2、渦動相關法


2.1理論基礎


渦動相關法最早可追溯到1950年代，起初該方法多用于分析物質、動量、熱量等在陸-氣、海-氣邊界層的交換。2003年Berg等首次將其應用于沉積物-水界面的氧通量測量，此后陸續有學者在水底邊界層這一特定環境下對其理論進行改進，并開展了相關研究。渦動相關法通過計算垂向流速與其它物理要素的協方差從而得到物質通量，基于質量守恒方程，溶質在控制體中滿足：

式中：C為控制體內溶質濃度；uj=(u，v，w)為流速，j為正交直角坐標系的三個方向；Dc為分子擴散系數，m2/s；Sc為控制體內溶質的源匯項；為控制體內溶質濃度的變化速率。


采用雷諾分解，將具有紊動特性的物理量分解為時均值和紊動值，即，代入式（1）得到：


假設沉積物-水界面高度為z0，測點高度為zm，對式（3）兩端同時進行積分可得：


由沉積物-水界面的物質垂向傳輸方式（圖1）可知，在擴散邊界層（DBL）上部水體中物質的垂向傳輸機制主要為湍流擴散，而在擴散邊界層內分子擴散起主導作用，因此測點距離沉積物-水界面很近，因此基于上述分析可得：

圖1沉積物-水界面物質垂向傳輸方式示意圖


式（5）說明沉積物-水界面處的物質通量可以用靠近沉積物處水體中某點的垂向流速與溶質濃度的協方差來表示?？紤]到測量穩定性，通常需進行較長時段測量，因此沉積物-水界面物質通量：，其中n為時段內數據個數。

圖2試驗裝置及渦動相關系統示意圖（單位：cm）


2.2渦動相關系統構建


本文采用的渦動相關系統（圖2）由流速測量模塊和溶解氧測量模塊兩部分構成。流速測量模塊選用聲學多普勒點式流速儀Vector6MHz（簡稱ADV），可以測量固定點的三維流速、流向、水壓、水溫、水深、波高等指標。ADV內置電源和數據存儲裝置，提供兩個模擬通道，采樣頻率為1～64 Hz，采樣體位于信號發射端正下方15 cm處，為直徑15 mm，高度5～20 mm的近似圓柱水體；溶解氧測量模塊選用快速響應的ARO-EC型溶解氧傳感器，可以測量固定點的溶解氧濃度及水溫。ARO-EC材質為鈦，尖端直徑12 mm，長164 mm，基于熒光壽命法進行溶解氧測量，在測量過程中不會引起信號漂移，可滿足長時間觀測需要。同時ARO-EC為溶解氧溫度雙傳感器，響應時間均小于0.5 s，可實現溶解氧的快速矯正，提高測量準確性。ADV與ARO-EC通過水密電纜連接，ADV通過電纜控制ARO-EC工作并為其供電，ARO-EC可將測量數據通過電纜傳輸給ADV并進行保存，兩者協同工作，實現流速和溶解氧的同步測量。


3、材料與方法


3.1試驗裝置


試驗裝置如圖2所示，該試驗裝置為長×寬×高=9.3 m×0.8 m×1.2 m的長方體有機玻璃水槽，水槽采用自循環系統，分為上下兩層，下層用于蓄水，上層為試驗區域，中間用底板隔開，水體通過水泵在上下水箱中循環流動，試驗過程中無外界水流流入流出。水槽上部鋪設滑軌，并架設儀器固定支架，該支架用于固定渦動測量系統并可確保其在x、y、z三個方向移動。


試驗沉積物取自天津大學北洋園校區青年湖，為盡可能接近渦動相關法的適用環境，參照Donis等的處理方法，試驗前將底泥中的植物去除后均勻平鋪于盛泥盒中，厚度約為5 cm，并用青年湖湖水進行7天的靜置培養。


3.2試驗設計


整理渦動相關法應用的流速條件，確定在0～10 cm/s的流速范圍對沉積物-水界面處的溶解氧垂向分布及氧通量進行測量。試驗通過調節出水口處跌坎高度將水槽水深控制在30 cm；調節水泵閥門并讀取流量計讀數控制水槽入流流量進而計算得到相應試驗流速，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組水平流速條件下分別進行如下測量：


（1）沉積物-水界面處溶解氧垂向分布測量：以5 min為周期進行間歇采樣，每個周期包括3 min采樣時段和2 min休眠時段，采樣頻率為64 Hz，采樣模式由ADV控制，在休眠時段通過調節支架高度控制溶解氧傳感器的垂向位置。


（2）沉積物-水界面處氧通量測量：采用連續測量模式，每次測量時長為30 min，采樣頻率64 Hz，參考Chotikarn等在室內試驗中渦動相關系統的布置方式，本試驗測點位于沉積物上方5cm處，ARO-EC探頭位于ADV采樣體下游約2 cm處，且與ADV豎軸夾角為45°（圖2），每組水平流速平行測量4次。