und der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichte die Quantifizierung der einzelnen Einflussgrößen. Im zweiten und dritten Teil der Dissertation wurden die Deposition und Resuspension einer mehrschichtigen Ablagerung (Partikel-Multilayer) zwischen periodischen Stufen und in einer Kugelschüttung untersucht, um die komplexe Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Multilayer-Ablagerung weiter zu erforschen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag für die Quelltermanalyse des Staubtransports im HTR-Primärkreislauf und können für die Weiterentwicklung numerischer Strömungssimulationen des Partikeltransports in turbulenten Strömungen verwendet werden. / Aerosol particle deposition and resuspension experiments in turbulent flows were performed to investigate the complex particle transport phenomena and to provide a database for the development and validation of computational fluid dynamics (CFD) codes. The background motivation is related to the source term analysis of an accidental depressurization scenario of a High Temperature Reactor (HTR). During the operation of former HTR pilot plants, larger amounts of radio-contaminated graphite dust were found in the primary circuit. This dust most likely arose due to abrasion between the graphitic core components and was deposited on the inner wall surfaces of the primary circuit. In case of an accident scenario, such as a depressurization of the primary circuit, the dust may be remobilized and may escape the system boundaries. The estimation of the source term being discharged during such a scenario requires fundamental knowledge of the particle deposition, the amount of contaminants per unit mass as well as the resuspension phenomena. Nowadays, the graphite dust distribution in the primary circuit of an HTR can be calculated for stationary conditions using one-dimensional reactor system codes. However, it is rather unknown which fraction of the graphite dust inventory may be remobilized during a depressurization of the HTR primary circuit. Two small-scale experimental facilities were designed and a set of experiments was performed to investigate particle transport, deposition and resuspension in turbulent flows. The facility design concept is based on the fluid dynamic downscaling of the helium pressure boundary in the HTR primary circuit to an airflow at ambient conditions in the laboratory. The turbulent flow and the particles were recorded by high-resolution, non-invasive imaging techniques to provide a spatio-temporal insight into the particle transport processes. The different investigations of this thesis can be grouped into three categories. Firstly, the deposition and resuspension of monodisperse single particles in a horizontal turbulent channel flow was studied. The systematic variation of the experimental boundary conditions allows for the quantification of the influences of particle size, surface roughness, and fluid velocity. In the second and third part of this thesis, the deposition and resuspension of a particle multilayer between periodic steps and in a pebble bed was studied to explore the complex interaction between the turbulent flow and the particles, respectively. The findings of this thesis are a contribution to the source term analysis of HTR related accidental depressurizations. Furthermore, the database can be applied to CFD code developments for the numerical simulation of particle transport processes in turbulent flows.

One important source of coarse particulate matter in urban atmosphere is the resuspended street dust. The aim of this study was to determine the emission potential of street dust samples, to conduct shape and mineralogical analysis of resuspendable fraction and on the bases of the findings carry out a comparison between the different sampling sites. The dust samples were collected in February 2014 in three cities: Ostrava, Prague and Pilsen. For the purpose of this study, nine samples from the selected sites were dispersed in a resuspension chamber. The samples were collected in the center of every city in the following locations: the main square, the tram railway and the curbside. Morphological and elemental analysis was performed using a Scanning Electron Microscope with EDS detector. The presence of mineral components such as quartz, chlorite, calcite, feldspar and kaolinite was observed. In samples from Ostrava were found spherical-shaped particles composed of iron oxides. The samples of Pilsen contained amphibole mineral fibers - actinolite. X-ray Powder Diffraction at high sensitivity showed the presence of amphibole asbestos in the samples from Ostrava and Prague. The mass of each size fraction of resuspended samples was determined. The mass size distribution was bimodal (2.5 µm and 8 µm),...

Im Rahmen dieser Dissertation werden eine Serie von Grundlagenexperimenten zur Ablagerung (Deposition) und Remobilisierung (Resuspension) von Aerosolpartikeln in turbulenten Strömungen beschrieben. Die Kernmotivation stellt die Quelltermanalyse von Druckentlastungsstörfällen von Hochtemperaturreaktoren (HTR) dar. Im Primärkreislauf früherer HTR-Forschungsanlagen wurden größere Mengen an radiologisch belastetem Graphitstaub gefunden. Dieser Staub scheint größtenteils durch Abrieb zwischen den graphitischen Kernstrukturen entstanden zu sein und verteilte sich während des fortlaufenden Reaktorbetriebs über sämtliche Oberflächen des Primärkreislaufs. Während eines Druckentlastungsstörfalls kann dieser Staub durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden. Eine Quelltermanalyse solch eines Störfallszenarios erfordert die Kenntnis über die Menge und die räumliche Verteilung des Staubs, die radiologische Belastung sowie das Remobilisierungsverhalten in Bezug auf die zu erwartenden Strömungstransienten. Nach dem heutigen Stand von Wissenschaft und Technik kann die räumlich-zeitliche Verteilung des Staubs im Primärkreislauf für stationären Reaktorbetrieb unter Verwendung eindimensionaler Systemcodes abgeschätzt werden. Jedoch ist unbekannt, welcher Anteil des Staubinventars durch die Gasströmung remobilisiert und aus dem Primärkreislauf ausgetragen werden würde. Zur systematischen Untersuchung des Staubtransportverhaltens in turbulenten Strömungen wurden zwei kleinskalige Versuchsanlagen entwickelt und eine Serie von Depositions- und Resuspensionsexperimenten durchgeführt. Die partikelbeladene Strömung in der Heißgasumgebung des HTR-Primärkreislaufs wurde über die Verwendung von Ähnlichkeitskennzahlen auf eine Luftströmung bei Umgebungsbedingungen herunterskaliert. Die Strömung und die Partikel wurden mittels hochauflösender, bildgebender und nichtinvasiver Messverfahren räumlich und zeitlich vermessen, um eine umfangreiche Datenbasis für die Analyse der Partikeltransportprozesse zu erstellen. Inhaltlich lassen sich die durchgeführten Untersuchungen in drei Teile gliedern. Der erste Teil besteht aus zwei Studien über die Deposition und Resuspension monodisperser, sphärischer Einzelpartikel in einer ungestörten, horizontalen Kanalströmung. Die systematische Variation experimenteller Randbedingungen wie der Partikelgröße, der Oberflächenrauheit und der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichte die Quantifizierung der einzelnen Einflussgrößen. Im zweiten und dritten Teil der Dissertation wurden die Deposition und Resuspension einer mehrschichtigen Ablagerung (Partikel-Multilayer) zwischen periodischen Stufen und in einer Kugelschüttung untersucht, um die komplexe Interaktion zwischen der turbulenten Strömung und der Multilayer-Ablagerung weiter zu erforschen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag für die Quelltermanalyse des Staubtransports im HTR-Primärkreislauf und können für die Weiterentwicklung numerischer Strömungssimulationen des Partikeltransports in turbulenten Strömungen verwendet werden.:Kurzfassung III Abstract V Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Grundzüge der Hochtemperaturreaktortechnik 1 1.2 Sicherheitsrelevante Aspekte des Hochtemperaturreaktors 3 1.3 Weiterführende Bedeutung der Ablagerung und Remobilisierung von Aerosolpartikeln 4 1.4 Inhalt der Dissertation 5 2 Strömungsmechanische Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1 Partikeleigenschaften des Graphitstaubs im HTR-Primärkreislauf 8 2.2 Beschreibung wandgebundener, turbulenter Strömungen 9 2.3 Turbulente Strömung durch eine Kugelschüttung 12 2.4 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Strömungen 13 2.5 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension in turbulenten Strömungen 21 3 Versuchsanlagen und Messtechnik 22 3.1 Die Versuchsanlage Gas Particle Loop 22 3.2 Die Versuchsanlage Pebble Bed Loop 24 3.3 Strömungsmechanische Instrumentierung 26 3.4 Aerosolmesstechnische Instrumentierung 28 4 Partikeltransport in einer horizontalen Kanalströmung 30 4.1 Turbulente Durchmischung der Aerosolpartikel und Strömungsentwicklung 30 4.2 Einzelpartikeldeposition 36 4.2.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 38 4.2.3 Datenanalyse 39 4.2.4 Ergebnisse 42 4.2.5 Schlussfolgerungen 44 4.3 Einzelpartikelresuspension 46 4.3.1 Experimenteller Aufbau und Instrumentierung 47 4.3.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 48 4.3.3 Datenanalyse 50 4.3.4 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer glatten Glasoberfläche 52 4.3.5 Resuspension sphärischer Polypropylen-Partikel von einer glatten Glasoberfläche 54 4.3.6 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer rauen Stahloberfläche 56 4.3.7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 57 5 Partikeltransport in einem Kanal mit periodischen Stufen 61 5.1 Auswahl der Testgeometrie 61 5.2 Instrumentierung 62 5.3 Versuchsdurchführung 64 5.4 Turbulentes Strömungsfeld zwischen den periodischen Stufen 65 5.5 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Deposition 67 5.5.1 Orts- und zeitaufgelöste Verteilung des Schichtdickenaufbaus 67 5.5.2 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Multilayer-Ablagerung 74 5.6 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Resuspension 75 5.6.1 Räumliche Verteilung der verbleibenden Partikel-Multilayer 75 5.6.2 Integrale Betrachtung des Resuspensionsvorgangs 79 5.6.3 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Partikel-Multilayer 81 5.7 Schlussfolgerungen 82 6 Partikeltransport in einer Kugelschüttung 84 6.1 Bisherige experimentelle und numerische Untersuchungen 85 6.2 Experimentelle Randbedingungen und Versuchsdurchführung 86 6.3 Charakterisierung der turbulenten Strömung im Kugelhaufen 88 6.4 Positronenemissionstomographie – Messprinzip und Datenauswertung 91 6.5 Deposition von flüssigen Aerosolpartikeln 93 6.5.1 Erzeugung und radioaktive Markierung der flüssigen Aerosolpartikel 93 6.5.2 Partikelkonzentrationsmessungen über der Kugelschüttung 94 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 96 6.5.4 Axiale Verteilung der gemessenen Aktivität 97 6.5.5 Dreidimensionale Verteilung der Aktivität im Kugelhaufen 98 6.6 Deposition und Remobilisierung von technischem Graphitstaub 99 6.6.1 Radioaktive Markierung der Graphitpartikel 99 6.6.2 Konzentrations- und Geschwindigkeitsmessungen 101 6.6.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 103 6.6.4 Räumliche Verteilung der Aktivität in der Kugelschüttung 105 6.6.5 Quantifizierung des Resuspensionsexperiments 107 6.7 Zusammenfassende Schlussfolgerungen 108 7 Diskussion der Ergebnisse 111 7.1 Einzel- und Multilayer-Partikelablagerungen 111 7.2 Einzel- und Multilayer-Partikelresuspension 112 7.3 Vergleich der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen 113 8 Zusammenfassung und Ausblick 117 8.1 Grundlegende Erkenntnisse den experimentellen Studien 118 8.2 Bedeutung der Erkenntnisse für das Fachgebiet und die Sicherheitsbewertung des HTR 120 8.3 Ausblick 122 8.3.1 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Kanalströmungen 122 8.3.2 Einzelpartikel-Resuspension in turbulenten Kanalströmungen 123 8.3.3 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension zwischen periodischen Stufen 124 8.3.4 Untersuchung des Partikeltransports in komplexen Geometrien mittels PET 125 Literaturverzeichnis 127 Appendix 137 Danksagung 139 / Aerosol particle deposition and resuspension experiments in turbulent flows were performed to investigate the complex particle transport phenomena and to provide a database for the development and validation of computational fluid dynamics (CFD) codes. The background motivation is related to the source term analysis of an accidental depressurization scenario of a High Temperature Reactor (HTR). During the operation of former HTR pilot plants, larger amounts of radio-contaminated graphite dust were found in the primary circuit. This dust most likely arose due to abrasion between the graphitic core components and was deposited on the inner wall surfaces of the primary circuit. In case of an accident scenario, such as a depressurization of the primary circuit, the dust may be remobilized and may escape the system boundaries. The estimation of the source term being discharged during such a scenario requires fundamental knowledge of the particle deposition, the amount of contaminants per unit mass as well as the resuspension phenomena. Nowadays, the graphite dust distribution in the primary circuit of an HTR can be calculated for stationary conditions using one-dimensional reactor system codes. However, it is rather unknown which fraction of the graphite dust inventory may be remobilized during a depressurization of the HTR primary circuit. Two small-scale experimental facilities were designed and a set of experiments was performed to investigate particle transport, deposition and resuspension in turbulent flows. The facility design concept is based on the fluid dynamic downscaling of the helium pressure boundary in the HTR primary circuit to an airflow at ambient conditions in the laboratory. The turbulent flow and the particles were recorded by high-resolution, non-invasive imaging techniques to provide a spatio-temporal insight into the particle transport processes. The different investigations of this thesis can be grouped into three categories. Firstly, the deposition and resuspension of monodisperse single particles in a horizontal turbulent channel flow was studied. The systematic variation of the experimental boundary conditions allows for the quantification of the influences of particle size, surface roughness, and fluid velocity. In the second and third part of this thesis, the deposition and resuspension of a particle multilayer between periodic steps and in a pebble bed was studied to explore the complex interaction between the turbulent flow and the particles, respectively. The findings of this thesis are a contribution to the source term analysis of HTR related accidental depressurizations. Furthermore, the database can be applied to CFD code developments for the numerical simulation of particle transport processes in turbulent flows.:Kurzfassung III Abstract V Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Grundzüge der Hochtemperaturreaktortechnik 1 1.2 Sicherheitsrelevante Aspekte des Hochtemperaturreaktors 3 1.3 Weiterführende Bedeutung der Ablagerung und Remobilisierung von Aerosolpartikeln 4 1.4 Inhalt der Dissertation 5 2 Strömungsmechanische Grundlagen und Stand der Forschung 8 2.1 Partikeleigenschaften des Graphitstaubs im HTR-Primärkreislauf 8 2.2 Beschreibung wandgebundener, turbulenter Strömungen 9 2.3 Turbulente Strömung durch eine Kugelschüttung 12 2.4 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Strömungen 13 2.5 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension in turbulenten Strömungen 21 3 Versuchsanlagen und Messtechnik 22 3.1 Die Versuchsanlage Gas Particle Loop 22 3.2 Die Versuchsanlage Pebble Bed Loop 24 3.3 Strömungsmechanische Instrumentierung 26 3.4 Aerosolmesstechnische Instrumentierung 28 4 Partikeltransport in einer horizontalen Kanalströmung 30 4.1 Turbulente Durchmischung der Aerosolpartikel und Strömungsentwicklung 30 4.2 Einzelpartikeldeposition 36 4.2.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 38 4.2.3 Datenanalyse 39 4.2.4 Ergebnisse 42 4.2.5 Schlussfolgerungen 44 4.3 Einzelpartikelresuspension 46 4.3.1 Experimenteller Aufbau und Instrumentierung 47 4.3.2 Randbedingungen und Versuchsdurchführung 48 4.3.3 Datenanalyse 50 4.3.4 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer glatten Glasoberfläche 52 4.3.5 Resuspension sphärischer Polypropylen-Partikel von einer glatten Glasoberfläche 54 4.3.6 Resuspension sphärischer Glaspartikel von einer rauen Stahloberfläche 56 4.3.7 Diskussion der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 57 5 Partikeltransport in einem Kanal mit periodischen Stufen 61 5.1 Auswahl der Testgeometrie 61 5.2 Instrumentierung 62 5.3 Versuchsdurchführung 64 5.4 Turbulentes Strömungsfeld zwischen den periodischen Stufen 65 5.5 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Deposition 67 5.5.1 Orts- und zeitaufgelöste Verteilung des Schichtdickenaufbaus 67 5.5.2 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Multilayer-Ablagerung 74 5.6 Experimentelle Ergebnisse der Multilayer-Partikel-Resuspension 75 5.6.1 Räumliche Verteilung der verbleibenden Partikel-Multilayer 75 5.6.2 Integrale Betrachtung des Resuspensionsvorgangs 79 5.6.3 Oberflächenrauheit und Volumenporosität der Partikel-Multilayer 81 5.7 Schlussfolgerungen 82 6 Partikeltransport in einer Kugelschüttung 84 6.1 Bisherige experimentelle und numerische Untersuchungen 85 6.2 Experimentelle Randbedingungen und Versuchsdurchführung 86 6.3 Charakterisierung der turbulenten Strömung im Kugelhaufen 88 6.4 Positronenemissionstomographie – Messprinzip und Datenauswertung 91 6.5 Deposition von flüssigen Aerosolpartikeln 93 6.5.1 Erzeugung und radioaktive Markierung der flüssigen Aerosolpartikel 93 6.5.2 Partikelkonzentrationsmessungen über der Kugelschüttung 94 6.5.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 96 6.5.4 Axiale Verteilung der gemessenen Aktivität 97 6.5.5 Dreidimensionale Verteilung der Aktivität im Kugelhaufen 98 6.6 Deposition und Remobilisierung von technischem Graphitstaub 99 6.6.1 Radioaktive Markierung der Graphitpartikel 99 6.6.2 Konzentrations- und Geschwindigkeitsmessungen 101 6.6.3 Zeitlicher Verlauf der gemessenen Aktivität 103 6.6.4 Räumliche Verteilung der Aktivität in der Kugelschüttung 105 6.6.5 Quantifizierung des Resuspensionsexperiments 107 6.7 Zusammenfassende Schlussfolgerungen 108 7 Diskussion der Ergebnisse 111 7.1 Einzel- und Multilayer-Partikelablagerungen 111 7.2 Einzel- und Multilayer-Partikelresuspension 112 7.3 Vergleich der experimentellen Daten mit numerischen Simulationen 113 8 Zusammenfassung und Ausblick 117 8.1 Grundlegende Erkenntnisse den experimentellen Studien 118 8.2 Bedeutung der Erkenntnisse für das Fachgebiet und die Sicherheitsbewertung des HTR 120 8.3 Ausblick 122 8.3.1 Einzelpartikel-Deposition in turbulenten Kanalströmungen 122 8.3.2 Einzelpartikel-Resuspension in turbulenten Kanalströmungen 123 8.3.3 Multilayer-Partikel-Deposition und -Resuspension zwischen periodischen Stufen 124 8.3.4 Untersuchung des Partikeltransports in komplexen Geometrien mittels PET 125 Literaturverzeichnis 127 Appendix 137 Danksagung 139

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High-resolution physical and biogeochemical field data in central Lake Erie during the summers of 2008-2009 along with a three-dimensional numerical model were used to investigate the dynamics of basin scale waves and sediment resuspension mechanisms. In Chapter 2, the modal response of the Poincaré waves in the lake is assessed. The vertical mode-one Poincaré wave was found to be mostly dominant during the seasonal stratified period. The horizontal modal structure was also investigated in a sensitivity analysis, using the numerical model forced with real and idealized wind events. In Chapter 3, dynamics of bottom mixed layer (BML), primarily forced in the outer layer by surface seiches and Poincaré waves is studied for two 10-days representative intervals of weak and strong stratification. Shear velocity was calculated by least square fitting the well-known law-of-the-wall equation to observed near-bed velocity in a region of constant shear stress. Height of the BML is computed using water density (from water temperature) and compared with heights of logarithmic layer approximated using the law-of-the-wall equation and its modified form with buoyancy length scale term. Published equations for estimating BML heights are evaluated and modified for the lake. In Chapter 4, we investigate physical processes leading to sediment resuspension in the lake including surface waves (periods of 4-8s), up/downwelling events (periods of 3-4 day), and high frequency internal waves (periods of 5-45min). Temporal changes in near-bottom sediment resuspension are illustrated using changes in acoustic backscatter signals from current profilers and time series of turbidity measurements to identify the mechanism responsible for sediment resuspension. Resuspension is parameterized as a function of the critical velocity ~0.25ms-1 and from surface waves using linear wave theory. Finally, based on the critical velocity and sediment grain size analysis (from in-site field data), critical shear stress and Shields parameter are calculated and compared with previous observations in Lake Erie and in other locations suggesting a modified Shields diagram for silty bed materials. / Thesis (Ph.D, Civil Engineering) -- Queen's University, 2012-12-19 20:54:15.832

L’étude réalisée porte sur l’évaluation du niveau de contamination par les éléments traces métalliques (ETM) des sédiments de la rade de Toulon, une rade semi-fermée soumise à un fort impact anthropique. Le prélèvement de carottes d’interface en 52 points répartis sur l’intégralité de la Rade a permis d’établir une cartographie précise des caractéristiques sédimentaires et des teneurs en métaux/métalloïdes. Les résultats obtenus sur les sédiments de surface ont montré l’état de contamination significatif de la rade (en particulier en Cu, Hg, Pb, et Zn), notamment dans les zones les plus enclavées de la petite rade, où les teneurs peuvent dépasser de plusieurs ordres de grandeur les limites définies par la législation en vue d’opérations de dragage. La distribution de la contamination observée a clairement indiqué un export de la petite vers la grande rade (normalement moins exposée), probablement gouverné par des processus hydrodynamiques responsables de la remise en suspension du sédiment contaminé. Les profils sédimentaires de carottes d’interface prélevées dans des zones de contamination contrastée ont révélé la présence systématique de pics de contamination dans les 20 premiers cm. Compte tenu des taux de sédimentation déterminés, ceci démontrerait que la rade a été soumise à un épisode de multi-contaminations majeur, probablement lié aux conséquences de la 2nde guerre mondiale. L’analyse des eaux interstitielles et surnageantes (paramètres physico-chimiques, majeurs, traceurs diagénétiques et ETM) de ces carottes d’interface a permis d’étudier la mobilité des ETM dans le sédiment. Les profils obtenus apparaissent essentiellement contrôlés par des mécanismes diagénétiques et démontrent le rôle exercé par les principales phases porteuses présentes dans le sédiment (oxy-hydroxydes de Fe et de Mn, sulfures) sur la mobilité des ETM. La modélisation de ces profils a permis d’évaluer les flux diffusifs à l’interface eau sédiment, afin de déterminer l’action du sédiment, en tant que puits ou source de contamination pour la colonne d’eau. Les flux diffusifs sortant calculés apparaissent relativement faibles en comparaison des teneurs totales mesurées dans le sédiment, démontrant que la majorité des ETM est fortement immobilisée dans le sédiment.Enfin, ce travail a été complété par des expériences de remise en suspension en laboratoire et sur le terrain, visant à simuler différents scénarios possibles (tempête,trafic maritime, dragage). Dans les conditions étudiées, si pour certains ETM la remobilisation en solution est faible (ex. As, Hg), elle peut au contraire être très significative pour d’autres (ex. Cd, Cu, Pb) conduisant à une contamination non négligeable de la colonne d’eau. / This study deals with the assessment of sediment contamination levels by trace metals in the Toulon bay, a semi-closed Mediterranean area submitted to heavy anthropogenic inputs. The sampling of interface cores in 52 points located in thewhole bay allowed establishing a precise mapping of the sedimentary characteristics and the metals/metalloids contents. The obtained results from the surface sediments revealed a significant contamination of the bay (especially for Cu, Hg, Pb and Zn), mainly in the most enclosed parts of the small bay. There, the levels may exceed by several orders of magnitude the limits concerning dredging operations defined by the French legislation. The observed contamination distribution clearly indicated an export from the small to the large bay (normally less exposed) probably governed by hydrodynamic processes, responsible for the contaminated sediment resuspension. The sedimentary profiles of interface cores sampled in contrasted contamination areas revealed the presence of systematic contamination peaks in the first 20 cm. Taking into account the calculated sedimentation rate, this would demonstrate that the Toulon bay was submitted to a strong multi-contamination, probably linked to the 2nd world war. The analysis of interstitial waters (physico-chemical parameters,major, trace metals, and diagenetic tracers) allowed studying trace metals mobility. The obtained profiles appeared mainly controlled by diagenetic mechanisms and showed the major role of the main carrier phases present in the sediments (oxyhydroxides of Fe and Mn, sulphides). The modeling of these profiles led to the determination of the diffusive fluxes at the sediment/water interface, and so, to the action of the sediment as a sink or a source of contamination for the water column.The calculated outgoing diffusive fluxes appeared relatively low in comparison to the total contents measured in the sediment, proving that the main part of the studied trace metals remains in the sediment. Finally, resuspension experiments in lab and on field were performed with the aim to simulate different possible scenarios (storm,nautical traffic, dredging). Under the studied conditions, the remobilization can be low for some trace metals (e.g. As, Hg), but it may contrariwise be quite important for others (e.g. Cd, Cu, Pb) leading to a non-negligible contamination of the water column.

<p>The Earth’s surface contains of 71% oceans and a large part of the global carbon cycle takes place in the oceans. In the aquatic environment, the sediment-water interface plays an important role for the mineralisation of organic material. One factor that can affect the mineralisation is resuspension. Resuspension cause mixing of surface sediments and bottom water and result in a redistribution of the sediment when it settles again. Resuspension also increases the transport of oxygen into the sediment, reduces the diffusive boundary layer surrounding particles, and enhance the nutrient uptake. Resuspension can be induced by both wave action and bottom currents and is a common physical process in both shallow coastal areas and in the deep ocean. Human impacts, such as dredging and trawling, can also cause resuspension.</p><p>The effect of resuspension on mineralisation of organic material was studied in two experiments ex situ during December to April 2004/2005. The aim for Experiment 1 was to investigate how the intensity of the resuspension event affects the degradation rate. The aim for Experiment 2 was to investigate how different concentrations of resuspended sediment affect the degradation rate of organic matter. Sediment samples were collected in December and late March at a marine field station, Askö, Sweden. Sediment and bottom water were transferred to and incubated in sealed bottles. For Experiment 1, resuspension was created in bottles with a specially designed rotary table, creating different intensity of water movements. In Experiment 2, bottles with different concentrations of sediment were put on an ordinary rotary table. The mineralisation rates were in both experiments monitored by daily sampling of sediment-water slurry, and analysed for total inorganic carbon by a gas chromatography with a thermal detector, GC-TCD.</p><p>Results from Experiment 1 did not show any clear patterns regarding inorganic carbon formation. Experiment 2 did show clear patterns for two of six replicates of mineralisation of organic material. For these replicates the mineralisation rate were low according to previous studies. However, the sediment concentration seems to not affect the mineralisation rate. For both experiments, valuable information on how to better design experiments to investigate the importance of resuspension and the effect of mineralisation of organic material was yielded. Hence, further studies are needed to continue the investigation of the importance of resuspension for the mineralisation rate of organic material, and its impacts on the nutrient fluxes in the oceans.</p>

The Earth’s surface contains of 71% oceans and a large part of the global carbon cycle takes place in the oceans. In the aquatic environment, the sediment-water interface plays an important role for the mineralisation of organic material. One factor that can affect the mineralisation is resuspension. Resuspension cause mixing of surface sediments and bottom water and result in a redistribution of the sediment when it settles again. Resuspension also increases the transport of oxygen into the sediment, reduces the diffusive boundary layer surrounding particles, and enhance the nutrient uptake. Resuspension can be induced by both wave action and bottom currents and is a common physical process in both shallow coastal areas and in the deep ocean. Human impacts, such as dredging and trawling, can also cause resuspension. The effect of resuspension on mineralisation of organic material was studied in two experiments ex situ during December to April 2004/2005. The aim for Experiment 1 was to investigate how the intensity of the resuspension event affects the degradation rate. The aim for Experiment 2 was to investigate how different concentrations of resuspended sediment affect the degradation rate of organic matter. Sediment samples were collected in December and late March at a marine field station, Askö, Sweden. Sediment and bottom water were transferred to and incubated in sealed bottles. For Experiment 1, resuspension was created in bottles with a specially designed rotary table, creating different intensity of water movements. In Experiment 2, bottles with different concentrations of sediment were put on an ordinary rotary table. The mineralisation rates were in both experiments monitored by daily sampling of sediment-water slurry, and analysed for total inorganic carbon by a gas chromatography with a thermal detector, GC-TCD. Results from Experiment 1 did not show any clear patterns regarding inorganic carbon formation. Experiment 2 did show clear patterns for two of six replicates of mineralisation of organic material. For these replicates the mineralisation rate were low according to previous studies. However, the sediment concentration seems to not affect the mineralisation rate. For both experiments, valuable information on how to better design experiments to investigate the importance of resuspension and the effect of mineralisation of organic material was yielded. Hence, further studies are needed to continue the investigation of the importance of resuspension for the mineralisation rate of organic material, and its impacts on the nutrient fluxes in the oceans.