4.3氧通量、DBL厚度和水動力條件的關系


由不同水平流速下溶解氧在沉積物-水界面附近的垂向分布可以看出，DBL厚度隨水平流速增大而減小，選取Batchelor尺度對DBL厚度進行參數化，Batchelor尺度表達式為：

圖10 DBL厚度與Batchelor尺度的關系


為分析水動力條件對DBL厚度的影響，將DBL厚度與Batchelor尺度進行線性擬合（圖10，藍色擬合線），可以看出，DBL厚度隨Batchelor尺度的增大線性增大，兩者呈顯著正相關關系，擬合關系式為δDBL1=0.96L*B1+0.04，相關系數為0.86。由于Batchelor尺度可以表征湍擴散作用下標量波動所能保持的最小長度尺度，因此上述擬合關系式表明水動力條件對DBL厚度影響顯著。考慮到DBL厚度較難直接測量，而計算Batchelor尺度的相關參數較容易獲取，因此對DBL厚度進行參數化描述。整理相關試驗結果并根據式（7）得到Batchelor尺度。將相關試驗中DBL厚度與Batchelor尺度關系進行線性擬合（圖10，紅色擬合線），可以看出，本文和相關試驗擬合曲線較為一致，擬合關系式為δDBL2=0.89L*B2+0.08，相關系數為0.80。考慮到相關研究中未對影響運動黏滯系數和分子擴散系數的水溫條件進行實時觀測，因此Batchelor尺度計算值與實際情況可能存在偏差。但整體而言，本文與相關試驗結果擬合公式中的參數非常接近，兩擬合公式均說明Batch?elor尺度與DBL厚度基本呈正相關關系（相關系數約為0.9），因此在實際應用中可用Batchelor尺度近似表示DBL厚度。


為進一步研究DBL厚度對氧通量的影響，將本文氧通量與DBL厚度進行線性擬合（圖11，藍色擬合線）。可以看出，氧通量隨DBL厚度的減小線性增大，兩者呈現負相關關系，擬合關系式為，相關系數為0.90，說明氧通量與DBL厚度變化密切相關。整理相關研究中氧通量與DBL厚度并進行線性擬合（圖11，紅色擬合線），擬合關系式為相關系數為0.73。對比兩擬合曲線，發現本文試驗擬合曲線略高于相關試驗擬合曲線，這可能是由于室內試驗過程中排除了生物活動的影響所致。但整體而言，兩條擬合曲線的變化趨勢較為一致：當DBL厚度小于0.5 mm左右時，DBL厚度變化對氧通量影響更強烈，氧通量隨DBL厚度減小迅速增大；DBL大于0.5 mm左右時，氧通量基本保持穩定。本文試驗的DBL厚度范圍為0.08～0.52 mm，最大DBL厚度對應的水平流速為0.65 cm/s，結合Glud等的試驗結果，可以說明DBL厚度大于0.5 mm左右時，氧通量基本保持不變。

圖11氧通量與DBL厚度的關系


4.4討論


通過將本文與相關研究結果對比，可以發現盡管不同研究中的沉積物的有機質含量、孔隙度等條件存在差異，但水動力條件、擴散邊界層厚度、氧通量三者間的變化規律接近，即水動力條件對DBL厚度影響顯著，Batchelor尺度與DBL厚度基本一致；DBL厚度在小于0.5mm時對氧通量影響劇烈，大于0.5 mm時，氧通量基本保持穩定。分析其原因一方面可能是由于物質通過分子擴散、彌散及湍流擴散三種作用在SWI進行傳輸，而在沉積物滲透雷諾數較高的環境下，最易受水動力條件影響的湍流擴散會成為物質在SWI垂向交換的主導方式。另外，在其它因素較為穩定的情況下，水動力條件會引發擴散邊界層厚度的改變，而SWI物質的垂向交換必須經由擴散邊界層，使得其厚度變化較總氮、總磷、葉綠素含量等對SWI氧通量的影響更為直接。因此表現出水動力條件會在某種程度上“掩蓋”其余因素對氧通量的影響，對于這一現象Murniati等也有類似闡述。考慮到多年來人們對于SWI的物質通量交換大多采用Ber?ner等于1980年建立的反應-輸運模型（Reaction-Transport Model，RTM）進行描述。在這一模型中擴散層厚度是關鍵影響參數，因此本文得出的水動力條件可以通過改變擴散邊界層厚度進而影響氧通量的定量規律，也可適用于氨氮、硝酸鹽、可溶性有機碳等其它溶質在SWI的交換規律研究。


本文對DBL厚度進行參數化時依據相關研究中湍流耗散率的參考高度進行Batchelor尺度的計算，關于Batchelor尺度與DBL厚度的內在聯系尚待深入研究。此外，盡管不同環境條件下氧通量與DBL厚度的變化趨勢一致，但是DBL厚度對應的氧通量存在差異，這可能與水體及沉積物性質有關，后期可加強氧通量與孔隙度、滲透性、有機質含量、營養鹽濃度等靜態因素間響應關系的研究。


5結論


本文圍繞沉積物氧通量與水動力條件間響應關系問題，較為系統地闡述了渦動相關法的原理及實現方法，基于此開展了不同水動力條件下擴散邊界層厚度及氧通量變化的試驗研究，主要結論如下：


（1）隨著水平流速的增加，擴散邊界層厚度逐漸減小，氧通量逐漸增大。水平流速為0.65～9.69 cm/s時，擴散邊界層厚度為0.52～0.08 mm，氧通量為-2.95±0.55～-25.12±2.64 mmol/（m2·d）。


（2）水動力條件對擴散邊界層厚度的影響明顯，擴散邊界層厚度與Batchelor尺度呈正相關關系。考慮到擴散邊界層厚度較難直接測量，而計算Batchelor尺度的相關參數較容易獲取，因此實際應用中可采用Batchelor尺度近似表示擴散邊界層厚度。


（3）當擴散邊界層厚度小于0.5 mm左右時，擴散邊界層厚度變化對氧通量影響更強烈，氧通量隨擴散邊界層厚度減小迅速增大；當擴散邊界層厚度大于0.5 mm左右時，氧通量基本保持穩定。