2、涡动相关法


2.1理论基础


涡动相关法最早可追溯到1950年代，起初该方法多用于分析物质、动量、热量等在陆-气、海-气边界层的交换。2003年Berg等首次将其应用于沉积物-水界面的氧通量测量，此后陆续有学者在水底边界层这一特定环境下对其理论进行改进，并开展了相关研究。涡动相关法通过计算垂向流速与其它物理要素的协方差从而得到物质通量，基于质量守恒方程，溶质在控制体中满足：

式中：C为控制体内溶质浓度；uj=(u，v，w)为流速，j为正交直角坐标系的三个方向；Dc为分子扩散系数，m2/s；Sc为控制体内溶质的源汇项；为控制体内溶质浓度的变化速率。


采用雷诺分解，将具有紊动特性的物理量分解为时均值和紊动值，即，代入式（1）得到：


假设沉积物-水界面高度为z0，测点高度为zm，对式（3）两端同时进行积分可得：


由沉积物-水界面的物质垂向传输方式（图1）可知，在扩散边界层（DBL）上部水体中物质的垂向传输机制主要为湍流扩散，而在扩散边界层内分子扩散起主导作用，因此测点距离沉积物-水界面很近，因此基于上述分析可得：

图1沉积物-水界面物质垂向传输方式示意图


式（5）说明沉积物-水界面处的物质通量可以用靠近沉积物处水体中某点的垂向流速与溶质浓度的协方差来表示。考虑到测量稳定性，通常需进行较长时段测量，因此沉积物-水界面物质通量：，其中n为时段内数据个数。

图2试验装置及涡动相关系统示意图（单位：cm）


2.2涡动相关系统构建


本文采用的涡动相关系统（图2）由流速测量模块和溶解氧测量模块两部分构成。流速测量模块选用声学多普勒点式流速仪Vector6MHz（简称ADV），可以测量固定点的三维流速、流向、水压、水温、水深、波高等指标。ADV内置电源和数据存储装置，提供两个模拟通道，采样频率为1～64 Hz，采样体位于信号发射端正下方15 cm处，为直径15 mm，高度5～20 mm的近似圆柱水体；溶解氧测量模块选用快速响应的ARO-EC型溶解氧传感器，可以测量固定点的溶解氧浓度及水温。ARO-EC材质为钛，尖端直径12 mm，长164 mm，基于荧光寿命法进行溶解氧测量，在测量过程中不会引起信号漂移，可满足长时间观测需要。同时ARO-EC为溶解氧温度双传感器，响应时间均小于0.5 s，可实现溶解氧的快速矫正，提高测量准确性。ADV与ARO-EC通过水密电缆连接，ADV通过电缆控制ARO-EC工作并为其供电，ARO-EC可将测量数据通过电缆传输给ADV并进行保存，两者协同工作，实现流速和溶解氧的同步测量。


3、材料与方法


3.1试验装置


试验装置如图2所示，该试验装置为长×宽×高=9.3 m×0.8 m×1.2 m的长方体有机玻璃水槽，水槽采用自循环系统，分为上下两层，下层用于蓄水，上层为试验区域，中间用底板隔开，水体通过水泵在上下水箱中循环流动，试验过程中无外界水流流入流出。水槽上部铺设滑轨，并架设仪器固定支架，该支架用于固定涡动测量系统并可确保其在x、y、z三个方向移动。


试验沉积物取自天津大学北洋园校区青年湖，为尽可能接近涡动相关法的适用环境，参照Donis等的处理方法，试验前将底泥中的植物去除后均匀平铺于盛泥盒中，厚度约为5 cm，并用青年湖湖水进行7天的静置培养。


3.2试验设计


整理涡动相关法应用的流速条件，确定在0～10 cm/s的流速范围对沉积物-水界面处的溶解氧垂向分布及氧通量进行测量。试验通过调节出水口处跌坎高度将水槽水深控制在30 cm；调节水泵阀门并读取流量计读数控制水槽入流流量进而计算得到相应试验流速，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组水平流速条件下分别进行如下测量：


（1）沉积物-水界面处溶解氧垂向分布测量：以5 min为周期进行间歇采样，每个周期包括3 min采样时段和2 min休眠时段，采样频率为64 Hz，采样模式由ADV控制，在休眠时段通过调节支架高度控制溶解氧传感器的垂向位置。


（2）沉积物-水界面处氧通量测量：采用连续测量模式，每次测量时长为30 min，采样频率64 Hz，参考Chotikarn等在室内试验中涡动相关系统的布置方式，本试验测点位于沉积物上方5cm处，ARO-EC探头位于ADV采样体下游约2 cm处，且与ADV竖轴夹角为45°（图2），每组水平流速平行测量4次。