渦動相關(guān)技術(shù)自其從微氣象領(lǐng)域移植到水環(huán)境領(lǐng)域以來，已成功用于開展沉積物水界面通量的原位、長效、非侵入式觀測，并展現(xiàn)出測量范圍廣、時間精度高和對不同底質(zhì)適應(yīng)性良好等優(yōu)勢，為河流、湖泊、水庫、海岸和深海等環(huán)境的沉積物水界面通量評估提供了新的選擇。目前，水環(huán)境渦動相關(guān)技術(shù)已被應(yīng)用于水利工程、湖沼科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，為水體水質(zhì)修復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)代謝評估、潛流交換速率測量和冰水界面通量觀測等研究方向提供了可靠的技術(shù)支撐。

水環(huán)境渦動相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用方向

a.水體環(huán)境修復(fù)。

沉積物水界面各類通量在水體富營養(yǎng)化、重金屬及有機(jī)污染等災(zāi)害事件中扮演著重要角色，對于受污染水體的水質(zhì)修復(fù)具有重要意義。例如，溶解氧通量直接關(guān)系著界面氧化還原條件和生化反應(yīng)進(jìn)程，在一定程度上決定了污染物在界面處的轉(zhuǎn)換方向，且不同污染物對氧通量表現(xiàn)出不同的源匯規(guī)律。同時，探究沉積物水界面通量對流速、水深、濃度、pH值和光照等環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律，有利于完善數(shù)值模擬的邊界條件，提升水質(zhì)模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)前也有學(xué)者開始嘗試借助深度信念網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法開展湍流通量的空間升尺度研究，即將有限足跡的渦動相關(guān)觀測結(jié)果外推到整個研究區(qū)域，獲得區(qū)域上連續(xù)的界面通量分布情況。

b.生態(tài)系統(tǒng)代謝評估。

在利用渦動相關(guān)技術(shù)測量溶解氧通量的同時記錄環(huán)境光合有效輻射強(qiáng)度，可定量分析底棲生態(tài)系統(tǒng)群落的代謝強(qiáng)度和能量收支。考慮一日內(nèi)總氧通量等于光合作用生成量與呼吸作用消耗量之和，則可由光照時長計算總初級生產(chǎn)力及凈生態(tài)系統(tǒng)代謝。進(jìn)一步地，結(jié)合生態(tài)學(xué)模型可建立代謝強(qiáng)度與環(huán)境因子之間的關(guān)系，例如，根據(jù)光合輻射強(qiáng)度曲線可以得到光合作用速率與光合輻射強(qiáng)度之間的雙曲正切模型，從而通過擬合觀測數(shù)據(jù)得到最大底棲產(chǎn)氧速率等特征量;呼吸作用相比之下較為復(fù)雜，它包括有機(jī)物的分解以及NH4+、Mn2+、Fe2+、H2 S和FeS分解產(chǎn)物的氧化或腐化過程，可將其簡化為對底部流速的線性模型。

c.潛流交換研究。

將溫度或電導(dǎo)率視作“物質(zhì)濃度”并進(jìn)行測量，則可通過渦動相關(guān)技術(shù)計算沉積物水界面的溫鹽通量，而這種通量常常受潛流交換的驅(qū)動。潛流交換大多以平流的形式進(jìn)行，其速度通常遠(yuǎn)小于水底邊界層流速，因而其垂向交換由湍流擴(kuò)散主導(dǎo)，即適用于渦動相關(guān)技術(shù);但是，渦動相關(guān)觀測只能用于兩側(cè)水體溫鹽狀態(tài)不同的情況。根據(jù)熱通量和鹽通量均可推求控制體內(nèi)的潛流通量，兩者互為參考，可為尋找沿海地區(qū)非點(diǎn)源物質(zhì)的運(yùn)輸路徑提供支持，并對環(huán)境管理決策提供依據(jù)。

d.其他固液界面的應(yīng)用。

除了沉積物水界面，渦動相關(guān)技術(shù)也可用于冰水界面及其他固液界面的通量觀測。當(dāng)光照條件適宜時，微小藻類通常聚集在冰水界面附近，既通過光合作用為封閉水環(huán)境供氧，也為表層魚類提供食物并在大量聚集后下沉為底層群落提供生存機(jī)會。因此，該技術(shù)也被用于研究冰水界面的群落代謝及其對冰體溫度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因素的響應(yīng)，但在放置觀測系統(tǒng)時需要顛倒安裝并考慮冰層的發(fā)育情況。

此外，通過分析各類通量可研究表層水體中碳和營養(yǎng)物等關(guān)鍵物質(zhì)的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，為來年開春后的水質(zhì)控制提供參考。

水環(huán)境渦動相關(guān)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

a.原理限制———不符合理想的應(yīng)用環(huán)境。

實(shí)際觀測環(huán)境偏離技術(shù)原理要求的問題可能限制渦動相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，需要針對性地提出解決方法。例如，對于不能視作均質(zhì)下墊面的河床，可以適當(dāng)增大觀測高度從而令各異質(zhì)源區(qū)釋放的物質(zhì)經(jīng)歷足夠長的路徑達(dá)到充分混合;對于不能忽略分子擴(kuò)散的低流速環(huán)境，可以嘗試結(jié)合微電極剖面技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)散模式識別;對于難以確定主流的風(fēng)生流環(huán)境，可以在觀測系統(tǒng)上增加水翼使其自適應(yīng)水流方向或設(shè)計機(jī)動裝置以主動調(diào)姿。

b.儀器限制———不適應(yīng)多通量長效觀測。

理論上，渦動相關(guān)技術(shù)能夠測量沉積物水界面包括能量、動量和各類物質(zhì)質(zhì)量在內(nèi)的多類型通量，但目前能夠原位觀測的水質(zhì)指標(biāo)有限，且部分指標(biāo)在技術(shù)上難以提升觀測頻率，從而限制了該技術(shù)在通量觀測類型上的擴(kuò)展。同時，為實(shí)現(xiàn)原位長效觀測，傳感器需具有高魯棒性，能夠抵御惡劣且多變的野外環(huán)境，同時避免藻類附著等問題。盡管如此，近年來專為水環(huán)境渦動相關(guān)技術(shù)開發(fā)的傳感器正逐漸上市，結(jié)合外部供電和數(shù)傳設(shè)備的渦動相關(guān)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)6個月的溫氧通量原位觀測，該技術(shù)具有原位長效開展多通量觀測的潛力。

c.計算限制———難以規(guī)范數(shù)據(jù)處理流程。

目前水環(huán)境渦動相關(guān)觀測數(shù)據(jù)的處理并沒有統(tǒng)一的流程或方法，滑動窗口長度和時滯移動時間等參量的確定在一定程度上帶有主觀因素，這為長時段觀測數(shù)據(jù)的批量處理帶來了困難，且降低了不同研究數(shù)據(jù)之間的可交流性。但近期Bluteau等學(xué)者提出了通過識別耗散率以計算協(xié)方差的慣性耗散法，該方法顛覆了傳統(tǒng)的計算路徑，避免了計算參量的主觀選取，甚至在一定程度上突破了渦動相關(guān)技術(shù)對傳感器的依賴和受流速環(huán)境的限制。雖然這一計算方法還未得到廣泛應(yīng)用，但仍是今后渦動數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展方向或質(zhì)量評價的分析依據(jù)。

結(jié)語

水環(huán)境渦動相關(guān)技術(shù)具有其理論適用條件，并對傳感器性能和數(shù)據(jù)處理方法提出了較高的要求。

目前，該技術(shù)主要推薦用于下墊面水平均勻、動力條件較強(qiáng)和存在明顯主流方向的水環(huán)境，且大多用于測量沉積物水界面的溶解氧通量，這些因素在一定程度上限制了渦動相關(guān)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。計算渦動相關(guān)通量時，需要修正由于儀器安裝帶來的誤差、識別對湍流通量有貢獻(xiàn)的多尺度渦旋并從觀測數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確分離出湍動序列，但目前并沒有統(tǒng)一的計算方法及流程，且質(zhì)量評價、足跡分析等后處理技術(shù)仍有待進(jìn)一步研發(fā)。

經(jīng)過近20年的發(fā)展與實(shí)踐，渦動相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)適合于開展沉積物水界面通量原位觀測的可靠技術(shù)。未來隨著渦動傳感器的開發(fā)、機(jī)械調(diào)姿功能的增加及數(shù)值模擬和湍流信號處理方法的進(jìn)步，水環(huán)境渦動相關(guān)技術(shù)將有較為廣闊的應(yīng)用空間。

Unisense采用渦動相關(guān)法開發(fā)了一款測量水土界面氧氣交換通量、硫化氫交換通量、溫度和電阻率交換通量的儀器----水底渦動相關(guān)系統(tǒng)。該技術(shù)不會擾動沉積物、完全考慮了波浪對沉積物的影響，可以連續(xù)監(jiān)測沉積物水動力邊界層、海草床、珊瑚礁等地點(diǎn)的垂直氧氣通量，是沉積物孔隙水剖面法和水底原位箱法的補(bǔ)充。將來會成為測量界面氧通量的標(biāo)準(zhǔn)方法。