为了给沉积物水界面通量的原位长效观测研究提供技术支撑,对水环境涡动相关技术的实现路径和应用方向进行了系统梳理。回顾了水环境涡动相关技术的发展历程并对比分析了其技术特征,从理论基础、系统构建和数据处理三方面介绍了该技术的实现方法,并总结了该技术的应用方向和目前面临的挑战。水环境涡动相关技术具有底质适用类型多样、不干扰沉积物结构、测量足迹大且时间精度高等特点,适用于河流、湖泊、水库、海湾及深海等环境的沉积物水界面通量观测,能够为水体环境修复、生态系统代谢评估及潜流交换等研究提供支持。


沉积物水界面(sediment-water interface,SWI)是沉积物与其上覆水之间具有一定立体尺度的交界面。物质在该界面附近活跃地发生着迁移、转化、吸附、解吸、扩散、掩埋和生物扰动等一系列物理化学及生物反应,从而影响着水环境的整体功能与生态安全,也使得沉积物水界面成为陆地表层系统中最重要的界面之一。因此,开展沉积物水界面处溶解氧、温室气体、营养物和污染物等物质质量乃至能量、动量的通量观测,对于评估底栖生态环境、控制水体内源污染和研究水环境生物地球化学循环过程都具有重要意义。


涡动相关技术(eddy correlation technique)是一种兴起于微气象领域的通量观测方法,如今也被用于测量沉积物水界面通量且取得了较好的实践效果。但是,目前国内关于水环境涡动相关技术的应用和研究还比较少,也没有能够同时满足原位、长·81·期、非侵入等通量观测需求的其他技术。有鉴于此,本文在回顾水环境涡动相关技术的发展历史并总结其技术特点的基础上,重点介绍了该技术的具体实施途径,梳理了其主要应用领域及今后的发展方向,以期为水环境涡动相关通量观测技术的推广应用提供参考。


早在20世纪40年代末,Montgomery等便提出了用于测量大气与其下垫面之间物质能量交换通量的涡动相关技术,又称涡动协方差技术(eddy covariance technique)。在理论提出之初,观测仪器的局限阻碍了该技术的实施,直至超声风速仪和气体分析仪问世。


从20世纪80年代开始,涡动相关技术陆续被用于测量大气相关界面的CO2和水热等通量;在长期的实践对比中,该技术也被认为是国内外微气象通量观测领域最为可靠的方法之一。时至今日,涡动相关观测不仅是一种科学研究活动,更成了一种常规的气象观测手段,世界各地建立起了大气涡动相关网络以实现观测数据的共享。

表1常见沉积物水界面通量观测技术特性对比

图1水底边界层的空间结构及氧通量涡动相关系统示意图


2003年,Berg等首次将涡动相关技术移植到水环境通量观测领域,通过声学多普勒流速仪(acoustic doppler velocimetry,ADV)和Clark型溶解氧微电极搭建了测量沉积物水界面氧通量的涡动相关系统并验证了其可靠性。而后,Berg等通过数值模拟进一步夯实了该技术的理论基础,同时Donis等通过室内水槽试验完善了该技术的应用细节并探讨了界面通量对各类环境因子的响应关系。如今,涡动相关技术已被用于河流、湖泊、水库、海滩和深海等水环境的沉积物水界面通量观测。


除水环境涡动相关技术外,目前测量沉积物水界面通量的方法还有实验室培养技术(laboratory core incubation)、底栖培养室技术(benthic chamber)、微电极剖面技术(micro-profiling)和平面光极技术(planar optode)等,主要技术特性对比见表1。总的来说,涡动相关技术因其将观测点布置于沉积物水界面上方而具备非侵入式观测的显著优点,又具有测量范围广和时间精度高等特点,能够对传统方法难以适用的高渗透性砂质底泥和生长水栖植物的坚硬底质进行长期观测。但是,该技术对数据处理方法提出了较高的要求,且可测量的通量类型受到传感器性能发展的限制。