4.3氧通量、DBL厚度和水动力条件的关系


由不同水平流速下溶解氧在沉积物-水界面附近的垂向分布可以看出，DBL厚度随水平流速增大而减小，选取Batchelor尺度对DBL厚度进行参数化，Batchelor尺度表达式为：

图10 DBL厚度与Batchelor尺度的关系


为分析水动力条件对DBL厚度的影响，将DBL厚度与Batchelor尺度进行线性拟合（图10，蓝色拟合线），可以看出，DBL厚度随Batchelor尺度的增大线性增大，两者呈显著正相关关系，拟合关系式为δDBL1=0.96L*B1+0.04，相关系数为0.86。由于Batchelor尺度可以表征湍扩散作用下标量波动所能保持的最小长度尺度，因此上述拟合关系式表明水动力条件对DBL厚度影响显著。考虑到DBL厚度较难直接测量，而计算Batchelor尺度的相关参数较容易获取，因此对DBL厚度进行参数化描述。整理相关试验结果并根据式（7）得到Batchelor尺度。将相关试验中DBL厚度与Batchelor尺度关系进行线性拟合（图10，红色拟合线），可以看出，本文和相关试验拟合曲线较为一致，拟合关系式为δDBL2=0.89L*B2+0.08，相关系数为0.80。考虑到相关研究中未对影响运动黏滞系数和分子扩散系数的水温条件进行实时观测，因此Batchelor尺度计算值与实际情况可能存在偏差。但整体而言，本文与相关试验结果拟合公式中的参数非常接近，两拟合公式均说明Batch⁃elor尺度与DBL厚度基本呈正相关关系（相关系数约为0.9），因此在实际应用中可用Batchelor尺度近似表示DBL厚度。


为进一步研究DBL厚度对氧通量的影响，将本文氧通量与DBL厚度进行线性拟合（图11，蓝色拟合线）。可以看出，氧通量随DBL厚度的减小线性增大，两者呈现负相关关系，拟合关系式为，相关系数为0.90，说明氧通量与DBL厚度变化密切相关。整理相关研究中氧通量与DBL厚度并进行线性拟合（图11，红色拟合线），拟合关系式为相关系数为0.73。对比两拟合曲线，发现本文试验拟合曲线略高于相关试验拟合曲线，这可能是由于室内试验过程中排除了生物活动的影响所致。但整体而言，两条拟合曲线的变化趋势较为一致：当DBL厚度小于0.5 mm左右时，DBL厚度变化对氧通量影响更强烈，氧通量随DBL厚度减小迅速增大；DBL大于0.5 mm左右时，氧通量基本保持稳定。本文试验的DBL厚度范围为0.08～0.52 mm，最大DBL厚度对应的水平流速为0.65 cm/s，结合Glud等的试验结果，可以说明DBL厚度大于0.5 mm左右时，氧通量基本保持不变。

图11氧通量与DBL厚度的关系


4.4讨论


通过将本文与相关研究结果对比，可以发现尽管不同研究中的沉积物的有机质含量、孔隙度等条件存在差异，但水动力条件、扩散边界层厚度、氧通量三者间的变化规律接近，即水动力条件对DBL厚度影响显著，Batchelor尺度与DBL厚度基本一致；DBL厚度在小于0.5mm时对氧通量影响剧烈，大于0.5 mm时，氧通量基本保持稳定。分析其原因一方面可能是由于物质通过分子扩散、弥散及湍流扩散三种作用在SWI进行传输，而在沉积物渗透雷诺数较高的环境下，最易受水动力条件影响的湍流扩散会成为物质在SWI垂向交换的主导方式。另外，在其它因素较为稳定的情况下，水动力条件会引发扩散边界层厚度的改变，而SWI物质的垂向交换必须经由扩散边界层，使得其厚度变化较总氮、总磷、叶绿素含量等对SWI氧通量的影响更为直接。因此表现出水动力条件会在某种程度上“掩盖”其余因素对氧通量的影响，对于这一现象Murniati等也有类似阐述。考虑到多年来人们对于SWI的物质通量交换大多采用Ber⁃ner等于1980年建立的反应-输运模型（Reaction-Transport Model，RTM）进行描述。在这一模型中扩散层厚度是关键影响参数，因此本文得出的水动力条件可以通过改变扩散边界层厚度进而影响氧通量的定量规律，也可适用于氨氮、硝酸盐、可溶性有机碳等其它溶质在SWI的交换规律研究。


本文对DBL厚度进行参数化时依据相关研究中湍流耗散率的参考高度进行Batchelor尺度的计算，关于Batchelor尺度与DBL厚度的内在联系尚待深入研究。此外，尽管不同环境条件下氧通量与DBL厚度的变化趋势一致，但是DBL厚度对应的氧通量存在差异，这可能与水体及沉积物性质有关，后期可加强氧通量与孔隙度、渗透性、有机质含量、营养盐浓度等静态因素间响应关系的研究。


5结论


本文围绕沉积物氧通量与水动力条件间响应关系问题，较为系统地阐述了涡动相关法的原理及实现方法，基于此开展了不同水动力条件下扩散边界层厚度及氧通量变化的试验研究，主要结论如下：


（1）随着水平流速的增加，扩散边界层厚度逐渐减小，氧通量逐渐增大。水平流速为0.65～9.69 cm/s时，扩散边界层厚度为0.52～0.08 mm，氧通量为-2.95±0.55～-25.12±2.64 mmol/（m2·d）。


（2）水动力条件对扩散边界层厚度的影响明显，扩散边界层厚度与Batchelor尺度呈正相关关系。考虑到扩散边界层厚度较难直接测量，而计算Batchelor尺度的相关参数较容易获取，因此实际应用中可采用Batchelor尺度近似表示扩散边界层厚度。


（3）当扩散边界层厚度小于0.5 mm左右时，扩散边界层厚度变化对氧通量影响更强烈，氧通量随扩散边界层厚度减小迅速增大；当扩散边界层厚度大于0.5 mm左右时，氧通量基本保持稳定。