4.3氧通量、DBL厚度和水動(dòng)力條件的關(guān)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(jìn)行參數化，Batchelor尺度表達式為：

圖10 DBL厚度與Batchelor尺度的關(guān)系

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

為進(jìn)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(jìn)行線(xiàn)性擬合（圖11，藍色擬合線(xiàn)）?？梢钥闯?，氧通量隨DBL厚度的減小線(xiàn)性增大，兩者呈現負相關(guān)關(guān)系，擬合關(guān)系式為，相關(guān)系數為0.90，說(shuō)明氧通量與DBL厚度變化密切相關(guān)。整理相關(guān)研究中氧通量與DBL厚度并進(jìn)行線(xiàn)性擬合（圖11，紅色擬合線(xiàn)），擬合關(guān)系式為相關(guān)系數為0.73。對比兩擬合曲線(xiàn)，發(fā)現本文試驗擬合曲線(xiàn)略高于相關(guān)試驗擬合曲線(xiàn)，這可能是由于室內試驗過(guò)程中排除了生物活動(dòng)的影響所致。但整體而言，兩條擬合曲線(xiàn)的變化趨勢較為一致：當DBL厚度小于0.5 mm左右時(shí)，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(shí)，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(shuō)明DBL厚度大于0.5 mm左右時(shí)，氧通量基本保持不變。

圖11氧通量與DBL厚度的關(guān)系

4.4討論

通過(guò)將本文與相關(guān)研究結果對比，可以發(fā)現盡管不同研究中的沉積物的有機質(zhì)含量、孔隙度等條件存在差異，但水動(dòng)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(dòng)力條件對DBL厚度影響顯著(zhù)，Batchelor尺度與DBL厚度基本一致；DBL厚度在小于0.5mm時(shí)對氧通量影響劇烈，大于0.5 mm時(shí)，氧通量基本保持穩定。分析其原因一方面可能是由于物質(zhì)通過(guò)分子擴散、彌散及湍流擴散三種作用在SWI進(jìn)行傳輸，而在沉積物滲透雷諾數較高的環(huán)境下，最易受水動(dòng)力條件影響的湍流擴散會(huì )成為物質(zhì)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(dòng)力條件會(huì )引發(fā)擴散邊界層厚度的改變，而SWI物質(zhì)的垂向交換必須經(jīng)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(dòng)力條件會(huì )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(lèi)似闡述?？紤]到多年來(lái)人們對于SWI的物質(zhì)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(jìn)行描述。在這一模型中擴散層厚度是關(guān)鍵影響參數，因此本文得出的水動(dòng)力條件可以通過(guò)改變擴散邊界層厚度進(jìn)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(zhì)在SWI的交換規律研究。

本文對DBL厚度進(jìn)行參數化時(shí)依據相關(guān)研究中湍流耗散率的參考高度進(jìn)行Batchelor尺度的計算，關(guān)于Batchelor尺度與DBL厚度的內在聯(lián)系尚待深入研究。此外，盡管不同環(huán)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(zhì)有關(guān)，后期可加強氧通量與孔隙度、滲透性、有機質(zhì)含量、營(yíng)養鹽濃度等靜態(tài)因素間響應關(guān)系的研究。

5結論

本文圍繞沉積物氧通量與水動(dòng)力條件間響應關(guān)系問(wèn)題，較為系統地闡述了渦動(dòng)相關(guān)法的原理及實(shí)現方法，基于此開(kāi)展了不同水動(dòng)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(zhù)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(shí)，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(dòng)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(guān)關(guān)系?？紤]到擴散邊界層厚度較難直接測量，而計算Batchelor尺度的相關(guān)參數較容易獲取，因此實(shí)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(shí)，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(shí)，氧通量基本保持穩定。