渦動(dòng)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(lái)，已成功用于開(kāi)展沉積物水界面通量的原位、長(zhǎng)效、非侵入式觀測(cè)，并展現(xiàn)出測(cè)量范圍廣、時(shí)間精度高和對(duì)不同底質(zhì)適應(yīng)性良好等優(yōu)勢(shì)，為河流、湖泊、水庫(kù)、海岸和深海等環(huán)境的沉積物水界面通量評(píng)估提供了新的選擇。目前，水環(huán)境渦動(dòng)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(píng)估、潛流交換速率測(cè)量和冰水界面通量觀測(cè)等研究方向提供了可靠的技術(shù)支撐。

水環(huán)境渦動(dòng)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(yíng)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(duì)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(duì)氧通量表現(xiàn)出不同的源匯規(guī)律。同時(shí)，探究沉積物水界面通量對(duì)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)前也有學(xué)者開(kāi)始嘗試借助深度信念網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法開(kāi)展湍流通量的空間升尺度研究，即將有限足跡的渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)結(jié)果外推到整個(gè)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(píng)估。

在利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)測(cè)量溶解氧通量的同時(shí)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?？紤]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(shí)長(zhǎng)計(jì)算總初級(jí)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(guò)擬合觀測(cè)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(guò)程，可將其簡(jiǎn)化為對(duì)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(cè)量，則可通過(guò)渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)計(jì)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(dòng)。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(dòng)相關(guān)技術(shù);但是，渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)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(duì)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(dòng)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(cè)。當(dāng)光照條件適宜時(shí)，微小藻類通常聚集在冰水界面附近，既通過(guò)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(huì)。因此，該技術(shù)也被用于研究冰水界面的群落代謝及其對(duì)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(cè)系統(tǒng)時(shí)需要顛倒安裝并考慮冰層的發(fā)育情況。

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

水環(huán)境渦動(dòng)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(cè)環(huán)境偏離技術(shù)原理要求的問(wèn)題可能限制渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，需要針對(duì)性地提出解決方法。例如，對(duì)于不能視作均質(zhì)下墊面的河床，可以適當(dāng)增大觀測(cè)高度從而令各異質(zhì)源區(qū)釋放的物質(zhì)經(jīng)歷足夠長(zhǎng)的路徑達(dá)到充分混合;對(duì)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(shí)別;對(duì)于難以確定主流的風(fēng)生流環(huán)境，可以在觀測(cè)系統(tǒng)上增加水翼使其自適應(yīng)水流方向或設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)裝置以主動(dòng)調(diào)姿。

b.儀器限制———不適應(yīng)多通量長(zhǎng)效觀測(cè)。

理論上，渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)能夠測(cè)量沉積物水界面包括能量、動(dòng)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(cè)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(cè)頻率，從而限制了該技術(shù)在通量觀測(cè)類型上的擴(kuò)展。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)原位長(zhǎng)效觀測(cè)，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(shí)避免藻類附著等問(wèn)題。盡管如此，近年來(lái)專為水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)開(kāi)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(dòng)相關(guān)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)6個(gè)月的溫氧通量原位觀測(cè)，該技術(shù)具有原位長(zhǎng)效開(kāi)展多通量觀測(cè)的潛力。

c.計(jì)算限制———難以規(guī)范數(shù)據(jù)處理流程。

目前水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理并沒(méi)有統(tǒng)一的流程或方法，滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度和時(shí)滯移動(dòng)時(shí)間等參量的確定在一定程度上帶有主觀因素，這為長(zhǎng)時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)的批量處理帶來(lái)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(guò)識(shí)別耗散率以計(jì)算協(xié)方差的慣性耗散法，該方法顛覆了傳統(tǒng)的計(jì)算路徑，避免了計(jì)算參量的主觀選取，甚至在一定程度上突破了渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對(duì)傳感器的依賴和受流速環(huán)境的限制。雖然這一計(jì)算方法還未得到廣泛應(yīng)用，但仍是今后渦動(dòng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展方向或質(zhì)量評(píng)價(jià)的分析依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)具有其理論適用條件，并對(duì)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(dòng)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(cè)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(dòng)相關(guān)技術(shù)的推廣與應(yīng)用。計(jì)算渦動(dòng)相關(guān)通量時(shí)，需要修正由于儀器安裝帶來(lái)的誤差、識(shí)別對(duì)湍流通量有貢獻(xiàn)的多尺度渦旋并從觀測(cè)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確分離出湍動(dòng)序列，但目前并沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法及流程，且質(zhì)量評(píng)價(jià)、足跡分析等后處理技術(shù)仍有待進(jìn)一步研發(fā)。

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

Unisense采用渦動(dòng)相關(guān)法開(kāi)發(fā)了一款測(cè)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(dòng)相關(guān)系統(tǒng)。該技術(shù)不會(huì)擾動(dòng)沉積物、完全考慮了波浪對(duì)沉積物的影響，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)沉積物水動(dòng)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(lái)會(huì)成為測(cè)量界面氧通量的標(biāo)準(zhǔn)方法。