摘要：沉積物-水界面是物質參與環境地球化學循環和生物耦合的"熱區",水動力條件是沉積物-水界面物質交換的關鍵影響因素。溶解氧作為常用的水質評價指標,對調節生物化學進程有重要作用,因此本文采用渦動相關法這種非侵入式通量測量技術開展室內試驗研究,探究沉積物-水界面氧通量與水動力條件的響應關系。結果表明:隨著水體紊動增加(采用Batchelor尺度表征),擴散邊界層厚度減小,氧通量增大。分析室內試驗和相關研究中水動力條件、擴散邊界層厚度及氧通量的關系,發現擴散邊界層厚度與Batchelor尺度呈正相關關系,擬合結果表明可以用Batchelor尺度近似表示擴散邊界層厚度;氧通量與擴散邊界層厚度呈負相關關系,且當擴散邊界層厚度小于0.5 mm時,擴散邊界層厚度變化對氧通量影響更強烈,當厚度大于0.5 mm后,氧通量基本保持穩定。

1、研究背景

沉積物-水界面（Sediment-Water Interface，SWI）作為水生態系統中的關鍵界面之一，是沉積物和水體之間物質垂向交換的主要場所，關于其物質通量的研究一直是國際上關注的熱點問題。溶解氧作為評價水體水質的常用指標，對于水生生物的生存、水體自凈功能的維持等起著關鍵作用。SWI氧通量由于被廣泛用于評估底棲生物的初級生產力、有機物礦化率，因此對研究水體物質循環、富營養化治理、生態系統功能等都具有重要意義。

目前關于SWI氧通量的研究集中于分析通量與沉積物和水體中物質含量的關系。研究表明，沉積物有機物質含量、水體底部溶解氧濃度、泥沙粒徑和葉綠素含量等因素均會對SWI氧通量產生影響。潘延鑫等對農田排水溝的SWI氧通量觀測發現，上下游界面氧通量的差異可能與有機質、鹽分含量及微生物活動等有關，但由于試驗過程中水體處于靜置狀態，因此水動力條件同樣可能是影響界面氧傳輸的重要因素。Koopmans和鄭陽華等通過原位和試驗研究均發現SWI氧通量隨水平流速增大相應增大，Scalo等在構建氧通量代數模型中也將摩擦流速作為主要輸入參數。從水動力條件對氧通量的影響機制來看，目前有學者提出水動力條件可能通過控制擴散邊界層（DBL）厚度來實現對氧通量的影響，DBL作為控制沉積物-水界面物質垂向交換的主要瓶頸，與摩擦流速、雷諾數、Batchelor尺度等水動力條件關系密切，但結論多為定性描述。

對SWI氧通量的測量一般可采用水底培養箱法、微電極剖面法和渦動相關法等。水底培養箱法通過分析封閉沉積物及其上覆水中溶解氧隨時間的變化規律評估氧通量，該方法影響了觀測區域與周圍水體間水流交換，Brink等通過內部自帶的水流動力裝置模擬實際流動，依然難以還原真實水動力條件。微電極剖面法將微電極緩慢刺入沉積物內，根據溶解氧在沉積物-水界面的垂向分布得到氧通量，該方法雖然其垂直分辨率很高，但一般僅能獲取垂向梯度的氧通量信息，難以反映地形變化、生物活動等對氧通量的影響；該方法的測量結果還存在偶然性，R?y等發現三維的氧通量測量結果比一維條件下高約10%。針對上述測量技術的不足，Berg等首次將渦動相關法應用于SWI氧通量測量，通過直接測量靠近沉積物表面處水體中流速與溶解氧值獲得氧通量，可反映5～100 m2測量區域（也稱測量足跡）內的氧通量信息。這一方法由于對水動力條件影響小，因此在研究氧通量與水動力條件響應關系方面顯示出獨特優勢。

本文基于渦動相關法理論基礎，采用溶解氧傳感器和聲學多普勒點式流速儀構建了非侵入式渦動相關系統。通過室內試驗對不同水平流速條件下溶解氧在沉積物-水界面的垂向分布進行觀測，獲得了擴散邊界層厚度；根據垂向流速與溶解氧濃度的實時測量結果得到了SWI氧通量，并詳細介紹了氧通量求解過程及關鍵參數處理方法。將本文及相關研究中水動力條件、擴散邊界層厚度及氧通量進行擬合，得到了SWI氧通量與不同水動力條件間的定量響應關系，成果可以為SWI氧通量對水動力條件的響應機理研究提供參考。