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A critical review of sedimentation trap technique

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Abstract

The published literature on the use of sediment traps has been reviewed and used to validate the conclusions of a theoretical analysis of the physical factors affecting the trapping of particles. Both practical and theoretical considerations lead us to recommed that the ‘best’ sediment trap for use in limnology is a simple cylinder with a diameter of from 5 to 20 cm and aspect ratio (ratio of length to diameter) of greater than 5 for small lakes and greater than 10 for more turbulent water bodies. We also demonstrate the need to know the approximate particle Reynolds number of particles being collected by sediment traps. A number of considerations lead us to advise against the use of collars, lattices, baffles, lids or refeence chambers. Recommendations are made on minimizing the unresolved problem of mineralization of organic material and on optimum length of exposure times, mooring systems, trap holding frames and sample handling.

Zusammenfassung

Eine kritische Übersicht über die Sedimentfallentechnik

Diese Arbeit, angeregt durch die Experimente von Gardner [36] und Hargrave und Burns [51], entstand aus dem Bestreben heraus, einerseits einen umfassenden Überblick über die bestehende Sedimentfallenliteratur (180 Titel, siehe Tab. 4 und Literaturverzeichnis I) zu vermitteln, anderseits die durch eine Vielfalt von verschiedenen Fallentypen (Abb. 1) entstandene Konfusion bezüglich korrekter Sedimentationsmessungen mit Sedimentfallen zu klären. Eine vereinheitlichung der Fallen würde die Vergleichbarkeit von Resultaten wesentlich verbessern. InKapitel 1 werden kontroverse Auffassungen prominenter Autoren dargestellt. Wir möchten dazu bemerken, dass wir hier die Sedimentfallen nur als Instrumente zur Messung des Sinkfluxes von Partikeln betrachten und dass wir auf Störungen wie Trichtereffekt oder Resuspension von Bodensedimenten nicht näher eingehen. Jedenfalls erweisen sich Sedimentfallen in den meisten Fällen als ein taugliches Mittel zur Messung von Sedimentationsraten, wie Vergleiche mit anderen Methoden gezeigt haben [9, 117, 122, 131].

Aufgrund theoretischer Überlegungen (Kap. 2) und experimenteller Erfahrungen (Kap. 3) empfehlen wir für limnologische Untersuchungen als «beste» Sedimentfalle einen einfachen Zylinder aus PVC oder Plexiglas mit einem Durchmesser von 5 bis 20 cm und einem Verhältnis Höhe: Durchmesser (aspect ratio) von mindestens 5 für kleine Seen und mindestens 10 für turbulentere Gewässer. Nur eine richtig proportionierte zylinderförmige Falle erfüllt zwei essentielle Bedingungen, welche sowohl in ruhigem als auch in turbulentem Wasser eine Auffangeffizienz um 100% gewährleisten (sieheKapitel 2): 1. Die Partikelkonzentration muss bei ruhigen und turbulenten Verhältnissen innerhalb und ausserhalb der Falle gleich sein. 2 Das auf den Boden der Falle sedimentierte Material darf unter keinen Umständen durch Turbulenzen wiederaufgewirbelt werden, ansonst Verluste auftreten (vgl. Tab. 2 und 3, Abb. 4). Trichter und flache Gefässe sammeln infolge solcher Resuspension zu wenig, Flaschen und ähnliche enghalsige Fallen sammeln zu viel Material (Abb. 3), wenn die Öffnung als Auffangfläche genommen wird. (Falls die Bodenfläche berücksichtigt wird, kommt man zu ähnlichen Resultaten wie mit einem Zylinder [51].) In Abb. 2 sind die möglichen Wege sedimentierender Partikel schematisch dargestellt; in turbulenten Verhältnissen dürfen sie nicht mit denjenigen von Regentropfen oder Schneeflocken verglichen werden, weil die Differenz zwischen der vertikalen Sinkgeschwindigkeit der Partikel und der horizontalen Geschwindigkeit des umgebenden Mediums im Wasser 1–6 Grössenordnungen grösser ist als in Luft (Tab. 1).

Die in Kapitel 2 entwickelte Theorie und die daraus abgeleitete Empfehlung basieren auf der Erkenntnis, dass Turbulenzen keinen Einfluss auf die Sinkgeschwindigkeit kleiner Partikel (<250 μm) haben, weil ihre Reynolds-Zahl Re<0,5 ist [187, 199]. (Dagegen kann sehr wohl die Partikelverteilung bzw. der Partikelflux durch Turbulenz verändert werden.) Für die relativ seltenen grösseren Partikel (Re>0,5) trifft dies nicht mehr genau zu [182, 189, 194, 199], weshalb es von grösstem Nutzen ist, die ungefähre Reynolds-Zahl der von der Sedimentfalle gesammelten Partikel zu kennen. (Immerhin kann für Re>0,5 eine Korrektur vorgenommen werden, siehe S. 28.)

Die aus der physikalischen Theorie (Kap. 2) hergeleiteten Erfordernisse werden durch Labor- und Insitu-Experimente mit verschiedenen Fallentypen und-grössen bestätigt (Kapitel 3, siehe Tab. 2 und [21, 36, 51, 74, 84, 117, 147, 168, 170, 174, 178]). Parallelfallen (Abb. 8) ergeben meistens kleinere Differenzen als 10% (siehe Tab. 5 und [27, 82, 171]).

InKapitel 4 werden praktische Aspekte der Sedimentfallentechnik diskutiert. Verschiedene Gründe sprechen gegen die Verwendung von gelochten Abdeckhauben (Tauber-Falle [156]), Gittern, Einsätzen zur Verminderung von Turbulenzen (Abb. 5), Schliessmechanismen bzw. Deckel und Referenzkammern (Abb. 6). Solche Vorrichtungen nützen entweder nichts und stören deshalb nur [Einsätze (Tab. 6), Deckel], oder sie bringen neue Probleme mit sich, welche die Messgenauigkeit eher verschlechtern als verbessern (Abdeckhauben, Gitter, Referenzkammern). Ein nach wie vor ungelöstes Problem stellt hingegen die künstliche Mineralisierung organischen Materials innerhalb der Falle dar. (Inwieweit gelegentlich gefangene Benthosorganismen die Sedimentationsmessungen stören, ist ebenfalls nicht bekannt.) Zur Vermeidung des unerwünschten Abbaueffektes werden in jüngster Zeit mehr und mehr verschiedene Konservierungsmittel bzw. Bakterizide (z.B. Formol. Chloroform, HgCl2, Lugol, u.a.) angewandt. Solche Mittel können jedoch auch neue Fehler einschleppen (Abtöten von Zooplankton, Nährboden für spezialisierte Bakterien). Bis experimentelle Vergleiche mit behandelten und unbehandelten Sedimentfallen vorliegen, welche die Tauglichkeit von Bakteriziden beweisen würden, ist im Gebrauch solcher Mittel grosse Vorsicht am Platz. Vorläufig kann dieses Problem durch möglichst kurze Expositionszeit (1–2 Wochen) minimiert werden, wie Vergleiche von Kurzzeit- mit Langzeitexpositionen gezeigt haben (Tab. 7). Schliesslich sei auch noch darauf hingewiesen, dass korrekt gemessene Sedimentationsraten nicht zuletzt auch von kleinen Details abhängen, nämlich von der Art der Aufhängevorrichtung (Abb. 7), der Fixierung der Fallen am Seil oder Kabel und einer sorgfältigen Probenentnahme aus den Gefässen.

Résumé

Une analyse critique de la technique des trappes à sédiments

Cette publication, inspirée par les expériences de Gardner [36] et de Hargrave et Burns [51], résulte de l'intention, d'une part de donner un sommaire complet de la littérature sur les trappes à sédiments (180 titres, voir tabl. 4 et références I), d'autre part de clarifier la confusion à l'égard des mesurages corrects de la sédimentation par des trappes à sédiments; cette confusion provenant d'une grande diversité dans les différents types de trappes (fig. 1). Une standardisation des trappes améliorerait nettement la comparabilité des résultats. Dans lechapitre 1, des opinions controversées d'auteurs éminents sont énumérées. Nous aimerions faire remarquer que nous ne considérons ici les trappes que comme instruments de mesure de la sédimentation des particules, et que nous n'approfondissons pas la question des perturbations comme par example «l'effet d'entonnoir» ou la resuspension des sédiments du fond du lac. En tout cas, les trappes à sédiments s'avèrent être des moyens presque toujours propres à mesurer la sédimentation, comme ont démontré les comparaisons avec d'autres méthodes [9, 117, 122, 131].

Sur la base des considérations théoriques (chap. 2) et des expériences pratiques (chap. 3) nous pouvons recommander comme «meilleure trappe», pour les explorations limnologiques, un simple cylindre fabriqué en PVC ou verre plexi d'un diamètre de 5–20 cm et d'une proportion hauteur: diamètre (aspect ratio) d'au moins 5 pour les petits lacs et d'au moins 10 pour les eaux plus turbulentes. Seulement une trappe cylindrique correctement proportionnée satisfait aux deux conditions essentielles qui permettent une efficacité de prise d'environ 100% aussi bien dans l'eau calme que dans l'eau turbulente (chapitre 2): 1. que la concentration des particules soit égale à l'intérieur et à l'extérieur de la trappe dans les conditions calmes et turbulentes; 2. que le matériel sédimenté au fond de la trappe ne soit jamais soulevé par des turbulences, sinon il y aura des pertes (tabl. 2 et 3, fig. 4). Des entonnoirs et des récipients plats ramassent trop peu de matériel (à cause des resuspensions), des bouteilles et des récipients similaires à col étroit ramassent trop de matériel (fig. 3), si l'ouverture est considérée comme face de ramassage. (Mais si on considère la face du fond, on obtient des résultats similaires à ceux d'un cylindre [51].) Dans la figure 2 les passages possibles de particules sédimentantes sont présentés schématiquement; dans des conditions turbulentes, ils ne doivent pas être comparés à ceux des gouttes de pluie ou de flocons de neige, parce que la différence entre la vitesse verticale de sédimentation des particules et la vitesse horizontale du milieu environnant est 10 à 106 fois plus grande dans l'eau que dans l'air (tabl. 1).

La théorie développée dans le chapitre 2 et la recommandation qui en découle se fondent sur le fait que la turbulence n'a pas d'influence sur la vitesse de sédimentation des petites particules (<250 μm), parce que leur nombre Reynolds Re est <0,5 [187, 199]. (En revanche, la turbulence peut changer la distribution des particules, respectivement le flux des particules.) Pour les particules plus grandes (Re>0,5) relativement rares, cela n'est plus tout à fait juste [182, 189, 194, 199], et c'est pourquoi il est très utile de connaître le nombre Reynolds approximatif des particules ramassées par la trappe. (Toutefois il existe une correction pour Re>0,5, voir p. 28.)

Les exigences dérivées de la théorie physique (chap. 2) sont confirmées par des expériences de laboratoires et in situ effectuées avec des différents types et formats de trappes (chapitre 3, voir aussi tabl. 2 et [21, 36, 51, 74, 84, 117, 147, 168, 170, 174, 178]). Des trappes parallèles (fig. 8) produisent le plus souvent des différences inférieures à 10% (tabl. 5 et [27, 82, 171]).

Dans lechapitre 4 des aspects pratiques de la technique des trappes à sédiments sont discutés. Des raisons variées s'opposent à l'usage des chapes perforées (la trappe de Tauber [156]), des grilles, des éléments pour éviter les turbulences (fig. 5), des plaques et des «chambres de référence» (fig. 6). De tels mécanismes sont ou inutiles et gênants [élements (tabl. 6) et couvercles], ou causent de nouveaux problèmes qui détériorent plus qu'ils n'améliorent la précision des mesurages (chapes, grilles, «chambres de référence»). Au contraire, un problème qui reste toujours à résoudre est la minéralisation artificielle du matériel organique au fond des trappes. (Jusqu'à quel point des organismes benthiques capturés occasionnellement influencent les mesures de sédimentation est aussi inconnu.) Pour éviter l'effet indésirable de la dégradation, on a commencé récemment et de plus en plus à utiliser des agents de conservation, c'est-à-dire des bactéricides (par exemple le formol, chloroforme, HgCl2, lugol, etc.). Mais de telles substances peuvent aussi causer de nouvelles erreurs (mort du zooplancton, milieu de culture pour des bactéries spécialisées). Tant que des comparaisons expérimentales avec des trappes traitées et non traitées, qui prouveront l'effet des bactéricides, ne soient faites, il est prudent d'user de ces produits avec grande précaution. Pour le moment, ce problème peut être minimisé par un temps d'exposition le plus court possible (1–2 semaines) ce qui a été prouvé par des comparaisons entre des expositions à temps courts et celles à long terme (tabl. 7). Finalement, nous montrons que la mesure correcte de la sédimentation dépend aussi de petits details, comme le mode de suspension (fig. 7), la fixation des récipients à la corde ou au câble, et il faut aussi ôter les échantillons hors des récipients avec précaution.

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Author notes

  1. J. Bloesch

    Present address: Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (EAWAG), Überlandstrasse 133, CH-8600, Dübendorf, Switzerland

  2. N. M. Burns

    Present address: Aquatic Ecology Div, Canada Center for Inland Waters, 867 Lakeshore Road, P.O. Box 5050, L7R4A6, Burlington, Ontario, Canada

Authors and Affiliations

    Authors
    1. J. Bloesch
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    2. N. M. Burns
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    Revised from of paper was presented by J. Bloesch at the UNESCO-Workshop ‘On the assessment of particulate matter contamination in rivers and lakes' held in Budapest, 13–17 November 1978.

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    Bloesch, J., Burns, N.M. A critical review of sedimentation trap technique. Schweiz. Z. Hydrologie 42, 15–55 (1980). https://doi.org/10.1007/BF02502505

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    • DOI: https://doi.org/10.1007/BF02502505

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