4、結(jié)果與分析

4.1溶解氧在沉積物-水界面的垂向分布

試驗(yàn)選用的ARO-EC型溶解氧微電極在垂向移動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)破壞沉積物結(jié)構(gòu)，為減小儀器在沉積物中的移動(dòng)距離，有效降低儀器對(duì)沉積物結(jié)構(gòu)的破壞，因此采用與J?rgensen等類似做法測(cè)量溶解氧的垂向分布，進(jìn)而分析不同水動(dòng)力條件下DBL厚度的變化規(guī)律。具體操作如下：

（1）確定DBL下邊界。從沉積物上方2 mm處向下移動(dòng)溶解氧傳感器，通過(guò)多次平行測(cè)量獲得溶解氧在沉積物-水界面較完整的垂向分布。圖3為水平流速8.44 cm/s下溶解氧的垂向分布情況，可以看出，不同高度處的溶解氧濃度的變化情況存在明顯差異，在DBL以上溶解氧沿垂向基本不變，當(dāng)進(jìn)入DBL后溶解氧濃度隨高度減小基本呈線性減小，根據(jù)溶解氧剖面中線性分布的“拐點(diǎn)”得到DBL的下邊界，并記錄相應(yīng)高度。

圖3 SWI溶解氧的垂向分布（水平流速8.44 cm/s）

（2）測(cè)量溶解氧垂向分布。以DBL下邊界為起始高度，向上移動(dòng)溶解氧傳感器，測(cè)量不同水平流速下溶解氧在沉積物-水附近的垂向分布。圖4為溶解氧在沉積物-水界面附近不同水平流速下的垂向分布，可以看出，不同流速條件下沉積物-水界面處溶解氧的垂向分布存在明顯差異。

圖4不同水平流速下沉積物-水界面處溶解氧的垂向分布及DBL厚度

表1不同水平流速下溶解氧垂向梯度、DBL厚度和氧通量試驗(yàn)結(jié)果

（3）確定DBL厚度。利用J?rgensen等提出的方法，將溶解氧線性濃度分布擬合線進(jìn)行外延，外延線與溶解氧固定濃度的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度為DBL厚度，相應(yīng)結(jié)果列于表1。可以看出，水平流速為0.65～9.69 cm/s時(shí)，相應(yīng)的溶解氧垂向梯度為12.18～59.88 mg/（L·mm），DBL厚度為0.52～0.08 mm，DBL厚度隨流速增大而減小。分析上述現(xiàn)象原因，隨著水平流速增加，水體紊動(dòng)程度增強(qiáng)，DBL上邊界處摻混隨之加劇，這使上覆水與DBL內(nèi)溶解氧交換愈加充分，從而表現(xiàn)出DBL厚度相應(yīng)減小。

圖5確定溶解氧和垂向流速滑動(dòng)平均的窗口長(zhǎng)度

4.2溶解氧在沉積物-水界面的通量

以15 min為一時(shí)段進(jìn)行氧通量計(jì)算，首先將64 Hz的原始測(cè)量數(shù)據(jù)降噪（8 Hz），再進(jìn)行去尖峰、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)校正、紊動(dòng)值計(jì)算、時(shí)滯校正及通量計(jì)算，數(shù)據(jù)處理方法部分參照Kuwae等，下面就紊動(dòng)值計(jì)算和時(shí)滯校正進(jìn)行說(shuō)明。

4.2.1紊動(dòng)值計(jì)算

湍流紊動(dòng)值計(jì)算采用滑動(dòng)平均法，該方法中滑動(dòng)平均窗口長(zhǎng)度的選取對(duì)氧通量的計(jì)算結(jié)果影響很大，當(dāng)選取的窗口長(zhǎng)度過(guò)小，會(huì)排除大尺度的紊動(dòng)，造成通量低估；當(dāng)選取的窗口長(zhǎng)度過(guò)大，會(huì)引入非穩(wěn)定成分，使得氧通量出現(xiàn)波動(dòng)。為確定合適的窗口長(zhǎng)度，將初始窗口長(zhǎng)度設(shè)為1 s，計(jì)算該窗口長(zhǎng)度下氧通量，之后逐漸增加窗口長(zhǎng)度，重復(fù)進(jìn)行上述步驟，獲得不同窗口長(zhǎng)度下的氧通量，當(dāng)通量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的窗口長(zhǎng)度即為合適的窗口長(zhǎng)度，計(jì)算過(guò)程如圖5所示。可以看出，當(dāng)窗口長(zhǎng)度為100 s時(shí)，不同水平流速下的氧通量均可保持穩(wěn)定，因此本次試驗(yàn)選取100 s作為最終窗口長(zhǎng)度。

4.2.2時(shí)滯校正

ADV與ARO-EC空間位置分離及響應(yīng)時(shí)間不同會(huì)造成溶解氧與垂向流速信號(hào)的不同步（時(shí)滯）。根據(jù)時(shí)滯產(chǎn)生原因，時(shí)滯的理論值應(yīng)滿足下式：

式中：x為ARO-EC尖端與ADV采樣體的水平間距，2 cm；U為水平流速，cm/s；tr為ARO-EC的響應(yīng)時(shí)間，0.5 s。

由于氧通量結(jié)果對(duì)時(shí)滯取值較為敏感，而理論時(shí)滯與實(shí)際情況存在一定偏差，因此實(shí)際應(yīng)用較少采用理論值。本文參照Lorrai等的方法確定實(shí)際時(shí)滯大小，首先參照相關(guān)研究中時(shí)滯大小，確定時(shí)滯的取值為10 s，接著將溶解氧紊動(dòng)值相對(duì)于垂向流速紊動(dòng)值的時(shí)間序列進(jìn)行移動(dòng)，并計(jì)算兩者的相關(guān)性，時(shí)滯即為最大相關(guān)性所對(duì)應(yīng)的移動(dòng)時(shí)間。利用Matlab軟件中的xcorr函數(shù)進(jìn)行時(shí)滯校正。圖6為水平流速5.25 cm/s下垂向流速與溶解氧紊動(dòng)值相關(guān)性隨移動(dòng)時(shí)間的變化情況，可以看出，當(dāng)移動(dòng)時(shí)間為1.25 s時(shí)，溶解氧和垂向流速紊動(dòng)值的相關(guān)性最大，因此該水平流速下的時(shí)滯為1.25 s。采用相同方法，將不同水平流速下時(shí)滯的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行分析（圖7），可以看出，時(shí)滯隨水平流速的增大而減小且與理論值擬合情況良好。說(shuō)明理論時(shí)滯雖與實(shí)際情況存在一定偏差，但在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)流速條件得到理論時(shí)滯值后，為時(shí)滯取值范圍的確定提供參考。

圖6垂向流速與溶解氧紊動(dòng)值不同移動(dòng)時(shí)間下的相關(guān)性（水平流速5.25 cm/s)）

圖7時(shí)滯實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

圖8累計(jì)氧通量

圖9氧通量在不同水平流速下的試驗(yàn)結(jié)果

為評(píng)估氧通量的數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)15 min內(nèi)的氧通量進(jìn)行累加得到累計(jì)氧通量（圖8）。可以看出，累計(jì)氧通量有良好的線性趨勢(shì)，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程的水動(dòng)力條件穩(wěn)定，通量數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。采用相同方法，得到不同水平流速下氧通量（圖9，表1）。可以看出，水平流速為0.65～9.69 cm/s時(shí)，氧通量為-2.95±0.55～-25.12±2.64 mmol/（m2·d），氧通量均為負(fù)值，說(shuō)明測(cè)量點(diǎn)處的的沉積物以耗氧為主，并且氧通量隨水平流速增加逐漸增大。