摘要：沉積物-水界面是物質(zhì)參與環(huán)境地球化學(xué)循環(huán)和生物耦合的"熱區(qū)",水動(dòng)力條件是沉積物-水界面物質(zhì)交換的關(guān)鍵影響因素。溶解氧作為常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)調(diào)節(jié)生物化學(xué)進(jìn)程有重要作用,因此本文采用渦動(dòng)相關(guān)法這種非侵入式通量測(cè)量技術(shù)開展室內(nèi)試驗(yàn)研究,探究沉積物-水界面氧通量與水動(dòng)力條件的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明:隨著水體紊動(dòng)增加(采用Batchelor尺度表征),擴(kuò)散邊界層厚度減小,氧通量增大。分析室內(nèi)試驗(yàn)和相關(guān)研究中水動(dòng)力條件、擴(kuò)散邊界層厚度及氧通量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散邊界層厚度與Batchelor尺度呈正相關(guān)關(guān)系,擬合結(jié)果表明可以用Batchelor尺度近似表示擴(kuò)散邊界層厚度;氧通量與擴(kuò)散邊界層厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且當(dāng)擴(kuò)散邊界層厚度小于0.5 mm時(shí),擴(kuò)散邊界層厚度變化對(duì)氧通量影響更強(qiáng)烈,當(dāng)厚度大于0.5 mm后,氧通量基本保持穩(wěn)定。

1、研究背景

沉積物-水界面（Sediment-Water Interface，SWI）作為水生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵界面之一，是沉積物和水體之間物質(zhì)垂向交換的主要場(chǎng)所，關(guān)于其物質(zhì)通量的研究一直是國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)問題。溶解氧作為評(píng)價(jià)水體水質(zhì)的常用指標(biāo)，對(duì)于水生生物的生存、水體自凈功能的維持等起著關(guān)鍵作用。SWI氧通量由于被廣泛用于評(píng)估底棲生物的初級(jí)生產(chǎn)力、有機(jī)物礦化率，因此對(duì)研究水體物質(zhì)循環(huán)、富營(yíng)養(yǎng)化治理、生態(tài)系統(tǒng)功能等都具有重要意義。

目前關(guān)于SWI氧通量的研究集中于分析通量與沉積物和水體中物質(zhì)含量的關(guān)系。研究表明，沉積物有機(jī)物質(zhì)含量、水體底部溶解氧濃度、泥沙粒徑和葉綠素含量等因素均會(huì)對(duì)SWI氧通量產(chǎn)生影響。潘延鑫等對(duì)農(nóng)田排水溝的SWI氧通量觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，上下游界面氧通量的差異可能與有機(jī)質(zhì)、鹽分含量及微生物活動(dòng)等有關(guān)，但由于試驗(yàn)過程中水體處于靜置狀態(tài)，因此水動(dòng)力條件同樣可能是影響界面氧傳輸?shù)闹匾蛩?。Koopmans和鄭陽(yáng)華等通過原位和試驗(yàn)研究均發(fā)現(xiàn)SWI氧通量隨水平流速增大相應(yīng)增大，Scalo等在構(gòu)建氧通量代數(shù)模型中也將摩擦流速作為主要輸入?yún)?shù)。從水動(dòng)力條件對(duì)氧通量的影響機(jī)制來看，目前有學(xué)者提出水動(dòng)力條件可能通過控制擴(kuò)散邊界層（DBL）厚度來實(shí)現(xiàn)對(duì)氧通量的影響，DBL作為控制沉積物-水界面物質(zhì)垂向交換的主要瓶頸，與摩擦流速、雷諾數(shù)、Batchelor尺度等水動(dòng)力條件關(guān)系密切，但結(jié)論多為定性描述。

對(duì)SWI氧通量的測(cè)量一般可采用水底培養(yǎng)箱法、微電極剖面法和渦動(dòng)相關(guān)法等。水底培養(yǎng)箱法通過分析封閉沉積物及其上覆水中溶解氧隨時(shí)間的變化規(guī)律評(píng)估氧通量，該方法影響了觀測(cè)區(qū)域與周圍水體間水流交換，Brink等通過內(nèi)部自帶的水流動(dòng)力裝置模擬實(shí)際流動(dòng)，依然難以還原真實(shí)水動(dòng)力條件。微電極剖面法將微電極緩慢刺入沉積物內(nèi)，根據(jù)溶解氧在沉積物-水界面的垂向分布得到氧通量，該方法雖然其垂直分辨率很高，但一般僅能獲取垂向梯度的氧通量信息，難以反映地形變化、生物活動(dòng)等對(duì)氧通量的影響；該方法的測(cè)量結(jié)果還存在偶然性，R?y等發(fā)現(xiàn)三維的氧通量測(cè)量結(jié)果比一維條件下高約10%。針對(duì)上述測(cè)量技術(shù)的不足，Berg等首次將渦動(dòng)相關(guān)法應(yīng)用于SWI氧通量測(cè)量，通過直接測(cè)量靠近沉積物表面處水體中流速與溶解氧值獲得氧通量，可反映5～100 m2測(cè)量區(qū)域（也稱測(cè)量足跡）內(nèi)的氧通量信息。這一方法由于對(duì)水動(dòng)力條件影響小，因此在研究氧通量與水動(dòng)力條件響應(yīng)關(guān)系方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

本文基于渦動(dòng)相關(guān)法理論基礎(chǔ)，采用溶解氧傳感器和聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀構(gòu)建了非侵入式渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)。通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同水平流速條件下溶解氧在沉積物-水界面的垂向分布進(jìn)行觀測(cè)，獲得了擴(kuò)散邊界層厚度；根據(jù)垂向流速與溶解氧濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果得到了SWI氧通量，并詳細(xì)介紹了氧通量求解過程及關(guān)鍵參數(shù)處理方法。將本文及相關(guān)研究中水動(dòng)力條件、擴(kuò)散邊界層厚度及氧通量進(jìn)行擬合，得到了SWI氧通量與不同水動(dòng)力條件間的定量響應(yīng)關(guān)系，成果可以為SWI氧通量對(duì)水動(dòng)力條件的響應(yīng)機(jī)理研究提供參考。