4、結(jié)果與分析

4.1溶解氧在沉積物-水界面的垂向分布

試驗選用的ARO-EC型溶解氧微電極在垂向移動過程中可能會破壞沉積物結(jié)構，為減小儀器在沉積物中的移動距離，有效降低儀器對沉積物結(jié)構的破壞，因此采用與J?rgensen等類似做法測量溶解氧的垂向分布，進而分析不同水動力條件下DBL厚度的變化規(guī)律。具體操作如下：

（1）確定DBL下邊界。從沉積物上方2 mm處向下移動溶解氧傳感器，通過多次平行測量獲得溶解氧在沉積物-水界面較完整的垂向分布。圖3為水平流速8.44 cm/s下溶解氧的垂向分布情況，可以看出，不同高度處的溶解氧濃度的變化情況存在明顯差異，在DBL以上溶解氧沿垂向基本不變，當進入DBL后溶解氧濃度隨高度減小基本呈線性減小，根據(jù)溶解氧剖面中線性分布的“拐點”得到DBL的下邊界，并記錄相應高度。

圖3 SWI溶解氧的垂向分布（水平流速8.44 cm/s）

（2）測量溶解氧垂向分布。以DBL下邊界為起始高度，向上移動溶解氧傳感器，測量不同水平流速下溶解氧在沉積物-水附近的垂向分布。圖4為溶解氧在沉積物-水界面附近不同水平流速下的垂向分布，可以看出，不同流速條件下沉積物-水界面處溶解氧的垂向分布存在明顯差異。

圖4不同水平流速下沉積物-水界面處溶解氧的垂向分布及DBL厚度

表1不同水平流速下溶解氧垂向梯度、DBL厚度和氧通量試驗結(jié)果

（3）確定DBL厚度。利用J?rgensen等提出的方法，將溶解氧線性濃度分布擬合線進行外延，外延線與溶解氧固定濃度的交點所對應的高度為DBL厚度，相應結(jié)果列于表1?？梢钥闯?，水平流速為0.65～9.69 cm/s時，相應的溶解氧垂向梯度為12.18～59.88 mg/（L·mm），DBL厚度為0.52～0.08 mm，DBL厚度隨流速增大而減小。分析上述現(xiàn)象原因，隨著水平流速增加，水體紊動程度增強，DBL上邊界處摻混隨之加劇，這使上覆水與DBL內(nèi)溶解氧交換愈加充分，從而表現(xiàn)出DBL厚度相應減小。

圖5確定溶解氧和垂向流速滑動平均的窗口長度

4.2溶解氧在沉積物-水界面的通量

以15 min為一時段進行氧通量計算，首先將64 Hz的原始測量數(shù)據(jù)降噪（8 Hz），再進行去尖峰、坐標旋轉(zhuǎn)校正、紊動值計算、時滯校正及通量計算，數(shù)據(jù)處理方法部分參照Kuwae等，下面就紊動值計算和時滯校正進行說明。

4.2.1紊動值計算

湍流紊動值計算采用滑動平均法，該方法中滑動平均窗口長度的選取對氧通量的計算結(jié)果影響很大，當選取的窗口長度過小，會排除大尺度的紊動，造成通量低估；當選取的窗口長度過大，會引入非穩(wěn)定成分，使得氧通量出現(xiàn)波動。為確定合適的窗口長度，將初始窗口長度設為1 s，計算該窗口長度下氧通量，之后逐漸增加窗口長度，重復進行上述步驟，獲得不同窗口長度下的氧通量，當通量達到穩(wěn)定時所對應的窗口長度即為合適的窗口長度，計算過程如圖5所示?？梢钥闯觯敶翱陂L度為100 s時，不同水平流速下的氧通量均可保持穩(wěn)定，因此本次試驗選取100 s作為最終窗口長度。

4.2.2時滯校正

ADV與ARO-EC空間位置分離及響應時間不同會造成溶解氧與垂向流速信號的不同步（時滯）。根據(jù)時滯產(chǎn)生原因，時滯的理論值應滿足下式：

式中：x為ARO-EC尖端與ADV采樣體的水平間距，2 cm；U為水平流速，cm/s；tr為ARO-EC的響應時間，0.5 s。

由于氧通量結(jié)果對時滯取值較為敏感，而理論時滯與實際情況存在一定偏差，因此實際應用較少采用理論值。本文參照Lorrai等的方法確定實際時滯大小，首先參照相關研究中時滯大小，確定時滯的取值為10 s，接著將溶解氧紊動值相對于垂向流速紊動值的時間序列進行移動，并計算兩者的相關性，時滯即為最大相關性所對應的移動時間。利用Matlab軟件中的xcorr函數(shù)進行時滯校正。圖6為水平流速5.25 cm/s下垂向流速與溶解氧紊動值相關性隨移動時間的變化情況，可以看出，當移動時間為1.25 s時，溶解氧和垂向流速紊動值的相關性最大，因此該水平流速下的時滯為1.25 s。采用相同方法，將不同水平流速下時滯的實測值與理論值進行分析（圖7），可以看出，時滯隨水平流速的增大而減小且與理論值擬合情況良好。說明理論時滯雖與實際情況存在一定偏差，但在實際應用中可以根據(jù)流速條件得到理論時滯值后，為時滯取值范圍的確定提供參考。

圖6垂向流速與溶解氧紊動值不同移動時間下的相關性（水平流速5.25 cm/s)）

圖7時滯實測值與理論值對比

圖8累計氧通量

圖9氧通量在不同水平流速下的試驗結(jié)果

為評估氧通量的數(shù)據(jù)質(zhì)量，對15 min內(nèi)的氧通量進行累加得到累計氧通量（圖8）?？梢钥闯?，累計氧通量有良好的線性趨勢，說明試驗過程的水動力條件穩(wěn)定，通量數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。采用相同方法，得到不同水平流速下氧通量（圖9，表1）。可以看出，水平流速為0.65～9.69 cm/s時，氧通量為-2.95±0.55～-25.12±2.64 mmol/（m2·d），氧通量均為負值，說明測量點處的的沉積物以耗氧為主，并且氧通量隨水平流速增加逐漸增大。