水动力条件对沉积物—水界面氧通量的影响
水-沉积物界面物质的浓度梯度计算
水-沉积物界面物质的浓度梯度计算一、引言水-沉积物界面是自然界中重要的地质、生物和化学过程发生的场所。
在这个界面上，水中的溶质会通过扩散和对流的方式进入沉积物中，而沉积物中的溶质也会通过扩散和对流的方式进入水中。
了解水-沉积物界面物质浓度梯度的特征对于理解和预测环境中的污染物迁移、生态系统的健康状态以及地质过程的发展具有重要意义。
二、水-沉积物界面物质浓度梯度的计算方法1. 扩散通量法扩散通量法是计算水-沉积物界面物质浓度梯度的常用方法。
根据菲克定律，溶质的扩散通量可以通过以下公式计算：J = -D*(dc/dx)其中，J是扩散通量，D是扩散系数，dc/dx是物质浓度随距离的梯度。
2. 对流扩散方程法对流扩散方程法结合了对流和扩散的作用，可以更准确地描述水-沉积物界面物质的迁移过程。
对于一维情况，对流扩散方程可以写为：∂c/∂t = D*∂²c/∂x² - v*∂c/∂x其中，c是物质浓度，t是时间，D是扩散系数，v是速度，∂c/∂t是物质浓度随时间的变化率，∂²c/∂x²是物质浓度随距离的二阶导数，∂c/∂x是物质浓度随距离的梯度。
三、水-沉积物界面物质浓度梯度的环境应用1. 污染物迁移预测通过计算水-沉积物界面物质浓度梯度，可以预测污染物在水和沉积物之间的迁移过程。
根据浓度梯度的方向和大小，可以评估污染物的迁移速率和范围，为环境保护和污染治理提供科学依据。
2. 生态系统健康评估水-沉积物界面是生态系统中物质交换的重要界面。
通过测定水-沉积物界面物质浓度梯度，可以评估生态系统中物质循环的状态和健康状况。
高浓度梯度可能对生态系统产生负面影响，而低浓度梯度可能表明生态系统的健康状态良好。
3. 地质过程研究水-沉积物界面物质浓度梯度的计算可以帮助研究地质过程中的物质迁移和沉积过程。
例如，通过测量水-沉积物界面的铁、锰等金属元素的浓度梯度，可以了解地下水中金属元素的来源和转化过程，进而揭示地球内部的地质活动和地质历史。
气候变化对海洋沉积物的影响
气候变化对海洋沉积物的影响气候变化是当前全球最关注的问题之一，它对地球上的各个生态系统都产生了深远的影响。
其中，海洋系统是最受气候变化影响的领域之一。
海洋沉积物作为海洋生态系统的重要组成部分，也受到了气候变化的广泛影响。
在过去几十年里，全球气候变暖导致了海洋温度的升高和海平面的上升。
这些变化对海洋沉积物的形成和分布产生了重要影响。
首先，海洋温度的升高会影响海洋生物的分布和繁衍。
许多微小的浮游生物和有孔虫等底栖生物会随海洋流动分布在不同的海域，并最终成为沉积物的主要组成部分。
然而，气候变暖会导致一些海洋生物灭绝或迁徙，从而影响到沉积物的形成和种类。
这反过来也会影响到整个海洋生态系统的平衡。
其次，海平面的上升也会对海洋沉积物的分布和沉积速率产生影响。
随着海平面上升，海水会进一步侵蚀陆地，将大量的泥沙带入海洋，从而增加沉积物的堆积速率。
这会改变海洋沉积物的分布模式，尤其是沿岸地区。
同时，泥沙的增加也会对海洋生态系统造成影响，例如堆积物的富含营养物质可能导致水质的恶化。
此外，气候变化还会改变海洋的氧气含量和酸碱度。
随着海洋温度的升高和大气中二氧化碳的增加，海洋的氧气含量和酸碱度都发生了变化。
这会对海洋生物的生存和分布产生重要影响，从而改变沉积物的组成和特征。
例如，一些需要较低氧气含量的浮游生物可能会受到影响，无法在酸化的海洋环境中生存下去，进而影响到沿海沉积物的形成。
此外，气候变化还会增加海洋风暴的频率和强度，进一步加剧海洋沉积物的变化。
风暴会带来大量的波浪和水动力作用，扰动海洋底质和沉积物，从而导致沉积物的重新分布和重新堆积。
这些风暴作用还可能带入更多的泥沙和有机物质，进一步改变沉积物的组成和特征。
综上所述，气候变化对海洋沉积物产生了广泛而重要的影响。
海洋温度升高、海平面上升、氧气含量和酸碱度变化以及海洋风暴频率增加等气候变化因素都会对海洋沉积物的形成和分布产生重要影响。
这些影响还会进一步影响到海洋生态系统的平衡和功能。
东海舟山群岛海域表层沉积物运移特性_胡日军
东海舟山群岛海域表层沉积物运移特性胡日军1,2,吴建政1,2,朱龙海1,2,马 芳3(1.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛266100;2.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100;3.国家海洋局北海分局北海监测中心,山东青岛266033)摘 要: 通过潮流和表层沉积物粒度参数等实测资料,对舟山群岛海域表层沉积物的运移趋势、净输运通量以及起动流速进行了初步分析。
结果表明,舟山群岛对研究区表层沉积物分布影响明显;舟山群岛海域表层沉积物整体由湾口向外海输运,平均日单宽输沙通量由杭州湾内向外海迅速减小;从杭州湾向外海,泥沙起动越来越难,单纯潮流对表层沉积物再悬浮作用相对较弱。
关键词: 舟山群岛;表层沉积物;泥沙起动;泥沙运移中图法分类号: P736.21+2 文献标识码: A 文章编号: 1672-5174(2009)03-495-06 海洋泥沙在河口海岸环境中具有重要的作用,因为它们既是河口营养盐和有机物的载体,又对污染物的迁移和循环起着重要作用[1];同时,由于人类活动和泥沙运移的相互作用,使得泥沙运移对海洋构筑物建设、海底光缆的铺设以及航道维护等人类活动产生显著影响。
因此,了解河口及邻近海域的泥沙运移无论对于污染物扩散还是人类活动都具有重要的意义。
长江是我国第一大河,年平均径流量9.24×1011m3,年平均输沙量4.86×108t,其泥沙大约50%沉积在长江河口和三角洲系统,其余则被东海沿岸流携带经舟山群岛海域向南运移,主要沉积在水深60m以浅的内陆架区域[2-4]。
长江口南侧的杭州湾是典型的喇叭型强潮河口湾,湾顶接钱塘江河口,湾口北部与长江口南翼毗连。
研究表明,受长江口冲淡水次级锋面和东海沿岸流输沙的影响[5],长江来沙为杭州湾长期以来缓慢淤积的主要物质来源[6-7]。
长江泥沙经南汇嘴附近进入杭州湾,而后又经反复的沉积-再悬浮过程逐步向舟山海域方向输沙,形成泥沙北进南出的基本格局[8-9]。
沉积构造指示水动力条件、古水流方向以及古水体深度
沉积构造与水流环境沉积构造是沉积物和沉积岩中最常见而又是最容易直接观察到的主要特征之一，无论是研究沉积物或沉积岩本身，还是解释沉积环境，都必然要涉及到沉积构造。
一定的水流作用于一定的沉积物，可以产生一定的沉积构造，故而可以将沉积构造与水流环境有机地联系起来，并利用这种关系来解释形成该种沉积构造时水流环境，进而做出环境解释。
本文归纳总结了不同沉积构造及其所反映的不同水流环境，包括水动力条件、水流方向和水体深度等方面。
1 沉积构造与水动力条件有些沉积构造可以反映一定的水动力条件特征，比如水流的强弱、水流流速的快慢、水流作用形态等（表1）。
表1 沉积构造指示水动力条件1.1 波痕及其指示的水动力条件波痕是由风、水流或波浪等介质的运动，在沉积物表面所形成的一种波状起伏的层面构造。
根据波痕指数的差异（图1），可以将波痕划分为对称波痕（RSI ≈1）和不对称波痕（RSI>1），其中流水成因的波痕为不对称波痕，浪成波痕有对称波痕和不对称波痕。
因此可以根据波痕指数来区分波痕是流水成因还是波浪成因。
另外，从波痕的形态特征角度来讲，浪成波痕表现为波峰尖锐、波谷圆滑、形状对称，而不对称浪成波痕一般是拍岸浪所致；流水波痕表现为波峰、波谷均较圆滑，呈不对称状，且波谷颗粒粒度一般比波峰的要粗（图2）。
图1 波痕要素图A、B：脊点，a、b：谷点，H：波高，l1：向流面水平投影长度，l2：背流面水平投影长度图2 流水波痕（a）与浪成波痕（b）示意图（1）流水波痕流水波痕的脊有不同的形态：直线形、波曲形、锥形、舌形、新月形、菱形等；可以是连续的，也可以是断续的。
波脊形态的变化主要与水深和流速有关。
一般说来，随着水深减小和流速增大，波脊形态由简单变复杂，由连续变断续（图3）。
因此，流水波痕的波脊形态特征反映了一定的水动力条件，可以作为环境解释的依据。
图3 不同水深和流速下的流水波痕的波脊形态根据波痕要素的不同，可以将流水波痕划分为小波痕、大波痕和巨波痕等不同规模的波痕，而不同规模的波痕往往反映了不同的沉积水动力条件。
海堤设施对沿海生态系统的影响研究
海堤设施对沿海生态系统的影响研究引言：沿海地区的生态系统对于维持全球的生物多样性、气候调节和经济发展起着至关重要的作用。
然而，随着全球气候变化和人类活动的增加，沿海地区的生态系统面临着许多挑战。
其中一个重要的因素是海堤设施的建设和使用。
海堤设施是为了保护沿海地区免受洪水、海啸和海侵蚀的影响而建造的人工结构。
本文将探讨海堤设施对沿海生态系统的影响，并提出一些可能的解决方案以缓解这些影响。
一、海堤设施的影响1. 水动力学效应海堤设施的建设会改变沿海地区的水动力学过程。
一方面，海堤能够减少海浪、洪水和风暴潮等水动力学作用对沿海地区的侵蚀影响，从而保护人类财产和生命安全。
另一方面，由于海堤会改变水流的方向和速度，它可能导致沉积物的堆积和侵蚀，从而影响了沿海地区的生态环境。
2. 生物多样性变化海堤的建设和使用会改变沿海地区的环境条件，从而对各种生物的生存和繁殖产生影响。
一些沿海物种可能会失去栖息地，并面临灭绝的风险。
另一些物种可能会适应新的环境并扩展其分布范围。
这种物种的变化可能对沿海生态系统的结构和功能产生重大影响。
3. 水质问题海堤设施的建设可能会导致沿海地区水质的变化。
例如，海堤可能会导致沿海地区的水溶氧含量下降，从而影响水生生物的生存。
此外，海堤还可能导致非点源污染物的积累和沉积，进一步恶化水质。
二、缓解海堤设施的影响的措施1. 环境评估和规划在建设海堤设施之前，必须进行全面的环境评估。
评估应包括对生态系统的影响预测和风险评估。
基于评估结果，制定合适的环境保护措施和规划，以减轻海堤对沿海生态系统的负面影响。
2. 生态修复和保护针对海堤建设造成的生态破坏，可以采取生态修复和保护措施。
这包括恢复受影响的栖息地，建立保护区和禁止捕捞区来保护受影响的物种，以及开展环境教育和公众参与活动。
3. 绿色工程设计在海堤设施的建设过程中，应采用绿色工程设计原则。
这包括减少土地开发、保留自然生境、使用可持续材料、节约能源等。
010107油气田地下地质学-18
油气田地下地质学》综合复习资料、名词解释1、定向井2、测井相3、可采储量4、岩心收获率5、孔隙结构6、储集单元7、断点组合8、探明储量9、沉积旋回10、异常地层压力11、油层有效厚度12、预探井13、参数井14、岩性标准层15、渗透率突进系数16、地质储量二、填空题1、压力降落法是利用由_________________ 和_______________ 两个参数所构成的压降图来确定气藏储量的方法。
因此，利用压力降落法确定的天然气储量又称为 _________________ 。
2、地层倾角测井的矢量图可以划分为_____________________ 、______________ 、______________ 、_________________ 等四种主要模式。
利用它可以揭示地下地质构造特征或沉积环境。
3、据我国油气勘探工作条例，探井可分为地质井、____________________________ 、________________ 、_________________ 和水文井等类型，各类探井的钻探目的和任务不同。
4 、油层有效厚度是指_____________________________________________ 。
研究有效厚度的基础资料有_______________________ 、_________________________ 、____________________ 资料等，三种资料均有局限性，必须综合利用。
5、碎屑岩油层对比单元由小到大可分为 ___________________ 、_____________________ 、_______________________ 、______________________ 四个级别。
6、勘探方案实施过程中，在有油气远景的局部构造经_______________ 钻探获得工业性油气流后，据区域地质条件分析和类比，可利用___________________ 的基本原理计算储量，该储量称为_______________ 储量。
水动力条件对水体富营养化的影响_梁培瑜
J．Lake Sci．(湖泊科学)，2013，25(4):455-462http://www．jlakes．org．E-mail:jlakes@niglas．ac．cn2013by Journal of Lake Sciences水动力条件对水体富营养化的影响*?梁培瑜1，2，王烜1，2＊＊?，马芳冰1，2（1：北京师范大学环境学院水沙科学教育部重点实验室，北京100875）（2：北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京100875）摘要：水动力条件是影响水体富营养化状态和进程的主要自然因素．研究水动力条件对水体富营养化的影响对于水体富营养化模拟、预测和控制具有十分重要的意义．水动力条件能直接作用于水华藻类细胞，影响其生长繁殖与种间竞争，同时改变水体环境及营养盐的状况．其中，流速不仅对藻类的生长聚集与分布具有十分明显的影响，同时还能影响水体营养物质与优势藻的种类；流量则主要通过单位时间内水量的变化影响水体富营养化的发生与消亡；水体扰动直接作用于水体中藻类细胞与藻团，加强藻类的聚集，同时影响营养物质的混合与运移，从而使水体富营养化得以发生并持续．本文综述了流速、流量和水体扰动等水动力因子对水体富营养化的影响研究，并对其未来的研究方向进行展望，最后指出：不同水动力条件对营养盐存在形态、藻类生长及水体富营养化状态的影响机理和水动力条件对水体富营养化影响的滞后性规律与临界值研究有待进一步加强．关键词：水动力条件；富营养化；流速；流量；水体扰动；藻类Effect of hydrodynamic conditions on water eutrophication：A reviewLIANG Peiyu1，2，WANG Xuan1，2＆MA Fangbing1，2（1：Key Laboratory for Water and Sediment Sciences of Ministry of Education，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing100875，P．R．China）（2：State Key Laboratory of Water Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing100875，P．R．China）Abstract：Hydrodynamic conditions，including the flow velocity，discharge and water disturbances，play a key role in the occur-rence，development，continuation and extinction of eutrophication．In order to prevent and control eutrophication，it is vital to study the influence of hydrodynamic conditions on eutrophication．Hydrodynamic conditions can not only affect the growth and in-terspecific competition of algae，but also change natural environment and nutrient loads of the water body．More details are as fol-lows．（1）The flow velocity has a very significant effect on algae aggregation and distribution，as well as nutrients and the dominant algae．It is also found that there is an adaption period of the growth of algae biomass to the change of the flow velocity．（2）Dis-charge makes an effect on eutrophication mainly by altering the flow velocity and water quantity．（3）Water disturbance，which mainly originating from wind and tide et al，directly acts on algae cells and groups in strengthening the aggregation of algae，as well as influences the mixture and transportation of nutrients in vertical and horizontal directions．Reynolds Number and the type of wa-ter circulation are also regarded as hydrodynamic factors，which can make influence to eutrophication．At present，the study of hy-drodynamic conditions'impacts on eutrophication is still in the stage of qualitative research．Some key issues，such as the influence on nutrients，the law of hysteretic nature and critical value of hydrodynamic conditions，still need further study．Keywords：Hydrodynamic conditions；eutrophication；velocity；discharge；water disturbance；algae水体富营养化问题是全球性的水环境问题之一．产生水体富营养化的主要原因是水体中藻类异常增＊＊＊国家科技支撑计划课题项目（2011BAC12B02）、国家水体污染控制与治理科技重大专项项目（2008ZX07209-009）和国家自然科学基金优秀创新群体项目（51121003）联合资助．20120928收稿；20130104收修改稿．梁培瑜，男，1990年生，硕士研究生；E-mail：lpyjx1990@mail．bnu．edu．cn．通信作者；E-mail：wangx@bnu．edu．cn．456J．Lake Sci．(湖泊科学)，2013，25(4)殖，而水华藻类动态变化受其内部生理特征和外部驱动因素的综合作用．影响藻类生长的外部因素不仅包括物理、化学和生物等因素，如阳光、营养盐类、透明度、水温和pH值等，同时也包括水体中的水动力条件，如流速［1-2］、流量［3］和水体扰动［4-5］等．水体中的水动力条件与藻类的生长繁殖有着密切的关系，它们不仅能直接作用于藻类，还对水体中营养盐状况与水温层结构有明显的影响，并间接作用于水体富营养化，因而是影响水体富营养化状态和进程的主要自然因素．在河流与河口，当流速较缓、流量适中的时候，浮游植物在适宜的营养条件下密度往往会显著增加，而在流速大、流量大的水体中藻类密度较小；在湖泊水库，由风场所形成的扰动不仅会导致局部出现大量的水藻，且能发现藻类生长快于水体静止的情况．大量的研究表明，水动力条件影响着藻类的生长，优势种演替、聚集，同时对各种营养盐、污染物质、泥沙与沉积物的形态、传输和分布产生影响［6-7］，从而对水华暴发起着重要的作用．除此之外，水流雷诺数、剪切力及水体循环形式等水动力因子也会对浮游藻类的生长与繁殖产生影响．研究水动力条件对水体富营养化的影响对于水体富营养化模拟、预测和防治具有十分重要的意义．本文对流速、流量、水体扰动等水动力因子对水体富营养化的影响研究进行综述，并对其未来的研究方向进行展望．1水动力因子对水体富营养化的影响不论是何种类型的流动水体，均为一定流速、流量下的热、质的载体，同时也存在因水体流场变化所造成的扰动．各种水动力因子的协同作用，共同影响着藻类生存的水体环境、营养盐的状况以及藻类的生长聚集、分布乃至藻类种群的自然选择，进而在水体富营养化的发生、发展与消亡过程中发挥关键作用．对于不同的水体类型，由于发生富营养化的机理与水体的营养状况不同，各种水动力因子发生作用的方式和效果也各异．1．1流速的影响流速是表征水动力条件最基本、最直观的因子，它对藻类的生长、聚集与分布具有十分明显的影响．目前的研究多采用室内模拟的手段，在控制其它条件一定的情况下，研究不同流速对单一藻类的影响．赵颖等［8］通过室内模拟得出，在其它条件满足藻类生长需求的条件下，流速、温度对藻类生长均有一定的影响，其中流速的影响作用更为显著．李林等［9］与曹巧丽［10］基于实验得出不同的水流流速对微囊藻生长的影响直接表现为，改变了藻类的生长周期和比增长率，最终影响到藻类的最大生物量．不少野外实验也表明水流作用对水体中水华藻类的发生及富营养化有明显的影响．任健等［11］与高昊东等［12］分别对水华频发的太湖和烟台四十里湾海域进行研究，发现水流条件是研究区内蓝藻暴发的主要诱导因素之一，合适的流速环境能给水华与赤潮的发生营造有利的外部环境．Acuna等［13］与Mitrovic等［14］分别对南美河流（Pampean stream）与达令河（Darling）进行研究指出，较缓的流速能促进悬浮藻类的生长，而过高的流速则抑制悬浮藻类的生长，并且较大流速能有效地阻止水华的形成与发展，消除已经形成的水华．流速能使原来悬浮质中的一些磷、氮营养元素在机械等理化和生物作用下，释放到水体中，从而影响藻类变化，最终对水体富营养过程与水华的暴发产生影响．Finlay等［15］从生态角度认为流速改变河流食物网的能流状况，并影响藻类对碳的吸收．Koch［16］以摩阻流速作为研究因子，得出较大的摩阻流速（＞1．0cm/s）对石莼的生长不利，而当摩阻流速为0 1．0cm/s时，水体中能形成充足的碳源，从而促进石莼藻类的生长．流速条件不仅对单一藻类的生长产生影响，而且还能改变水体中藻类的群落及优势种的类型．流速运动促使水体中浮游藻类向水流方向运移，影响藻类的混合，甚至对固着藻类产生冲刷作用，从而影响藻类个体的存在、生长与藻类群落结构．Sherman等［17］通过实验研究发现，流速影响水体温度层的结构从而间接影响藻类种群，并对直链藻与项圈藻2种藻类的优势性产生影响．Mcintire等［18］在实验室中研究流速对固着藻类组成的影响，指出在较快的流速中硅藻一般成为优势种；而在较慢的水流环境中，则毛枝藻、鞘藻和黄丝藻常常变为优势种．藻类对水流流速有一个适应范围，且不同藻类的适应范围与适应度并不一致．在一定流速状态下，较适应的藻种能取得较好地生长并成为优势种．有研究认为，优势藻类与水体温度层的结构有关，而温度层的持续与稳定又受到河流流速的影响，因此河流流速通过影响水体的温度层结构间接影响藻类的生长［19］．大量研究表明，适宜的水流有利于藻类的生长和繁殖，因为水的运动使藻类不断地得到新营养物质的供梁培瑜等:水动力条件对水体富营养化的影响457应．然而，较大的水流流速会导致较大的剪应力和切变速率，易导致藻类细胞的破坏［20］．因此，水流流速对藻类生长与水华的影响存在一个最适值，即临界流速．王华等［21］对微囊藻的室内实验得到在设定的环境条件下微囊藻的细胞增长率与流速的关系，可看出环境中流速低于或超过某个值都不利于微囊藻的生长繁殖（图1）．Long等［22］通过建立模型对叶绿素a浓度的时间与空间分布进行预测分析，认为0．04m/s是浮游藻类生长的最佳流速．Olivier等［23］观测到松藻的存在与存活受不同波浪和水流的影响，认为水流作用的水力拖曳力对松藻的形态与存活有一个最大影响值，并通过室内实验得到松藻生存的临界流速为0．5m/s．Mitrovic 等［19］通过在淡水达令河测量得到，项圈藻大量暴发的临界流速为0．05m/s．研究者在不同区域得出的临界流速并不相同，而藻类对流速的适应性也存在差异，同时有研究认为藻类生长的临界流速值在各种水体营养条件下也不尽相同［24］．对于临界流速的存在，大多是基于特定区域的监测数据推断得出，由于研究区域和藻类种属较分散，同时临界流速影响因素的机理研究还未深入展开，使得相关结论缺乏可移植性．此外，王婷婷等［25］认为流速影响铜绿微囊藻各个生长时期的长短，且铜绿微囊藻对流速的适应需要一定的时间（图2）．藻类对外界环境的改变有一个适应阶段，最终表现为流速对藻类生长的影响具有滞后性，这种滞后性表现在藻类的最大生物量与最大比增长率达到稳定的时间延迟［26］．也有学者通过统计分析与模型得到藻类与水体流速的定量关系，包括藻类浓度与流速的关系式a= m·exp（k/v）［27］、y=34．042－293．725u+821．265u2－603．45u3［28］，藻类生长速率中引入流速影响函数式f（u）=v ru［29］，对叶绿素a浓度与藻类关系进行模拟预测的二维非稳态藻类生长模型［21-22］，水动力浮游植物耦合模型［30］等．这些定量公式主要是通过曲线拟合得到，或基于水动力模型与藻类生长模型的耦合并在模型中加入流速参数或者流量影响因子式等．目前从藻类与水体流速的定量研究中得到大量经验公式，同时在相关模型中流速也作为水动力参数之一，但对流速与藻类之间的定量关系描述并不成熟．为了更好地描述和量化流速变化对藻类生长的外部环境和自身发展的影响，以便为水体富营养化防治提供科学依据，需要进一步从机理层面研究流速对藻类的影响和作用机制．1．2流量的影响流量作为水动力条件的因子之一，也是影响水体富营养化的重要因素之一．Ha等［2］和Jeong等［31］通过在河流中进行长期观测，认为流量的输入影响河流中浮游藻类的生物量，同时也是引起河流中水华现象的主要外部原因之一．Lung等［3］在Neuse河建立数学模型对4种藻类进行模拟，结果得出淡水流量的输入对水华产生重要影响．流量对水体有一个稀释作用，从而对水体营养盐浓度产生影响；同时流量使水体营养盐的交换作用加强，从而影响水体中藻类的生长环境．林卫青等［32］利用生态动力学模型预测表明水体停留时间的长短是决定藻类是否过度繁殖的重要条件，加大引水流量、减少淀山湖水体停留时间是有效控制蓝藻水华的重要途径．龙天渝等［33］对嘉陵江重庆主城段的藻类生长情况进行了研究，结果表明大坝上游的来流量和大坝泄水量均较小时，藻类密度平均值和藻类质量净增量最大；而当来流量增大时河段的藻类生长受到抑制，且消亡率大于生长率．458J．Lake Sci．(湖泊科学)，2013，25(4)流量对水体富营养化的影响同样有一个范围，过大的流量所产生的冲刷与稀释作用使藻类不能集中暴发，而过小的流量往往不能满足水华暴发的条件．Acs等［34］对多瑙河（Danube）的研究表明，低流量（100 400m3/s）有利于硅藻的生长，而过大的流量对硅藻的生长有抑制作用．流量对水体富营养化的制约作用十分显著，谢平等［35］通过富营养化动力学模型研究得出，在营养条件已满足藻类生长需求的情况下，流量、流速是制约汉江水华发生的关键因子；并提出当流量高于500m3/s时，可有效防止汉江水华发生．虽然流量越大对水体富营养化的抑制作用越明显，但在当前水资源十分紧缺的情况下，使用过大的流量来防止水体富营养化并不现实，因此流量对水体富营养化影响的研究主要集中于一个有效值如环境流量（environmental flows）［36］上．1．3水体扰动的影响水体扰动是水动力条件的重要因子，同时影响着水体环境的稳定，对藻类生长与水体富营养化的水体环境有着必然的影响．水体的扰动主要来源于风场［37］、潮汐［38］等的扰动作用，水体中扰动场的存在能为藻类的生长繁殖提供一定的环境，适度的水体扰动往往能降低藻细胞周围代谢产物的浓度，促进水体藻类的生长，最终导致水华的暴发．Kriss等［39］对小范围扰动进行了试验并通过多元统计分析得到，浮游植物生物量及叶绿素a浓度与扰动强度呈正相关．蔡卓平等［40］的研究表明风浪扰动能显著地促进藻类的细胞增殖，且其最大生长速率与生物量均大于静止培养下的值．水体扰动能直接作用于水体中的藻类细胞与藻团，加强藻类的聚集，改变形成水华的生物学条件，并影响营养物质的混合与运移，从而促进或削弱水体富营养化．大风浪扰动能引起浅水湖泊中颗粒态和溶解态营养盐浓度的迅速提高，并为水华蓝藻的快速生长提供大量可直接利用或酶解的营养盐［41］．水体垂向扰动有助于藻细胞对水分和营养物质的吸收并增强悬浮物的混合，进而促进水华藻细胞的生长与藻类的繁殖，同时能加强藻细胞的悬浮，防止细胞沉降到底部，进而促进藻细胞的密度增长和聚集［42］．在一定强度的风浪下，水体的垂直混合会引起初级生产力的垂直变化，影响浮游藻类的组成及生长并抑制藻类的增长和聚集，从而削弱水华［43］．水体横向扰动会使水体中藻类产生定向的漂移与聚集．Webster［44］、朱永春等［45］通过模型模拟在风场所形成的水体扰动下浮游藻类密度与分布得到，藻类在湖泊中的分布随风场而漂移．对太湖的研究发现，太湖高频率的东南东风和东南风，使得蓝藻向太湖的中西部和北部漂移居多，从而导致2007年太湖蓝藻水华暴发的区域大部分位于太湖蓝藻密度较大的中西部和北部地区［46］．水体扰动是藻类种间竞争的选择推动力之一，通常认为生物的生长速率与扰动具有正相关关系，小规模的水流扰动有利于藻类的生长和繁殖．减少光照波动，增加藻细胞与周围介质的营养、代谢产物的交换速率，可使藻类不断得到新的营养物质供应，从而增加生产力和光合作用效率［20］．然而，不同扰动强度下不同藻类的生物量不同，生长速率也不同．李冬梅等［47］在室内实验研究发现，扰动对中肋骨条藻、具齿原甲藻等10个藻种生长存在不同影响，10种藻类对扰动表现出不同的生长反应．颜润润等［48］设置5个扰动强度对铜锈微囊藻和斜生栅藻进行实验，研究表明扰动为150转/min时微囊藻的比增长率小于栅藻，其它扰动强度下微囊藻的比增长率均大于栅藻．Mischke等［49］研究了德国2个相似的超富营养浅水湖泊中蓝藻对扰动的反应，发现在蓝藻出现优势的夏季，受风扰动影响小的湖泊中优势种为湖生蓝丝藻，而受风扰动影响大的湖泊中优势种则为阿氏浮丝藻．藻类细胞大小、形态和生活方式等对水体扰动的适应性均有差异，且不同藻类对水体扰动的适应范围也有不同，一定的水体扰动能促进某些藻类的生长而抑制其它藻类的生长，进而改变水体中的藻种．扰动不仅有助于藻细胞对营养物质的吸收，而且能够提高藻细胞对营养物质的利用率．藻细胞的最大生长情况只在某一最适水体扰动下才能得到．颜润润等［50］的实验表明，在太湖4．0m/s的风速所产生的扰动强度最利于铜绿微囊藻的生长．Li等［51］将流量的变化作为一个扰动，通过对三峡水库支流澎溪河的观测得到，当日流量变化为19．46m3/s时所产生的扰动为最适流量扰动．目前有关水体扰动对富营养化影响的表示方法主要包括风场大小、实验振动强度及流量变化值等间接方法，而并未形成水体扰动强度的统一表示方法．水体扰动临界值是控制藻类生长和水体富营养化的关键数据，加强对水体扰动的表示方法与临界值的研究十分必要．1．4其它水动力因子的影响水动力条件不仅仅体现在流速、流量与水体扰动3个因子上，国内外很多学者从不同的角度，对水动力梁培瑜等:水动力条件对水体富营养化的影响459条件的其它表征因子进行研究．王云中等［52］从静止、水循环和泥循环3种情景下对藻类演替进行研究认为，水循环引起TP浓度减少及蓝藻聚集状态的破坏，导致了藻类的生长明显减缓，但也使水体中优势种的演化过程变得复杂；泥循环导致水体TP浓度的极大减少及浊度的极大增加，从而抑制藻类的生长．Midhat等［53］通过实验研究剪切流对栅藻生长的影响得到，藻类最大生长率的临界雷诺数为2500；同时从能量耗散的角度分析了藻团在不同剪切力下的分布规律，结果表明当剪切力为62．3ˑ10－3m2/s时藻团密度达到最大，而当剪切力达到181ˑ10－3m2/s时藻团细胞则会被破坏．营养盐的存在是水体富营养化得以发生并持续的关键要素．研究表明水动力条件能影响水体中营养盐的分布与存在形式［54］，也能改变水体理化环境因子如悬浮物、透明度、pH和营养盐浓度［55-56］，进而影响水体富营养化．彭进平等［57］以太湖为对象进行模拟实验表明，随着水体流速从0cm/s增加到60cm/s，水体中TP 质量浓度的变化出现下降期、上升期和突增期3个时期；在低流速下，水体的TP主要以溶解性磷的形式存在，且质量浓度可达87%，对水体环境不利．水动力条件还能影响水体环境，如水体边界层的厚度，从而影响向细胞提供营养盐的供应速度，即影响细胞对营养盐的吸收速率［58］，而水动力条件如何影响藻类对营养盐吸收的研究并不多，其作用机理尚不十分清楚．2讨论各种水动力条件对水体富营养化的影响总结如表1所示．需要特别注意的是，水体富营养化受各个水动力因子的作用并不是孤立存在、简单叠加的关系，它们之间相互联系、相互影响，具体分析如下：（1）流速与流量密切相关．在物理量的表征上，流速与流量可通过过水面积进行转换，当面积一定时，纵向流速与流量一般呈正相关．然而，由于水体边界条件不同，湖泊水库和河渠的水动力条件下藻类生长规律存在明显差异．在河渠中，水流的流速直接决定了流态（层流、过渡流、湍流），而流态的变化造成水流剪应力的变化及藻类对水流剪应力的响应发生变化［20］，因此流速是这类水体发生富营养化的决定性水动力因子．而在营养盐相对充足、水流缓慢及适宜的气候条件下，湖泊、水库水体发生“水华”现象远多于河流．此时，流量的输入促进了营养物稀释与混合，因此水流的流量大小对营造水体富营养化的外部环境、改变藻类的生物量具有至关重要的作用．（2）扰动的作用．不论湖泊水库还是河渠，均存在流场变化所造成的扰动．在河渠中，水流的主体从上游向下游单向流动，藻类在水域中按照主流方向迁移，并在空间上扩散沉降，故在低扰动下水动力对藻类的聚集作用和对其生长的促进作用不容易表现出来［59］．对于湖泊而言，水动力条件主要由湖水表面的风扰动而产生，水体流动结构主要是以平面和立面环流的形式存在，风通过摩擦作用将动能传递给水体后，会产生波动和流动，单纯的波动流速或水流流速都不能代表波、流共存的特性．因此湖泊的水动力条件不同于河渠，以往研究中关于流速对藻类生长影响的规律不完全适用于湖库，水体扰动对富营养化影响更显著．因此，对于不同的水体类型，发生富营养化的机理和关键水动力因子不同，需要结合水体特点研究水动力因子的作用机制．表1水动力条件对水体富营养化的影响Tab．1Influence of hydrodynamic conditions on water eutrophication水动力因子表征因子产生作用影响方面研究特点流速流速，摩阻流速水平迁移，混合作用水体环境，藻类生长周期、增长率，藻类密度，优势藻种类型等室内研究为主，研究区域集中于河流流量流量，水力停留时间稀释作用，交换作用水体环境，藻类生长，藻类密度等观测分析与模拟研究为主，研究区域为河流、水库与湖泊水体扰动风场强度，潮汐强度，振动强度，摩阻流速垂向混合，水平迁移水体环境，藻类聚集，营养物的运移、混合与吸收效率，优势藻种等室内研究为主，研究区域多为湖泊、水库与海湾等其它雷诺数，水体循环类型剪切作用，混合作用水体环境，藻类细胞，营养盐等实际湖体中，藻类生长及水华的变化是多种因素的叠加效应．水动力条件不仅使水体中本身的营养物460J．Lake Sci．(湖泊科学)，2013，25(4)质充分被藻类利用，还会通过水体搅动使底泥或悬浮物中的一些氮、磷营养元素释放到水体中．水体的营养条件亦会影响水动力因子作用的效果，如低、中营养条件下，藻细胞的生长易受扰动影响，而高营养条件下，藻类受扰动影响不大，扰动却可以改变由营养水平不同所引起的藻类生长的差异［20］．因此，需要综合考虑各种外界因素对水体富营养化的影响．藻类对水体温度、水体结构等水体环境及营养盐状况有一定的耐受程度［60-61］，而水动力因子均对水体温度层与水体结构产生直接影响，同时影响水体营养物质的混合、迁移与悬浮物的吸附、解吸附作用，使得水体藻类的生长与繁殖对水动力条件存在着同样的耐受性，在相关研究时常能体现在水动力条件对藻类生长与富营养发生的临界值上．研究不同水体与营养条件下富营养化发生的机理，明确水动力因子的临界值，对防治与控制水体富营养化有十分实用的价值．由于水体富营养化本身是一个过程，藻类的生长存在不同的阶段，使得水动力条件对水体富营养化的影响存在一个滞后效应．这种滞后效应主要源自于水动力因子对水体环境的改变需要一个过程，同时水华藻类对水体环境的适应也存在一个过程．目前有相关研究的报道，但并未对水体富营养化的这种滞后响应的规律进行深入探讨．弄清这种滞后规律能进一步精确地预测水华的暴发．3结语与展望水动力条件对富营养化的影响不但体现在对水体富营养化藻类的影响上，而且体现在对水体富营养化存在与发展的水体环境的影响上．流速、流量与水体扰动是水动力条件对水体富营养化影响的主要因子．流速与水体扰动不仅能通过对水华藻类的生长、聚集与藻类结构产生直接影响，而且对水体中营养盐的运动与混合产生影响，进而影响水体富营养化的生成、发展、持续与消亡．而流量因子则从水量与流速上对水体富营养化的发生与持续产生影响．同时，水动力条件对水体藻类生长与富营养化程度的影响并不是一个简单的线性关系，而是存在一个临界值，高于或者低于这个值都会对藻类生长与富营养化起到抑制作用．目前水动力条件对水体富营养化的影响研究虽然已取得了一定成果，但是水动力条件对水体富营养化产生影响的定量关系尚不明确，同时这种影响往往还有一个滞后过程，加之水体富营养化受到水温、营养盐、泥沙等其它因素的综合影响，过程复杂，在研究方法和技术手段等方面仍有待完善．为了进一步提高研究结果的可靠性和合理性，本文提出以下几点展望：1）了解不同水动力条件（流速、流量条件及不同扰动强度等）对营养盐存在形态、藻类吸附营养盐离子和悬浮物的程度、速率的影响，对于准确把握水体富营养化状态十分关键，因此需要深化相关的机理研究．2）藻类受水动力条件影响的滞后性在水体富营养化的生成与发展过程中具有十分重要的作用，弄清这种滞后规律能更好地预测预报水华暴发的持续时间和影响范围，为水生态预警服务．3）水动力因子对水华藻类的影响存在一个临界值，且不同藻类的临界值不同，同时这个临界值也受水体营养程度等因素的影响，具有高度的复杂性和不确定性．为了解决上述问题，需要以水动力学模型为基础，耦合生态模型、系统动力学理论及智能算法等，由此来精确模拟水动力条件对水体富营养化的影响，这将成为今后发展的一个主要方向．4参考文献［1］Marshall HG，Burchardt L．Phytoplankton composition within the tidal freshwater region of the James River，Virginia．Proceedings of the Biological Society of Washington，1998，111：720-730．［2］Ha K，Cho EA，Kim HW et al．Microsystis bloom formation in the lower Nakong River，South Korea：importance of hydro-dynamics and nutrient loading．Marine and Freshwater Research，1999，50：89-94．［3］Lung WS，Paerl HW．Modeling blue-green algal blooms in the lower Neuse River．Water Research，1988，22：895-905．［4］Steinberg C，Hartmann H．Planktonic bloom forming cyanobacteria and the eutrophication of lakes and rivers．Freshwater Biology，1988，20：279-287．［5］Eldridge M，Sieracki ME．Biological and hydrodynamic regulation of the microbial food web in a periodically mixed estuary．Limnology and Oceanography，1993，38：1666-1679．［6］曾勇，杨志峰．城市湖泊水华预警模型研究———以北京“六海”为例．水科学进展，2007，18（1）：79-85．。
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水动力条件对沉积物—水界面氧通量的影响郑阳华;邹浩东;何强;李宏;张青;陈德敏;艾海男【摘要】氧环境决定了水体沉积物中各种生命所需元素的最终归趋,沉积物—水界面是水相与沉积物相氧传递的重要场所,而水动力条件是影响沉积物—水界面氧传递的重要因素.选择三峡库区一级支流御临河为研究对象,根据长年监测数据建立实验室模型,采用声学多普勒流速测试仪及微电极测试系统构建了非侵入式涡度相关测试系统,探究了不同水动力条件对沉积物—水界面氧通量的影响.结果表明:水体静止状态下沉积物—水界面溶解氧浓度随时间的增加而减少,非静止状态下随时间的增加而增加;沉积物—水界面氧通量随水体流速的增加而增加.根据氧通量求解对应流速下垂直涡动扩散系数并进行线性拟合,当水体流速为0.01-0.14 m/s时,垂直涡动扩散系数与水体流速的相关性最好,此时沉积物—水界面氧通量的传递以涡动扩散为主导.【期刊名称】《湖泊科学》【年(卷),期】2018(030)006【总页数】8页(P1552-1559)【关键词】沉积物—水界面;涡度相关测试系统;水动力条件;氧通量;垂直涡动扩散系数;水体流速;御临河【作者】郑阳华;邹浩东;何强;李宏;张青;陈德敏;艾海男【作者单位】重庆市环境保护局,重庆401147;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400044;长沙市规划设计院有限责任公司,长沙410000;重庆大学法学院,重庆400044;重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400044【正文语种】中文沉积物是水体中物质与能量代谢的重要场所[1], 沉积物中氧环境决定了物质在沉积物中的赋存形态与最终归趋[2-7]. 沉积物中的氧主要来源于上覆水体中溶解氧的传递,而沉积物-水界面(sediment-water interface,SWI)是氧传递发生的重要区域.这种传递作用主要受以下几种条件的影响：(1)沉积物的耗氧——沉积物中的耗氧过程主要有生物呼吸作用(如底栖生物、微生物)、有机物质降解作用(如有机碳化合物)、还原性物质的氧化作用(处于还原态的硫、铁、锰等)；(2)上覆水体中的氧浓度——水体中氧浓度受大气复氧、浮游植物光合作用产氧等影响；(3)水体水动力条件——氧从水相向沉积物相的传递方式包括分子扩散与涡动扩散,水动力条件主要影响扩散的速率.关于SWI氧通量的研究,大部分集中在海洋[8-10],近年来,也有学者开始关注湖泊中氧的传递过程,但对于河流水体中氧传递过程却关注较少,而且往往将SWI氧通量与水中营养盐等物质相关联[11-15]. 然而,SWI氧通量的大小除了与水体中的物质有关之外,水动力条件也是影响它的重要因素. 目前,关于水动力条件对SWI氧通量影响的相关研究还比较少.在准确表征SWI氧通量的产生、影响因素方面,高精度的原位监测技术成为了主要制约因素. 随着计算机科学的发展以及传感技术的进步,非侵入式涡度相关原位监测技术被逐步应用于SWI通量的研究中[16] 其理论基础是由Montgomery(1948)、Swinbank(1951)、Obukhov(1951)提出的[17],核心在于对测试点流速与氧浓度的同步监测. 该方法在过去的几十年内已经普遍应用于土壤-大气、海洋-大气、海洋-沉积物等界面之间的CO2、水汽等的通量测量[18-19],近年来慢慢被应用于天然水体的通量原位监测[20-21]. 如McGinnis等与Brand等[22-23]分别采用涡度相关技术对Wohlen水库和Alpnach湖的SWI氧通量进行了研究,结果表明涡度相关技术是测量天然水体氧通量的一种极为有效的方法.SWI氧通量受外部环境条件影响较大,特别是水动力条件. 因为水动力条件会改变氧在SWI的传质原理,而以往的研究对此关注较少. 论文选取三峡库区一级支流御临河为研究对象,原位采集底泥沉积物与上覆水,模拟天然水体环境. 构建非侵入式涡度相关测试系统,探究不同水动力条件对SWI氧通量的影响, 旨在深化人们对水体SWI氧通量的理解.1 材料与方法1.1 实验装置图1 装置示意图(1. 多普勒测速仪；2. 溶解氧微电极；3. 自动往返轨道；4. 搅拌转子；5. 微电极测试系统；6. 多普勒测速系统)Fig.1 The schematic diagram of the device实验装置如图1所示. 该实验装置为长×宽×高=1.2 m×1.0 m×0.8 m的长方体水槽,框体材质为有机玻璃. 在距长方形水槽短边40 cm处左右各设置一根铁架,在铁架中心对称设置两台可调转速的搅拌转子,通过调节转速,可模拟各种水动力条件. 装置正中铺设有速度可调节的自动往返轨道,多普勒测速仪可固定在轨道下方自动往复. 轨道中间设置有可伸缩调节高度的竖杆,将溶解氧微电极固定于竖杆上,调竖杆节高度使微电极探头位于多普勒测速仪正下方. 实验过程中所用多普勒测速仪与微电极测试系统通过电缆各自连接多普勒测速仪主机及微电极测试系统主机,用于将各自信号输出到计算机并通过相应软件转变为所需数据.图2 御临河区位Fig.2 The location of Yulin River1.2 实验材料研究采用的样品底泥沉积物及上覆水均采集于御临河(图2). 御临河(29°34′45″～30°07′22″N,106°27′30″～106°57′58″E),是三峡库区库尾、长江一级支流. 根据长年监测数据,受三峡工程成库与回水影响,御临河在每年4-9月处于放水期,平均流速约为0.05～0.33 m/s; 10月-次年3月处于蓄水期,平均流速约为0.01～0.08 m/s,河流呈现明显的湖库型特征. 使用便携式沉积物采样器采集底泥,所采底泥沉积物尽量减少扰动,保持原状并将其迅速放置于聚乙烯桶内密封保存,运回实验室进行预处理. 将经预处理后的底泥均匀平铺在装置底部,厚度约为10 cm. 上覆水用简易采水器于同一位置采集,置于聚乙烯桶内,运回实验室. 实验开始前对上覆水进行测试,高锰酸盐指数为12 mg/L,总氮浓度为1.8 mg/L,氨氮浓度为1.6 mg/L,总磷浓度为0.1 mg/L. 用虹吸法将上覆水引入水槽,控制水深为50 cm,实验室温度25℃,气压981.45 hPa.1.3 非侵入式涡度相关测试技术涡度相关是一种基于湍流理论和统计分析的测试技术,采用非侵入式涡度相关测试技术[16]测量不同水动力条件下的SWI氧通量,原理简介如下.水体中任意时刻和位置处,控制水柱中由平流传输和分子扩散引起的垂直氧通量O2Flux(mmol/(m2·s))可表示为：(1)式中,uz为垂直流速(m/s),C为溶解氧浓度(mmol/m3),D为水中分子扩散系数,z为垂直距离为氧的浓度梯度(mmol/m4).因为湍流扩散在绝大部分自然水体扩散边界层中起主导作用,分子扩散作用可忽略,上式可简化为：O2Flux=uz·C(2)此外,由雷诺分解,有(时均速度+脉动速度)和(时均浓度+脉动浓度).假定代入上式,运用雷诺平均法则,上式可进一步简化为：(3)式中,N指实验中计算时段内获得的由溶解氧浓度及对应垂直流速组成的有效数据的组数,表示氧通量在计算时段内的时均值. 该式表明,某段时间内垂直方向上通过单位面积的氧通量大小等于水流的垂直流速与氧脉动浓度的协方差.实验原始数据由多普勒测速仪(River Surveyor M9,美国SonTek公司)以及溶解氧微电极(OX25,丹麦Unisense公司)获得. 其中,溶解氧微电极主要测量实验装置往返轨道中心点下方对应SWI中心点上方(底泥中心点上方10 cm)处的溶解氧浓度,设置为每3 s获取1个溶解氧数据. 多普勒测速仪主要测量不同水动力条件下该点的垂直流速. 测得SWI中心点上方位置的垂直流速以及溶解氧浓度后,利用上述涡度相关测试技术即可计算出对应水动力条件下SWI的氧通量.1.4 垂直涡动扩散系数求解方法自然状态下的河流一般处于紊流状态. 水体的涡动程度可以用垂直涡动扩散系数(Coefficient of vertical eddy diffusion,Kv)来衡量. 垂直涡动扩散系数是对混合强度的一个度量,用以表征在水体上、下层之间气体和营养物质的交换,以及动量和热量的交换[24]. Imboden和Emerson[25]基于菲克(Fick)方程,使用温跃层的Kv和缺氧湖下层与好氧混合层之间的磷浓度梯度计算出磷扩散进入混合层的通量. 类似地,用溶解氧的Kv乘以水体上下层之间氧的垂直浓度梯度时,得到的数值可以提供这两个区域之间单位面积氧的交换率,即氧通量. 计算公式如下：(4)式中,Kv为垂直涡动扩散系数(m2/s).1.5 实验设计根据长年监测结果,选取5个不同的水动力条件,通过依次调节搅拌转子转速,使实验装置测量点在垂直流速为0±0.01、0.03±0.02、0.07±0.02、0.12±0.02和0.20±0.02 m/s(平均流速为0、0.03、0.07、0.12和0.20 m/s)的条件下分别运行1 h,即为1组实验. 每组实验重复进行5次.2 结果与讨论2.1 不同水动力条件下SWI氧通量的解析以平均流速为0 m/s为例,展示利用涡度相关测试技术所获得的单组测试结果(图3). 当监测点垂直流速介于-0.01～0.01 m/s之间时,取3 min为周期,用微电极测得的瞬时溶解氧浓度C计算该周期内溶解氧平均浓度之后由雷诺分解计算溶解氧脉动浓度C′；用多普勒测速仪测得该点瞬时垂直流速uz,假定则根据非侵入式涡度相关测试系统算法计算与C′的协方差,即得该周期内SWI氧通量在-1.756～1.031 mmol/(m2·h)之间波动. 同理,以30 min为周期,计算得到静止状态下SWI氧通量为-0.230 mmol/(m2·h),负号表明,氧在SWI由水相向沉积物相传递.图3 平均流速为0 m/s时监测点垂直流速、氧浓度和SWI氧通量 Fig.3 Vertical velocity, O2 concentration and SWI oxygen flux when the average velocity is 0 m/s当平均流速为0 m/s时,5组实验中监测点的溶解氧浓度均随时间的增加而减少. 产生这种现象的原因可能是水体在静止状态下,氧从水相向沉积物相传递速度大于气相向水相复氧速度,导致上覆水体中溶解氧浓度不断降低,在第1组实验中从29.994 mmol/m3降至27.424 mmol/m3,溶解氧浓度变化量为-2.570 mmol/m3. 而当水体处于非静止状态,即平均流速大于0 m/s时(图4),监测点的溶解氧浓度均随时间的增加而增加,且变化幅度随扰动流速的增加而增加. 这可能是由于水体扰动使得大气复氧速率增加,而氧在SWI中的传递除了受水动力条件的影响外,还受其他因素的影响,导致氧从水相传递至沉积物相出现滞后,因而造成监测点溶解氧的累积.图4 监测点溶解氧浓度Fig.4 The dissolved oxygen concentration of the monitoring point图5 实验氧通量结果Fig.5 The oxygen flux results of the experiment依次提高搅拌速度改变水动力条件,重复进行5次实验,即为1组实验. 重复进行5组实验,利用上述计算方法,得到氧通量(图5).图6 水体流速为0～0.01 m/s(a)、0.01～0.14 m/s(b)和0.18～0.22 m/s(c)时垂直涡动扩散系数随流速变化Fig.6 The variety of vertical eddy diffusion coefficient with flow rate at the velocity of 0～0.01 m/s(a)， 0.01～0.14m/s(b) and 0.18～0.22 m/s(c)在实验模拟的水动力条件范围内,SWI氧通量大小随着平均流速的升高而升高,在平均流速0、0.03、0.07、0.12和0.20 m/s下的氧通量平均值±标准差分别为-0.213±0.022、-0.561±0.080、-0.952±0.092、-1.561±0.140和-2.955±0.094 mmol/(m2·h),误差在实验允许范围内.2.2 不同水动力条件对垂直涡动扩散系数的影响根据实验数据,首先求出每3 min周期测量点SWI氧通量,然后利用公式(4)求解不同流速下Kv. 根据数据分布特点,选择进行线性拟合,建立水体流速与 Kv之间的单因素回归模型,得出不同水体流速u与Kv的拟合函数Kv=au+b. 其中a具有m的量纲,b具有m2/s的量纲,根据不同的流速区间,a、b取值不同.1)水体流速为0～0.01 m/s时SWI的Kv模型(图6a). 当水体流速为0～0.01 m/s 时,溶解氧的Kv与水体流速的拟合函数为：Kv=1.085×10-7u+8.662×10-10(5)式中,Kv为垂直涡动扩散系数(m2/s)；u为水体流速(m/s).此时,垂直涡动扩散系数在0.9×10-9～2.2×10-9 m2/s之间,与Hofman等[28]测定的氧在沉积物表层的扩散系数(0.003×10-9～0.010×10-9 m2/s)在数量级上是一致的,不同之处在于当水体流速接近0.01 m/s已不能与曲线较好的拟合. 另外,垂直涡动扩散系数与流速的R2值达到0.8611,相关性较好. 结果表明,当水体流速介于0～0.01 m/s之间时,由于流速非常小,此时分子扩散与涡动扩散的共同作用造成SWI溶解氧的传递.2)水体流速为0.01～0.14 m/s时SWI的Kv模型(图6b). 当水体流速为0.01～0.14 m/s时,溶解氧的Kv与水体流速的拟合函数为：Kv=1.165×10-7u+8.637×10-8(6)此时,水体处于紊动且底泥未悬浮状态,溶解氧Kv随着水体流速的增加线性增加,垂直涡动扩散系数与流速之间的R2值达到0.9828,此阶段SWI氧通量主要由垂直涡动扩散起主导作用,数量级远远大于分子扩散. 随着水体流速增大,引起SWI水体的扰动,扩散边界层(diffusive boundary layer,DBL)厚度不断减少,底边界层(bottom boundary layer,BBL)厚度不断增加,紊动传质距离增加. 形成较大的溶解氧扩散梯度,沉积物作为汇,溶解氧由上覆水体源源不断向沉积物补充.3)水体流速为0.18～0.22 m/s时SWI的Kv模型(图6c). 当水体流速为0.18～0.22 m/s时,溶解氧的Kv与水体流速的拟合函数为：Kv=2.686×10-6u-2.885×10-7(7)此时底泥沉积物普遍开始悬浮,水体开始浑浊,悬浮量随着速度的增加而增加. 沉积物中还原性物质迅速耗氧,靠近底泥的BBL甚至可能形成缺氧状态. 随着水体流速的增加,BBL中涡动扩散更加明显. 垂直涡动扩散系数与流速之间的R2值仅为0.1306. 其原因是沉积物再悬浮时,底泥中的有机物和还原性物质与溶解氧的接触面积大大增加并充分反应,氧通量大幅增长,而涡动扩散系数不再仅受水体流速影响.2.3 不同水动力条件下SWI氧通量的变化规律由5组实验每小时氧通量变化量与变化率图(此时氧通量变化量与变化率在数值上相等)可知,不同水动力条件下的氧通量变化量与变化率呈现明显的三段式特征,具体表现为：0～1 h,水体处于静止状态,平均流速为0 m/s,此时有少量氧通量存在. 1～2 h,水体平均流速为0.03 m/s,水体由静止开始缓慢流动,分子扩散与涡动扩散共同起主导作用,上覆水体氧浓度迅速增加,变化率从无到有,斜率较大,平均为0.348mmol/(m2·h2).图7 不同水动力条件下SWI氧通量的变化量与变化率Fig.7 The change of SWI oxygen flux and the rate of change under different hydrodynamic conditions2～3和3～4 h的水体平均流速分别为 0.07 和0.12 m/s,此时水体处于紊动状态,涡动扩散起主导作用. 此时,溶解氧由水相向沉积物相传递的大小主要由水体流态决定,BBL涡旋尺度在这个流速区间增加较慢,变化率较为平缓,氧通量变化率平均值分别为0.390和0.609 mmol/(m2·h2)(图7).4～5 h,水体平均流速变为0.20 m/s,水体处于紊动状态. 同时,SWI表层底泥开始悬浮,表层底泥与水的接触面积大大增加,沉积物中耗氧物质与氧充分反应,微生物呼吸作用更为活跃,氧浓度梯度大,传质速率高,氧通量变化率达1.394 mmol/(m2·h2),约为4 h末的2.3倍. 此时,涡动扩散系数不再仅受水体流速影响(图7).3 结论利用涡度相关技术测试了不同水动力条件下SWI氧通量大小,分析了不同水动力条件下氧通量的变化规律和影响因素,得出以下结论：1)不同水动力条件对SWI溶解氧浓度有较大影响. 在静止状态下,氧从水相向沉积物相传递速度大于气相向水相复氧速度,导致上覆水体中溶解氧浓度不断降低；在非静止状态下,由于水体存在扰动,复氧速度与SWI氧传递速度均随平均流速的增加不断增加,而复氧速度始终大于传递速度,上覆水体溶解氧浓度不断增加.2)不同水动力条件对SWI氧通量的影响显著,随着平均流速的增加,氧通量增加.3)不同水动力条件下,将垂直涡动扩散系数与平均流速进行线性拟合. 当水体流速为0～0.01 m/s时,Kv与流速的相关性较好,R2=0.8611,此时溶解氧受分子扩散和涡动扩散共同影响；当水体流速为0.01～0.14 m/s时,Kv与流速的相关性最好,R2=0.9828,此时溶解氧以涡动扩散为主；当水体流速为0.18～0.22 m/s时,溶解氧以涡动扩散为主,但Kv与流速的相关性较差.4 参考文献【相关文献】[1] Wu FC, Wan GJ, Cai YR et al. 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