摘要：沉积物-水界面是物质参与环境地球化学循环和生物耦合的"热区",水动力条件是沉积物-水界面物质交换的关键影响因素。溶解氧作为常用的水质评价指标,对调节生物化学进程有重要作用,因此本文采用涡动相关法这种非侵入式通量测量技术开展室内试验研究,探究沉积物-水界面氧通量与水动力条件的响应关系。结果表明:随着水体紊动增加(采用Batchelor尺度表征),扩散边界层厚度减小,氧通量增大。分析室内试验和相关研究中水动力条件、扩散边界层厚度及氧通量的关系,发现扩散边界层厚度与Batchelor尺度呈正相关关系,拟合结果表明可以用Batchelor尺度近似表示扩散边界层厚度;氧通量与扩散边界层厚度呈负相关关系,且当扩散边界层厚度小于0.5 mm时,扩散边界层厚度变化对氧通量影响更强烈,当厚度大于0.5 mm后,氧通量基本保持稳定。


1、研究背景


沉积物-水界面（Sediment-Water Interface，SWI）作为水生态系统中的关键界面之一，是沉积物和水体之间物质垂向交换的主要场所，关于其物质通量的研究一直是国际上关注的热点问题。溶解氧作为评价水体水质的常用指标，对于水生生物的生存、水体自净功能的维持等起着关键作用。SWI氧通量由于被广泛用于评估底栖生物的初级生产力、有机物矿化率，因此对研究水体物质循环、富营养化治理、生态系统功能等都具有重要意义。


目前关于SWI氧通量的研究集中于分析通量与沉积物和水体中物质含量的关系。研究表明，沉积物有机物质含量、水体底部溶解氧浓度、泥沙粒径和叶绿素含量等因素均会对SWI氧通量产生影响。潘延鑫等对农田排水沟的SWI氧通量观测发现，上下游界面氧通量的差异可能与有机质、盐分含量及微生物活动等有关，但由于试验过程中水体处于静置状态，因此水动力条件同样可能是影响界面氧传输的重要因素。Koopmans和郑阳华等通过原位和试验研究均发现SWI氧通量随水平流速增大相应增大，Scalo等在构建氧通量代数模型中也将摩擦流速作为主要输入参数。从水动力条件对氧通量的影响机制来看，目前有学者提出水动力条件可能通过控制扩散边界层（DBL）厚度来实现对氧通量的影响，DBL作为控制沉积物-水界面物质垂向交换的主要瓶颈，与摩擦流速、雷诺数、Batchelor尺度等水动力条件关系密切，但结论多为定性描述。


对SWI氧通量的测量一般可采用水底培养箱法、微电极剖面法和涡动相关法等。水底培养箱法通过分析封闭沉积物及其上覆水中溶解氧随时间的变化规律评估氧通量，该方法影响了观测区域与周围水体间水流交换，Brink等通过内部自带的水流动力装置模拟实际流动，依然难以还原真实水动力条件。微电极剖面法将微电极缓慢刺入沉积物内，根据溶解氧在沉积物-水界面的垂向分布得到氧通量，该方法虽然其垂直分辨率很高，但一般仅能获取垂向梯度的氧通量信息，难以反映地形变化、生物活动等对氧通量的影响；该方法的测量结果还存在偶然性，Røy等发现三维的氧通量测量结果比一维条件下高约10%。针对上述测量技术的不足，Berg等首次将涡动相关法应用于SWI氧通量测量，通过直接测量靠近沉积物表面处水体中流速与溶解氧值获得氧通量，可反映5～100 m2测量区域（也称测量足迹）内的氧通量信息。这一方法由于对水动力条件影响小，因此在研究氧通量与水动力条件响应关系方面显示出独特优势。


本文基于涡动相关法理论基础，采用溶解氧传感器和声学多普勒点式流速仪构建了非侵入式涡动相关系统。通过室内试验对不同水平流速条件下溶解氧在沉积物-水界面的垂向分布进行观测，获得了扩散边界层厚度；根据垂向流速与溶解氧浓度的实时测量结果得到了SWI氧通量，并详细介绍了氧通量求解过程及关键参数处理方法。将本文及相关研究中水动力条件、扩散边界层厚度及氧通量进行拟合，得到了SWI氧通量与不同水动力条件间的定量响应关系，成果可以为SWI氧通量对水动力条件的响应机理研究提供参考。