涡动相关技术自其从微气象领域移植到水环境领域以来，已成功用于开展沉积物水界面通量的原位、长效、非侵入式观测，并展现出测量范围广、时间精度高和对不同底质适应性良好等优势，为河流、湖泊、水库、海岸和深海等环境的沉积物水界面通量评估提供了新的选择。目前，水环境涡动相关技术已被应用于水利工程、湖沼科学和环境科学等领域，为水体水质修复、生态系统代谢评估、潜流交换速率测量和冰水界面通量观测等研究方向提供了可靠的技术支撑。


水环境涡动相关技术的应用方向


a.水体环境修复。


沉积物水界面各类通量在水体富营养化、重金属及有机污染等灾害事件中扮演着重要角色，对于受污染水体的水质修复具有重要意义。例如，溶解氧通量直接关系着界面氧化还原条件和生化反应进程，在一定程度上决定了污染物在界面处的转换方向，且不同污染物对氧通量表现出不同的源汇规律。同时，探究沉积物水界面通量对流速、水深、浓度、pH值和光照等环境因子的响应规律，有利于完善数值模拟的边界条件，提升水质模型预测结果的准确性。当前也有学者开始尝试借助深度信念网络等机器学习方法开展湍流通量的空间升尺度研究，即将有限足迹的涡动相关观测结果外推到整个研究区域，获得区域上连续的界面通量分布情况。


b.生态系统代谢评估。


在利用涡动相关技术测量溶解氧通量的同时记录环境光合有效辐射强度，可定量分析底栖生态系统群落的代谢强度和能量收支。考虑一日内总氧通量等于光合作用生成量与呼吸作用消耗量之和，则可由光照时长计算总初级生产力及净生态系统代谢。进一步地，结合生态学模型可建立代谢强度与环境因子之间的关系，例如，根据光合辐射强度曲线可以得到光合作用速率与光合辐射强度之间的双曲正切模型，从而通过拟合观测数据得到最大底栖产氧速率等特征量;呼吸作用相比之下较为复杂，它包括有机物的分解以及NH4+、Mn2+、Fe2+、H2 S和FeS分解产物的氧化或腐化过程，可将其简化为对底部流速的线性模型。


c.潜流交换研究。


将温度或电导率视作“物质浓度”并进行测量，则可通过涡动相关技术计算沉积物水界面的温盐通量，而这种通量常常受潜流交换的驱动。潜流交换大多以平流的形式进行，其速度通常远小于水底边界层流速，因而其垂向交换由湍流扩散主导，即适用于涡动相关技术;但是，涡动相关观测只能用于两侧水体温盐状态不同的情况。根据热通量和盐通量均可推求控制体内的潜流通量，两者互为参考，可为寻找沿海地区非点源物质的运输路径提供支持，并对环境管理决策提供依据。


d.其他固液界面的应用。


除了沉积物水界面，涡动相关技术也可用于冰水界面及其他固液界面的通量观测。当光照条件适宜时，微小藻类通常聚集在冰水界面附近，既通过光合作用为封闭水环境供氧，也为表层鱼类提供食物并在大量聚集后下沉为底层群落提供生存机会。因此，该技术也被用于研究冰水界面的群落代谢及其对冰体温度和光照强度等环境因素的响应，但在放置观测系统时需要颠倒安装并考虑冰层的发育情况。


此外，通过分析各类通量可研究表层水体中碳和营养物等关键物质的生物地球化学转化过程，为来年开春后的水质控制提供参考。


水环境涡动相关技术面临的挑战


a.原理限制———不符合理想的应用环境。


实际观测环境偏离技术原理要求的问题可能限制涡动相关技术的应用，需要针对性地提出解决方法。例如，对于不能视作均质下垫面的河床，可以适当增大观测高度从而令各异质源区释放的物质经历足够长的路径达到充分混合;对于不能忽略分子扩散的低流速环境，可以尝试结合微电极剖面技术进行扩散模式识别;对于难以确定主流的风生流环境，可以在观测系统上增加水翼使其自适应水流方向或设计机动装置以主动调姿。


b.仪器限制———不适应多通量长效观测。


理论上，涡动相关技术能够测量沉积物水界面包括能量、动量和各类物质质量在内的多类型通量，但目前能够原位观测的水质指标有限，且部分指标在技术上难以提升观测频率，从而限制了该技术在通量观测类型上的扩展。同时，为实现原位长效观测，传感器需具有高鲁棒性，能够抵御恶劣且多变的野外环境，同时避免藻类附着等问题。尽管如此，近年来专为水环境涡动相关技术开发的传感器正逐渐上市，结合外部供电和数传设备的涡动相关系统能够实现连续6个月的温氧通量原位观测，该技术具有原位长效开展多通量观测的潜力。


c.计算限制———难以规范数据处理流程。


目前水环境涡动相关观测数据的处理并没有统一的流程或方法，滑动窗口长度和时滞移动时间等参量的确定在一定程度上带有主观因素，这为长时段观测数据的批量处理带来了困难，且降低了不同研究数据之间的可交流性。但近期Bluteau等学者提出了通过识别耗散率以计算协方差的惯性耗散法，该方法颠覆了传统的计算路径，避免了计算参量的主观选取，甚至在一定程度上突破了涡动相关技术对传感器的依赖和受流速环境的限制。虽然这一计算方法还未得到广泛应用，但仍是今后涡动数据处理技术的发展方向或质量评价的分析依据。


结语


水环境涡动相关技术具有其理论适用条件，并对传感器性能和数据处理方法提出了较高的要求。


目前，该技术主要推荐用于下垫面水平均匀、动力条件较强和存在明显主流方向的水环境，且大多用于测量沉积物水界面的溶解氧通量，这些因素在一定程度上限制了涡动相关技术的推广与应用。计算涡动相关通量时，需要修正由于仪器安装带来的误差、识别对湍流通量有贡献的多尺度涡旋并从观测数据中准确分离出湍动序列，但目前并没有统一的计算方法及流程，且质量评价、足迹分析等后处理技术仍有待进一步研发。


经过近20年的发展与实践，涡动相关技术已经成为一项适合于开展沉积物水界面通量原位观测的可靠技术。未来随着涡动传感器的开发、机械调姿功能的增加及数值模拟和湍流信号处理方法的进步，水环境涡动相关技术将有较为广阔的应用空间。

Unisense采用涡动相关法开发了一款测量水土界面氧气交换通量、硫化氢交换通量、温度和电阻率交换通量的仪器----水底涡动相关系统。该技术不会扰动沉积物、完全考虑了波浪对沉积物的影响，可以连续监测沉积物水动力边界层、海草床、珊瑚礁等地点的垂直氧气通量，是沉积物孔隙水剖面法和水底原位箱法的补充。将来会成为测量界面氧通量的标准方法。