為了給沉積物水界面通量的原位長效觀測研究提供技術支撐,對水環(huán)境渦動相關技術的實現(xiàn)路徑和應用方向進行了系統(tǒng)梳理?；仡櫫怂h(huán)境渦動相關技術的發(fā)展歷程并對比分析了其技術特征,從理論基礎、系統(tǒng)構建和數(shù)據(jù)處理三方面介紹了該技術的實現(xiàn)方法,并總結(jié)了該技術的應用方向和目前面臨的挑戰(zhàn)。水環(huán)境渦動相關技術具有底質(zhì)適用類型多樣、不干擾沉積物結(jié)構、測量足跡大且時間精度高等特點,適用于河流、湖泊、水庫、海灣及深海等環(huán)境的沉積物水界面通量觀測,能夠為水體環(huán)境修復、生態(tài)系統(tǒng)代謝評估及潛流交換等研究提供支持。

沉積物水界面(sediment-water interface,SWI)是沉積物與其上覆水之間具有一定立體尺度的交界面。物質(zhì)在該界面附近活躍地發(fā)生著遷移、轉(zhuǎn)化、吸附、解吸、擴散、掩埋和生物擾動等一系列物理化學及生物反應,從而影響著水環(huán)境的整體功能與生態(tài)安全,也使得沉積物水界面成為陸地表層系統(tǒng)中最重要的界面之一。因此,開展沉積物水界面處溶解氧、溫室氣體、營養(yǎng)物和污染物等物質(zhì)質(zhì)量乃至能量、動量的通量觀測,對于評估底棲生態(tài)環(huán)境、控制水體內(nèi)源污染和研究水環(huán)境生物地球化學循環(huán)過程都具有重要意義。

渦動相關技術(eddy correlation technique)是一種興起于微氣象領域的通量觀測方法,如今也被用于測量沉積物水界面通量且取得了較好的實踐效果。但是,目前國內(nèi)關于水環(huán)境渦動相關技術的應用和研究還比較少,也沒有能夠同時滿足原位、長·81·期、非侵入等通量觀測需求的其他技術。有鑒于此,本文在回顧水環(huán)境渦動相關技術的發(fā)展歷史并總結(jié)其技術特點的基礎上,重點介紹了該技術的具體實施途徑,梳理了其主要應用領域及今后的發(fā)展方向,以期為水環(huán)境渦動相關通量觀測技術的推廣應用提供參考。

早在20世紀40年代末,Montgomery等便提出了用于測量大氣與其下墊面之間物質(zhì)能量交換通量的渦動相關技術,又稱渦動協(xié)方差技術(eddy covariance technique)。在理論提出之初,觀測儀器的局限阻礙了該技術的實施,直至超聲風速儀和氣體分析儀問世。

從20世紀80年代開始,渦動相關技術陸續(xù)被用于測量大氣相關界面的CO2和水熱等通量;在長期的實踐對比中,該技術也被認為是國內(nèi)外微氣象通量觀測領域最為可靠的方法之一。時至今日,渦動相關觀測不僅是一種科學研究活動,更成了一種常規(guī)的氣象觀測手段,世界各地建立起了大氣渦動相關網(wǎng)絡以實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的共享。

表1常見沉積物水界面通量觀測技術特性對比

圖1水底邊界層的空間結(jié)構及氧通量渦動相關系統(tǒng)示意圖

2003年,Berg等首次將渦動相關技術移植到水環(huán)境通量觀測領域,通過聲學多普勒流速儀(acoustic doppler velocimetry,ADV)和Clark型溶解氧微電極搭建了測量沉積物水界面氧通量的渦動相關系統(tǒng)并驗證了其可靠性。而后,Berg等通過數(shù)值模擬進一步夯實了該技術的理論基礎,同時Donis等通過室內(nèi)水槽試驗完善了該技術的應用細節(jié)并探討了界面通量對各類環(huán)境因子的響應關系。如今,渦動相關技術已被用于河流、湖泊、水庫、海灘和深海等水環(huán)境的沉積物水界面通量觀測。

除水環(huán)境渦動相關技術外,目前測量沉積物水界面通量的方法還有實驗室培養(yǎng)技術(laboratory core incubation)、底棲培養(yǎng)室技術(benthic chamber)、微電極剖面技術(micro-profiling)和平面光極技術(planar optode)等,主要技術特性對比見表1?？偟膩碚f,渦動相關技術因其將觀測點布置于沉積物水界面上方而具備非侵入式觀測的顯著優(yōu)點,又具有測量范圍廣和時間精度高等特點,能夠?qū)鹘y(tǒng)方法難以適用的高滲透性砂質(zhì)底泥和生長水棲植物的堅硬底質(zhì)進行長期觀測。但是,該技術對數(shù)據(jù)處理方法提出了較高的要求,且可測量的通量類型受到傳感器性能發(fā)展的限制。