渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)自其從微氣象領(lǐng)域移植到水環(huán)境領(lǐng)域以來(lái)，已成功用于開(kāi)展沉積物水界面通量的原位、長(cháng)效、非侵入式觀(guān)測，并展現出測量范圍廣、時(shí)間精度高和對不同底質(zhì)適應性良好等優(yōu)勢，為河流、湖泊、水庫、海岸和深海等環(huán)境的沉積物水界面通量評估提供了新的選擇。目前，水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)已被應用于水利工程、湖沼科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，為水體水質(zhì)修復、生態(tài)系統代謝評估、潛流交換速率測量和冰水界面通量觀(guān)測等研究方向提供了可靠的技術(shù)支撐。

水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的應用方向

a.水體環(huán)境修復。

沉積物水界面各類(lèi)通量在水體富營(yíng)養化、重金屬及有機污染等災害事件中扮演著(zhù)重要角色，對于受污染水體的水質(zhì)修復具有重要意義。例如，溶解氧通量直接關(guān)系著(zhù)界面氧化還原條件和生化反應進(jìn)程，在一定程度上決定了污染物在界面處的轉換方向，且不同污染物對氧通量表現出不同的源匯規律。同時(shí)，探究沉積物水界面通量對流速、水深、濃度、pH值和光照等環(huán)境因子的響應規律，有利于完善數值模擬的邊界條件，提升水質(zhì)模型預測結果的準確性。當前也有學(xué)者開(kāi)始嘗試借助深度信念網(wǎng)絡(luò )等機器學(xué)習方法開(kāi)展湍流通量的空間升尺度研究，即將有限足跡的渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測結果外推到整個(gè)研究區域，獲得區域上連續的界面通量分布情況。

b.生態(tài)系統代謝評估。

在利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)測量溶解氧通量的同時(shí)記錄環(huán)境光合有效輻射強度，可定量分析底棲生態(tài)系統群落的代謝強度和能量收支?？紤]一日內總氧通量等于光合作用生成量與呼吸作用消耗量之和，則可由光照時(shí)長(cháng)計算總初級生產(chǎn)力及凈生態(tài)系統代謝。進(jìn)一步地，結合生態(tài)學(xué)模型可建立代謝強度與環(huán)境因子之間的關(guān)系，例如，根據光合輻射強度曲線(xiàn)可以得到光合作用速率與光合輻射強度之間的雙曲正切模型，從而通過(guò)擬合觀(guān)測數據得到最大底棲產(chǎn)氧速率等特征量;呼吸作用相比之下較為復雜，它包括有機物的分解以及NH4+、Mn2+、Fe2+、H2 S和FeS分解產(chǎn)物的氧化或腐化過(guò)程，可將其簡(jiǎn)化為對底部流速的線(xiàn)性模型。

c.潛流交換研究。

將溫度或電導率視作“物質(zhì)濃度”并進(jìn)行測量，則可通過(guò)渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)計算沉積物水界面的溫鹽通量，而這種通量常常受潛流交換的驅動(dòng)。潛流交換大多以平流的形式進(jìn)行，其速度通常遠小于水底邊界層流速，因而其垂向交換由湍流擴散主導，即適用于渦動(dòng)相關(guān)技術(shù);但是，渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測只能用于兩側水體溫鹽狀態(tài)不同的情況。根據熱通量和鹽通量均可推求控制體內的潛流通量，兩者互為參考，可為尋找沿海地區非點(diǎn)源物質(zhì)的運輸路徑提供支持，并對環(huán)境管理決策提供依據。

d.其他固液界面的應用。

除了沉積物水界面，渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)也可用于冰水界面及其他固液界面的通量觀(guān)測。當光照條件適宜時(shí)，微小藻類(lèi)通常聚集在冰水界面附近，既通過(guò)光合作用為封閉水環(huán)境供氧，也為表層魚(yú)類(lèi)提供食物并在大量聚集后下沉為底層群落提供生存機會(huì )。因此，該技術(shù)也被用于研究冰水界面的群落代謝及其對冰體溫度和光照強度等環(huán)境因素的響應，但在放置觀(guān)測系統時(shí)需要顛倒安裝并考慮冰層的發(fā)育情況。

此外，通過(guò)分析各類(lèi)通量可研究表層水體中碳和營(yíng)養物等關(guān)鍵物質(zhì)的生物地球化學(xué)轉化過(guò)程，為來(lái)年開(kāi)春后的水質(zhì)控制提供參考。

水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)面臨的挑戰

a.原理限制———不符合理想的應用環(huán)境。

實(shí)際觀(guān)測環(huán)境偏離技術(shù)原理要求的問(wèn)題可能限制渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的應用，需要針對性地提出解決方法。例如，對于不能視作均質(zhì)下墊面的河床，可以適當增大觀(guān)測高度從而令各異質(zhì)源區釋放的物質(zhì)經(jīng)歷足夠長(cháng)的路徑達到充分混合;對于不能忽略分子擴散的低流速環(huán)境，可以嘗試結合微電極剖面技術(shù)進(jìn)行擴散模式識別;對于難以確定主流的風(fēng)生流環(huán)境，可以在觀(guān)測系統上增加水翼使其自適應水流方向或設計機動(dòng)裝置以主動(dòng)調姿。

b.儀器限制———不適應多通量長(cháng)效觀(guān)測。

理論上，渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)能夠測量沉積物水界面包括能量、動(dòng)量和各類(lèi)物質(zhì)質(zhì)量在內的多類(lèi)型通量，但目前能夠原位觀(guān)測的水質(zhì)指標有限，且部分指標在技術(shù)上難以提升觀(guān)測頻率，從而限制了該技術(shù)在通量觀(guān)測類(lèi)型上的擴展。同時(shí)，為實(shí)現原位長(cháng)效觀(guān)測，傳感器需具有高魯棒性，能夠抵御惡劣且多變的野外環(huán)境，同時(shí)避免藻類(lèi)附著(zhù)等問(wèn)題。盡管如此，近年來(lái)專(zhuān)為水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)的傳感器正逐漸上市，結合外部供電和數傳設備的渦動(dòng)相關(guān)系統能夠實(shí)現連續6個(gè)月的溫氧通量原位觀(guān)測，該技術(shù)具有原位長(cháng)效開(kāi)展多通量觀(guān)測的潛力。

c.計算限制———難以規范數據處理流程。

目前水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測數據的處理并沒(méi)有統一的流程或方法，滑動(dòng)窗口長(cháng)度和時(shí)滯移動(dòng)時(shí)間等參量的確定在一定程度上帶有主觀(guān)因素，這為長(cháng)時(shí)段觀(guān)測數據的批量處理帶來(lái)了困難，且降低了不同研究數據之間的可交流性。但近期Bluteau等學(xué)者提出了通過(guò)識別耗散率以計算協(xié)方差的慣性耗散法，該方法顛覆了傳統的計算路徑，避免了計算參量的主觀(guān)選取，甚至在一定程度上突破了渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對傳感器的依賴(lài)和受流速環(huán)境的限制。雖然這一計算方法還未得到廣泛應用，但仍是今后渦動(dòng)數據處理技術(shù)的發(fā)展方向或質(zhì)量評價(jià)的分析依據。

結語(yǔ)

水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)具有其理論適用條件，并對傳感器性能和數據處理方法提出了較高的要求。

目前，該技術(shù)主要推薦用于下墊面水平均勻、動(dòng)力條件較強和存在明顯主流方向的水環(huán)境，且大多用于測量沉積物水界面的溶解氧通量，這些因素在一定程度上限制了渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的推廣與應用。計算渦動(dòng)相關(guān)通量時(shí)，需要修正由于儀器安裝帶來(lái)的誤差、識別對湍流通量有貢獻的多尺度渦旋并從觀(guān)測數據中準確分離出湍動(dòng)序列，但目前并沒(méi)有統一的計算方法及流程，且質(zhì)量評價(jià)、足跡分析等后處理技術(shù)仍有待進(jìn)一步研發(fā)。

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展與實(shí)踐，渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為一項適合于開(kāi)展沉積物水界面通量原位觀(guān)測的可靠技術(shù)。未來(lái)隨著(zhù)渦動(dòng)傳感器的開(kāi)發(fā)、機械調姿功能的增加及數值模擬和湍流信號處理方法的進(jìn)步，水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)將有較為廣闊的應用空間。

Unisense采用渦動(dòng)相關(guān)法開(kāi)發(fā)了一款測量水土界面氧氣交換通量、硫化氫交換通量、溫度和電阻率交換通量的儀器----水底渦動(dòng)相關(guān)系統。該技術(shù)不會(huì )擾動(dòng)沉積物、完全考慮了波浪對沉積物的影響，可以連續監測沉積物水動(dòng)力邊界層、海草床、珊瑚礁等地點(diǎn)的垂直氧氣通量，是沉積物孔隙水剖面法和水底原位箱法的補充。將來(lái)會(huì )成為測量界面氧通量的標準方法。