渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)主要由流速測(cè)量模塊、濃度測(cè)量模塊和輔助設(shè)施構(gòu)成，其中流速湍動(dòng)測(cè)量通常采用ADV，濃度湍動(dòng)測(cè)量設(shè)備則因待測(cè)通量而異。目前國(guó)內(nèi)外采用的渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)通常由以下設(shè)備組成:

a.ADV。ADV基于聲學(xué)多普勒原理進(jìn)行高頻三維流速測(cè)量(部分產(chǎn)品可達(dá)128 Hz)，兼測(cè)水溫、水深、傾角和方位角等物理量。ADV通過(guò)中央傳感器發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)聲波遇到水中懸浮顆粒被反射回時(shí)，被均勻布置在中央傳感器周圍的2~4個(gè)探頭接收。ADV測(cè)量的是位于中央傳感器下方5~18 cm處一直徑和高度均約1 cm的圓柱狀水體的流速，該儀器不適宜用于懸浮顆粒稀少的低濁度或靜水環(huán)境。

b.Clark型微電極。該類型微電極因最早由L.C.Clark研制而得名，具有針端細(xì)(約10μm)和響應(yīng)快(90%響應(yīng)時(shí)間t 90%<0．2 s)等顯著優(yōu)勢(shì)。工作時(shí)，氣體從其尖端擴(kuò)散進(jìn)入后與陰極發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流，電流信號(hào)經(jīng)放大后與校正的標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比可得到氣體濃度值。因此，Clark型微電極在觀測(cè)過(guò)程中消耗了待測(cè)氣體。目前市面在售微電極的可測(cè)指標(biāo)包括O2、H2 S、NO和pH值等，可用于構(gòu)建多通量渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，但大多數(shù)微電極由玻璃制作，其保證使用壽命較短，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期原位觀測(cè)。

c.高魯棒性傳感器。

為長(zhǎng)期連續(xù)開展原位渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)，可用高魯棒性溶質(zhì)濃度傳感器代替Clark型微電極。例如，ARO-EC是一款基于熒光壽命法的溫氧傳感器，不消耗待測(cè)氣體也不引起信號(hào)漂移，且以鈦為材質(zhì)，可滿足野外長(zhǎng)期工作的需要;Hu等設(shè)計(jì)了FACT傳感器進(jìn)行熒光性溶解有機(jī)物的渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)，同時(shí)可測(cè)量水溫與鹽度等指標(biāo)。由于無(wú)須放大信號(hào)，高魯棒性傳感器與ADV的整合往往更為容易，但該類傳感器也具備體積較大、通量測(cè)量類型較少等不足。

d.輔助設(shè)備。

渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)通常還需要測(cè)架、電纜、數(shù)據(jù)采集器及通信模塊等輔助設(shè)備。部分傳感器能由ADV控制并通過(guò)其提供的虛擬通道進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，從而實(shí)現(xiàn)流速和溶質(zhì)濃度的同步觀測(cè);但當(dāng)外接傳感器較多或需要對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，則需另配數(shù)據(jù)采集器。

傳感器的選用要求

渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)需要同步高頻測(cè)量水流速度湍動(dòng)和溶質(zhì)濃度湍動(dòng)，因此其觀測(cè)儀器一般需滿足測(cè)量頻率與響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量精度與靈敏度、探頭尺寸與采樣范圍三方面的要求。

a.測(cè)量頻率與響應(yīng)時(shí)間。

高頻觀測(cè)是渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的主要特征之一，其傳感器應(yīng)具有足夠高的測(cè)量頻率以捕捉對(duì)通量有貢獻(xiàn)的最小尺度(最高頻·83·率)湍動(dòng)。分別對(duì)典型弱湍動(dòng)水環(huán)境(如深海底部流速約為2 cm/s)和強(qiáng)湍動(dòng)水環(huán)境(如陸架海底部流速約為20 cm/s)進(jìn)行估算，可知湍流存在的最小時(shí)間尺度通常為0．2~7．4 s，即5~0．1 Hz，因此渦動(dòng)傳感器的最高觀測(cè)頻率不應(yīng)低于該值，且越強(qiáng)的湍動(dòng)環(huán)境需要越高的觀測(cè)頻率。響應(yīng)時(shí)間表征了傳感器對(duì)外界環(huán)境改變的反應(yīng)速度，由于湍流通量主要由大尺度渦旋攜帶，通常認(rèn)為t 90%<0．2 s的傳感器可滿足渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)要求。

b.測(cè)量精度與靈敏度。

渦動(dòng)觀測(cè)儀器的測(cè)量精度應(yīng)與其所測(cè)物理量的湍動(dòng)尺度相匹配。流速湍動(dòng)尺度與湍流發(fā)育程度相關(guān)，在充分發(fā)展的湍流環(huán)境中，通常以摩擦流速量化流速湍動(dòng);濃度湍動(dòng)尺度還與其物質(zhì)濃度梯度有關(guān)，可以根據(jù)給定的通量數(shù)值和流速湍動(dòng)尺度進(jìn)行估計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，提升傳感器靈敏度是提高測(cè)量精度的方法之一，但過(guò)高的靈敏度將產(chǎn)生噪聲進(jìn)而降低渦動(dòng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量并延長(zhǎng)渦動(dòng)觀測(cè)的時(shí)段長(zhǎng)度。c.探頭尺寸與采樣范圍。

為減小對(duì)水流運(yùn)動(dòng)及ADV聲波信號(hào)的干擾，溶質(zhì)濃度測(cè)量?jī)x器的探頭尺寸應(yīng)盡可能小，否則將使傳感器安裝間距增大、數(shù)據(jù)處理難度增加，甚至使得該系統(tǒng)不宜應(yīng)用于強(qiáng)湍動(dòng)水環(huán)境。此外，為捕捉與湍流通量相關(guān)的最小尺度渦動(dòng)，理想溶質(zhì)濃度測(cè)量?jī)x器的采樣范圍應(yīng)小于柯氏長(zhǎng)度，即湍流存在的最小空間尺度;但實(shí)際上ADV的圓柱體采樣范圍通常相對(duì)更大，甚至超過(guò)柯氏長(zhǎng)度，因此溶質(zhì)濃度測(cè)量?jī)x器的采樣范圍通常不是組建渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的限制條件。

系統(tǒng)的空間布置

a.傳感器安裝間距。ADV與溶質(zhì)濃度測(cè)量?jī)x器測(cè)量同一渦旋，因此兩者的采樣區(qū)域理論上需完全重合。但是，濃度測(cè)量探頭的物理結(jié)構(gòu)會(huì)干擾水流狀態(tài)及ADV聲波信號(hào)，因此兩者之間應(yīng)保持一定的水平距離，即安裝間距Δl(圖1)，而這種空間布置錯(cuò)位導(dǎo)致的測(cè)量誤差將在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中通過(guò)時(shí)滯修正進(jìn)行校正。一般來(lái)說(shuō)，濃度測(cè)量探頭與ADV應(yīng)沿水流方向布置，且探頭位于ADV采樣體的下游，兩者間距不超過(guò)10倍柯式長(zhǎng)度，否則容易造成通量低估。

不同尺寸的探頭所需的安裝間距不等，可通過(guò)分析ADV觀測(cè)信號(hào)的信噪比進(jìn)行確定，如ADV與Clark型微電極之間的安裝間距通常小于1 cm，而與ARO-EC傳感器探頭之間的安裝間距應(yīng)為1~2 cm。b.觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)高度。觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)高度是指ADV采樣體或濃度測(cè)量探頭與沉積物水界面之間的距離，即觀測(cè)高度h(圖1)。一般來(lái)說(shuō)，沉積物水界面附近物質(zhì)濃度梯度較大，因此當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)較低時(shí)傳感器更容易觀測(cè)到濃度湍動(dòng)。觀測(cè)高度在一定程度上決定了渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)的足跡范圍，通常取8~80 cm，實(shí)際布置時(shí)應(yīng)視環(huán)境水深、水動(dòng)力條件、下墊面異質(zhì)性等因素而定。