為了給沉積物水界面通量的原位長(cháng)效觀(guān)測研究提供技術(shù)支撐,對水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的實(shí)現路徑和應用方向進(jìn)行了系統梳理?；仡櫫怂h(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程并對比分析了其技術(shù)特征,從理論基礎、系統構建和數據處理三方面介紹了該技術(shù)的實(shí)現方法,并總結了該技術(shù)的應用方向和目前面臨的挑戰。水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)具有底質(zhì)適用類(lèi)型多樣、不干擾沉積物結構、測量足跡大且時(shí)間精度高等特點(diǎn),適用于河流、湖泊、水庫、海灣及深海等環(huán)境的沉積物水界面通量觀(guān)測,能夠為水體環(huán)境修復、生態(tài)系統代謝評估及潛流交換等研究提供支持。

沉積物水界面(sediment-water interface,SWI)是沉積物與其上覆水之間具有一定立體尺度的交界面。物質(zhì)在該界面附近活躍地發(fā)生著(zhù)遷移、轉化、吸附、解吸、擴散、掩埋和生物擾動(dòng)等一系列物理化學(xué)及生物反應,從而影響著(zhù)水環(huán)境的整體功能與生態(tài)安全,也使得沉積物水界面成為陸地表層系統中最重要的界面之一。因此,開(kāi)展沉積物水界面處溶解氧、溫室氣體、營(yíng)養物和污染物等物質(zhì)質(zhì)量乃至能量、動(dòng)量的通量觀(guān)測,對于評估底棲生態(tài)環(huán)境、控制水體內源污染和研究水環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程都具有重要意義。

渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)(eddy correlation technique)是一種興起于微氣象領(lǐng)域的通量觀(guān)測方法,如今也被用于測量沉積物水界面通量且取得了較好的實(shí)踐效果。但是,目前國內關(guān)于水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的應用和研究還比較少,也沒(méi)有能夠同時(shí)滿(mǎn)足原位、長(cháng)·81·期、非侵入等通量觀(guān)測需求的其他技術(shù)。有鑒于此,本文在回顧水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷史并總結其技術(shù)特點(diǎn)的基礎上,重點(diǎn)介紹了該技術(shù)的具體實(shí)施途徑,梳理了其主要應用領(lǐng)域及今后的發(fā)展方向,以期為水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)通量觀(guān)測技術(shù)的推廣應用提供參考。

早在20世紀40年代末,Montgomery等便提出了用于測量大氣與其下墊面之間物質(zhì)能量交換通量的渦動(dòng)相關(guān)技術(shù),又稱(chēng)渦動(dòng)協(xié)方差技術(shù)(eddy covariance technique)。在理論提出之初,觀(guān)測儀器的局限阻礙了該技術(shù)的實(shí)施,直至超聲風(fēng)速儀和氣體分析儀問(wèn)世。

從20世紀80年代開(kāi)始,渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)陸續被用于測量大氣相關(guān)界面的CO2和水熱等通量;在長(cháng)期的實(shí)踐對比中,該技術(shù)也被認為是國內外微氣象通量觀(guān)測領(lǐng)域最為可靠的方法之一。時(shí)至今日,渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測不僅是一種科學(xué)研究活動(dòng),更成了一種常規的氣象觀(guān)測手段,世界各地建立起了大氣渦動(dòng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現觀(guān)測數據的共享。

表1常見(jiàn)沉積物水界面通量觀(guān)測技術(shù)特性對比

圖1水底邊界層的空間結構及氧通量渦動(dòng)相關(guān)系統示意圖

2003年,Berg等首次將渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)移植到水環(huán)境通量觀(guān)測領(lǐng)域,通過(guò)聲學(xué)多普勒流速儀(acoustic doppler velocimetry,ADV)和Clark型溶解氧微電極搭建了測量沉積物水界面氧通量的渦動(dòng)相關(guān)系統并驗證了其可靠性。而后,Berg等通過(guò)數值模擬進(jìn)一步夯實(shí)了該技術(shù)的理論基礎,同時(shí)Donis等通過(guò)室內水槽試驗完善了該技術(shù)的應用細節并探討了界面通量對各類(lèi)環(huán)境因子的響應關(guān)系。如今,渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)已被用于河流、湖泊、水庫、海灘和深海等水環(huán)境的沉積物水界面通量觀(guān)測。

除水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)外,目前測量沉積物水界面通量的方法還有實(shí)驗室培養技術(shù)(laboratory core incubation)、底棲培養室技術(shù)(benthic chamber)、微電極剖面技術(shù)(micro-profiling)和平面光極技術(shù)(planar optode)等,主要技術(shù)特性對比見(jiàn)表1?？偟膩?lái)說(shuō),渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)因其將觀(guān)測點(diǎn)布置于沉積物水界面上方而具備非侵入式觀(guān)測的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn),又具有測量范圍廣和時(shí)間精度高等特點(diǎn),能夠對傳統方法難以適用的高滲透性砂質(zhì)底泥和生長(cháng)水棲植物的堅硬底質(zhì)進(jìn)行長(cháng)期觀(guān)測。但是,該技術(shù)對數據處理方法提出了較高的要求,且可測量的通量類(lèi)型受到傳感器性能發(fā)展的限制。