4、结果与分析


4.1溶解氧在沉积物-水界面的垂向分布


试验选用的ARO-EC型溶解氧微电极在垂向移动过程中可能会破坏沉积物结构，为减小仪器在沉积物中的移动距离，有效降低仪器对沉积物结构的破坏，因此采用与Jørgensen等类似做法测量溶解氧的垂向分布，进而分析不同水动力条件下DBL厚度的变化规律。具体操作如下：


（1）确定DBL下边界。从沉积物上方2 mm处向下移动溶解氧传感器，通过多次平行测量获得溶解氧在沉积物-水界面较完整的垂向分布。图3为水平流速8.44 cm/s下溶解氧的垂向分布情况，可以看出，不同高度处的溶解氧浓度的变化情况存在明显差异，在DBL以上溶解氧沿垂向基本不变，当进入DBL后溶解氧浓度随高度减小基本呈线性减小，根据溶解氧剖面中线性分布的“拐点”得到DBL的下边界，并记录相应高度。

图3 SWI溶解氧的垂向分布（水平流速8.44 cm/s）


（2）测量溶解氧垂向分布。以DBL下边界为起始高度，向上移动溶解氧传感器，测量不同水平流速下溶解氧在沉积物-水附近的垂向分布。图4为溶解氧在沉积物-水界面附近不同水平流速下的垂向分布，可以看出，不同流速条件下沉积物-水界面处溶解氧的垂向分布存在明显差异。

图4不同水平流速下沉积物-水界面处溶解氧的垂向分布及DBL厚度

表1不同水平流速下溶解氧垂向梯度、DBL厚度和氧通量试验结果


（3）确定DBL厚度。利用Jørgensen等提出的方法，将溶解氧线性浓度分布拟合线进行外延，外延线与溶解氧固定浓度的交点所对应的高度为DBL厚度，相应结果列于表1。可以看出，水平流速为0.65～9.69 cm/s时，相应的溶解氧垂向梯度为12.18～59.88 mg/（L·mm），DBL厚度为0.52～0.08 mm，DBL厚度随流速增大而减小。分析上述现象原因，随着水平流速增加，水体紊动程度增强，DBL上边界处掺混随之加剧，这使上覆水与DBL内溶解氧交换愈加充分，从而表现出DBL厚度相应减小。

图5确定溶解氧和垂向流速滑动平均的窗口长度


4.2溶解氧在沉积物-水界面的通量


以15 min为一时段进行氧通量计算，首先将64 Hz的原始测量数据降噪（8 Hz），再进行去尖峰、坐标旋转校正、紊动值计算、时滞校正及通量计算，数据处理方法部分参照Kuwae等，下面就紊动值计算和时滞校正进行说明。


4.2.1紊动值计算


湍流紊动值计算采用滑动平均法，该方法中滑动平均窗口长度的选取对氧通量的计算结果影响很大，当选取的窗口长度过小，会排除大尺度的紊动，造成通量低估；当选取的窗口长度过大，会引入非稳定成分，使得氧通量出现波动。为确定合适的窗口长度，将初始窗口长度设为1 s，计算该窗口长度下氧通量，之后逐渐增加窗口长度，重复进行上述步骤，获得不同窗口长度下的氧通量，当通量达到稳定时所对应的窗口长度即为合适的窗口长度，计算过程如图5所示。可以看出，当窗口长度为100 s时，不同水平流速下的氧通量均可保持稳定，因此本次试验选取100 s作为最终窗口长度。


4.2.2时滞校正


ADV与ARO-EC空间位置分离及响应时间不同会造成溶解氧与垂向流速信号的不同步（时滞）。根据时滞产生原因，时滞的理论值应满足下式：

式中：x为ARO-EC尖端与ADV采样体的水平间距，2 cm；U为水平流速，cm/s；tr为ARO-EC的响应时间，0.5 s。


由于氧通量结果对时滞取值较为敏感，而理论时滞与实际情况存在一定偏差，因此实际应用较少采用理论值。本文参照Lorrai等的方法确定实际时滞大小，首先参照相关研究中时滞大小，确定时滞的取值为10 s，接着将溶解氧紊动值相对于垂向流速紊动值的时间序列进行移动，并计算两者的相关性，时滞即为最大相关性所对应的移动时间。利用Matlab软件中的xcorr函数进行时滞校正。图6为水平流速5.25 cm/s下垂向流速与溶解氧紊动值相关性随移动时间的变化情况，可以看出，当移动时间为1.25 s时，溶解氧和垂向流速紊动值的相关性最大，因此该水平流速下的时滞为1.25 s。采用相同方法，将不同水平流速下时滞的实测值与理论值进行分析（图7），可以看出，时滞随水平流速的增大而减小且与理论值拟合情况良好。说明理论时滞虽与实际情况存在一定偏差，但在实际应用中可以根据流速条件得到理论时滞值后，为时滞取值范围的确定提供参考。

图6垂向流速与溶解氧紊动值不同移动时间下的相关性（水平流速5.25 cm/s)）


图7时滞实测值与理论值对比

图8累计氧通量

图9氧通量在不同水平流速下的试验结果


为评估氧通量的数据质量，对15 min内的氧通量进行累加得到累计氧通量（图8）。可以看出，累计氧通量有良好的线性趋势，说明试验过程的水动力条件稳定，通量数据质量良好。采用相同方法，得到不同水平流速下氧通量（图9，表1）。可以看出，水平流速为0.65～9.69 cm/s时，氧通量为-2.95±0.55～-25.12±2.64 mmol/（m2·d），氧通量均为负值，说明测量点处的的沉积物以耗氧为主，并且氧通量随水平流速增加逐渐增大。