2、渦動相關(guān)法

2.1理論基礎(chǔ)

渦動相關(guān)法最早可追溯到1950年代，起初該方法多用于分析物質(zhì)、動量、熱量等在陸-氣、海-氣邊界層的交換。2003年Berg等首次將其應(yīng)用于沉積物-水界面的氧通量測量，此后陸續(xù)有學(xué)者在水底邊界層這一特定環(huán)境下對其理論進(jìn)行改進(jìn)，并開展了相關(guān)研究。渦動相關(guān)法通過計算垂向流速與其它物理要素的協(xié)方差從而得到物質(zhì)通量，基于質(zhì)量守恒方程，溶質(zhì)在控制體中滿足：

式中：C為控制體內(nèi)溶質(zhì)濃度；uj=(u，v，w)為流速，j為正交直角坐標(biāo)系的三個方向；Dc為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Sc為控制體內(nèi)溶質(zhì)的源匯項；為控制體內(nèi)溶質(zhì)濃度的變化速率。

采用雷諾分解，將具有紊動特性的物理量分解為時均值和紊動值，即，代入式（1）得到：

假設(shè)沉積物-水界面高度為z0，測點(diǎn)高度為zm，對式（3）兩端同時進(jìn)行積分可得：

由沉積物-水界面的物質(zhì)垂向傳輸方式（圖1）可知，在擴(kuò)散邊界層（DBL）上部水體中物質(zhì)的垂向傳輸機(jī)制主要為湍流擴(kuò)散，而在擴(kuò)散邊界層內(nèi)分子擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，因此測點(diǎn)距離沉積物-水界面很近，因此基于上述分析可得：

圖1沉積物-水界面物質(zhì)垂向傳輸方式示意圖

式（5）說明沉積物-水界面處的物質(zhì)通量可以用靠近沉積物處水體中某點(diǎn)的垂向流速與溶質(zhì)濃度的協(xié)方差來表示?？紤]到測量穩(wěn)定性，通常需進(jìn)行較長時段測量，因此沉積物-水界面物質(zhì)通量：，其中n為時段內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)。

圖2試驗裝置及渦動相關(guān)系統(tǒng)示意圖（單位：cm）

2.2渦動相關(guān)系統(tǒng)構(gòu)建

本文采用的渦動相關(guān)系統(tǒng)（圖2）由流速測量模塊和溶解氧測量模塊兩部分構(gòu)成。流速測量模塊選用聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀Vector6MHz（簡稱ADV），可以測量固定點(diǎn)的三維流速、流向、水壓、水溫、水深、波高等指標(biāo)。ADV內(nèi)置電源和數(shù)據(jù)存儲裝置，提供兩個模擬通道，采樣頻率為1～64 Hz，采樣體位于信號發(fā)射端正下方15 cm處，為直徑15 mm，高度5～20 mm的近似圓柱水體；溶解氧測量模塊選用快速響應(yīng)的ARO-EC型溶解氧傳感器，可以測量固定點(diǎn)的溶解氧濃度及水溫。ARO-EC材質(zhì)為鈦，尖端直徑12 mm，長164 mm，基于熒光壽命法進(jìn)行溶解氧測量，在測量過程中不會引起信號漂移，可滿足長時間觀測需要。同時ARO-EC為溶解氧溫度雙傳感器，響應(yīng)時間均小于0.5 s，可實現(xiàn)溶解氧的快速矯正，提高測量準(zhǔn)確性。ADV與ARO-EC通過水密電纜連接，ADV通過電纜控制ARO-EC工作并為其供電，ARO-EC可將測量數(shù)據(jù)通過電纜傳輸給ADV并進(jìn)行保存，兩者協(xié)同工作，實現(xiàn)流速和溶解氧的同步測量。

3、材料與方法

3.1試驗裝置

試驗裝置如圖2所示，該試驗裝置為長×寬×高=9.3 m×0.8 m×1.2 m的長方體有機(jī)玻璃水槽，水槽采用自循環(huán)系統(tǒng)，分為上下兩層，下層用于蓄水，上層為試驗區(qū)域，中間用底板隔開，水體通過水泵在上下水箱中循環(huán)流動，試驗過程中無外界水流流入流出。水槽上部鋪設(shè)滑軌，并架設(shè)儀器固定支架，該支架用于固定渦動測量系統(tǒng)并可確保其在x、y、z三個方向移動。

試驗沉積物取自天津大學(xué)北洋園校區(qū)青年湖，為盡可能接近渦動相關(guān)法的適用環(huán)境，參照Donis等的處理方法，試驗前將底泥中的植物去除后均勻平鋪于盛泥盒中，厚度約為5 cm，并用青年湖湖水進(jìn)行7天的靜置培養(yǎng)。

3.2試驗設(shè)計

整理渦動相關(guān)法應(yīng)用的流速條件，確定在0～10 cm/s的流速范圍對沉積物-水界面處的溶解氧垂向分布及氧通量進(jìn)行測量。試驗通過調(diào)節(jié)出水口處跌坎高度將水槽水深控制在30 cm；調(diào)節(jié)水泵閥門并讀取流量計讀數(shù)控制水槽入流流量進(jìn)而計算得到相應(yīng)試驗流速，在0.65 cm/s、0.96 cm/s、3.09 cm/s、5.25 cm/s、8.35 cm/s和9.69 cm/s共6組水平流速條件下分別進(jìn)行如下測量：

（1）沉積物-水界面處溶解氧垂向分布測量：以5 min為周期進(jìn)行間歇采樣，每個周期包括3 min采樣時段和2 min休眠時段，采樣頻率為64 Hz，采樣模式由ADV控制，在休眠時段通過調(diào)節(jié)支架高度控制溶解氧傳感器的垂向位置。

（2）沉積物-水界面處氧通量測量：采用連續(xù)測量模式，每次測量時長為30 min，采樣頻率64 Hz，參考Chotikarn等在室內(nèi)試驗中渦動相關(guān)系統(tǒng)的布置方式，本試驗測點(diǎn)位于沉積物上方5cm處，ARO-EC探頭位于ADV采樣體下游約2 cm處，且與ADV豎軸夾角為45°（圖2），每組水平流速平行測量4次。