4.3氧通量、DBL厚度和水動力條件的關(guān)系

由不同水平流速下溶解氧在沉積物-水界面附近的垂向分布可以看出，DBL厚度隨水平流速增大而減小，選取Batchelor尺度對DBL厚度進(jìn)行參數(shù)化，Batchelor尺度表達(dá)式為：

圖10 DBL厚度與Batchelor尺度的關(guān)系

為分析水動力條件對DBL厚度的影響，將DBL厚度與Batchelor尺度進(jìn)行線性擬合（圖10，藍(lán)色擬合線），可以看出，DBL厚度隨Batchelor尺度的增大線性增大，兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，擬合關(guān)系式為δDBL1=0.96L*B1+0.04，相關(guān)系數(shù)為0.86。由于Batchelor尺度可以表征湍擴(kuò)散作用下標(biāo)量波動所能保持的最小長度尺度，因此上述擬合關(guān)系式表明水動力條件對DBL厚度影響顯著。考慮到DBL厚度較難直接測量，而計(jì)算Batchelor尺度的相關(guān)參數(shù)較容易獲取，因此對DBL厚度進(jìn)行參數(shù)化描述。整理相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果并根據(jù)式（7）得到Batchelor尺度。將相關(guān)試驗(yàn)中DBL厚度與Batchelor尺度關(guān)系進(jìn)行線性擬合（圖10，紅色擬合線），可以看出，本文和相關(guān)試驗(yàn)擬合曲線較為一致，擬合關(guān)系式為δDBL2=0.89L*B2+0.08，相關(guān)系數(shù)為0.80?？紤]到相關(guān)研究中未對影響運(yùn)動黏滯系數(shù)和分子擴(kuò)散系數(shù)的水溫條件進(jìn)行實(shí)時觀測，因此Batchelor尺度計(jì)算值與實(shí)際情況可能存在偏差。但整體而言，本文與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果擬合公式中的參數(shù)非常接近，兩擬合公式均說明Batch?elor尺度與DBL厚度基本呈正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)約為0.9），因此在實(shí)際應(yīng)用中可用Batchelor尺度近似表示DBL厚度。

為進(jìn)一步研究DBL厚度對氧通量的影響，將本文氧通量與DBL厚度進(jìn)行線性擬合（圖11，藍(lán)色擬合線）。可以看出，氧通量隨DBL厚度的減小線性增大，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合關(guān)系式為，相關(guān)系數(shù)為0.90，說明氧通量與DBL厚度變化密切相關(guān)。整理相關(guān)研究中氧通量與DBL厚度并進(jìn)行線性擬合（圖11，紅色擬合線），擬合關(guān)系式為相關(guān)系數(shù)為0.73。對比兩擬合曲線，發(fā)現(xiàn)本文試驗(yàn)擬合曲線略高于相關(guān)試驗(yàn)擬合曲線，這可能是由于室內(nèi)試驗(yàn)過程中排除了生物活動的影響所致。但整體而言，兩條擬合曲線的變化趨勢較為一致：當(dāng)DBL厚度小于0.5 mm左右時，DBL厚度變化對氧通量影響更強(qiáng)烈，氧通量隨DBL厚度減小迅速增大；DBL大于0.5 mm左右時，氧通量基本保持穩(wěn)定。本文試驗(yàn)的DBL厚度范圍為0.08～0.52 mm，最大DBL厚度對應(yīng)的水平流速為0.65 cm/s，結(jié)合Glud等的試驗(yàn)結(jié)果，可以說明DBL厚度大于0.5 mm左右時，氧通量基本保持不變。

圖11氧通量與DBL厚度的關(guān)系

4.4討論

通過將本文與相關(guān)研究結(jié)果對比，可以發(fā)現(xiàn)盡管不同研究中的沉積物的有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度等條件存在差異，但水動力條件、擴(kuò)散邊界層厚度、氧通量三者間的變化規(guī)律接近，即水動力條件對DBL厚度影響顯著，Batchelor尺度與DBL厚度基本一致；DBL厚度在小于0.5mm時對氧通量影響劇烈，大于0.5 mm時，氧通量基本保持穩(wěn)定。分析其原因一方面可能是由于物質(zhì)通過分子擴(kuò)散、彌散及湍流擴(kuò)散三種作用在SWI進(jìn)行傳輸，而在沉積物滲透雷諾數(shù)較高的環(huán)境下，最易受水動力條件影響的湍流擴(kuò)散會成為物質(zhì)在SWI垂向交換的主導(dǎo)方式。另外，在其它因素較為穩(wěn)定的情況下，水動力條件會引發(fā)擴(kuò)散邊界層厚度的改變，而SWI物質(zhì)的垂向交換必須經(jīng)由擴(kuò)散邊界層，使得其厚度變化較總氮、總磷、葉綠素含量等對SWI氧通量的影響更為直接。因此表現(xiàn)出水動力條件會在某種程度上“掩蓋”其余因素對氧通量的影響，對于這一現(xiàn)象Murniati等也有類似闡述?？紤]到多年來人們對于SWI的物質(zhì)通量交換大多采用Ber?ner等于1980年建立的反應(yīng)-輸運(yùn)模型（Reaction-Transport Model，RTM）進(jìn)行描述。在這一模型中擴(kuò)散層厚度是關(guān)鍵影響參數(shù)，因此本文得出的水動力條件可以通過改變擴(kuò)散邊界層厚度進(jìn)而影響氧通量的定量規(guī)律，也可適用于氨氮、硝酸鹽、可溶性有機(jī)碳等其它溶質(zhì)在SWI的交換規(guī)律研究。

本文對DBL厚度進(jìn)行參數(shù)化時依據(jù)相關(guān)研究中湍流耗散率的參考高度進(jìn)行Batchelor尺度的計(jì)算，關(guān)于Batchelor尺度與DBL厚度的內(nèi)在聯(lián)系尚待深入研究。此外，盡管不同環(huán)境條件下氧通量與DBL厚度的變化趨勢一致，但是DBL厚度對應(yīng)的氧通量存在差異，這可能與水體及沉積物性質(zhì)有關(guān)，后期可加強(qiáng)氧通量與孔隙度、滲透性、有機(jī)質(zhì)含量、營養(yǎng)鹽濃度等靜態(tài)因素間響應(yīng)關(guān)系的研究。

5結(jié)論

本文圍繞沉積物氧通量與水動力條件間響應(yīng)關(guān)系問題，較為系統(tǒng)地闡述了渦動相關(guān)法的原理及實(shí)現(xiàn)方法，基于此開展了不同水動力條件下擴(kuò)散邊界層厚度及氧通量變化的試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）隨著水平流速的增加，擴(kuò)散邊界層厚度逐漸減小，氧通量逐漸增大。水平流速為0.65～9.69 cm/s時，擴(kuò)散邊界層厚度為0.52～0.08 mm，氧通量為-2.95±0.55～-25.12±2.64 mmol/（m2·d）。

（2）水動力條件對擴(kuò)散邊界層厚度的影響明顯，擴(kuò)散邊界層厚度與Batchelor尺度呈正相關(guān)關(guān)系?？紤]到擴(kuò)散邊界層厚度較難直接測量，而計(jì)算Batchelor尺度的相關(guān)參數(shù)較容易獲取，因此實(shí)際應(yīng)用中可采用Batchelor尺度近似表示擴(kuò)散邊界層厚度。

（3）當(dāng)擴(kuò)散邊界層厚度小于0.5 mm左右時，擴(kuò)散邊界層厚度變化對氧通量影響更強(qiáng)烈，氧通量隨擴(kuò)散邊界層厚度減小迅速增大；當(dāng)擴(kuò)散邊界層厚度大于0.5 mm左右時，氧通量基本保持穩(wěn)定。