应用涡动相关技术的底栖溶解氧通量原位观测--以青岛汇泉湾砾石海滩短周期变化为例

崔尚公，于新生，赵广涛

(1. 国家海洋信息中心 天津市 300171；2. 中国海洋大学海洋地球科学学院 海底科学与探测技术重点实验室 山东青岛 266100)

应用涡动相关技术的底栖溶解氧通量原位观测
--以青岛汇泉湾砾石海滩短周期变化为例

崔尚公1，2，于新生2，赵广涛2

(1. 国家海洋信息中心 天津市 300171；2. 中国海洋大学海洋地球科学学院 海底科学与探测技术重点实验室 山东青岛 266100)

海岸带区域内，穿过沉积物-海水界面的溶解氧通量是研究水体环境内生物地球化学循环周转的重要指标。由于传统采样方法存在局限性，原位观测仪器布放难度较大，因此砾石海滩环境下的溶解氧通量研究还较少。利用非侵入性的涡动相关技术对青岛汇泉湾潮间带砾石基底的底栖溶解氧通量做出评估。涡动相关原位观测结果表明，在一个涨潮期内溶解氧通量变换范围为-16.7888 ±5.0～+49.3344 ±3.7mmol O2/m2/d。不稳定的通量结果表明近海潮间带底栖溶解氧通量在涨潮时段主要受波浪作用影响呈现出极为复杂的变化形式。频谱分析表明汇泉湾潮间带底栖溶解氧主要受东南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(对应时间间隔为3.58～10.75s)频带为其主要贡献频段。通过对不同时刻累加共谱的比较分析，可以推断波浪作用和破碎波作用分别在涨潮期前后对底栖溶解氧通量变化起着主导推进作用。此项研究也表明涡动相关技术可应用于近海潮间带底栖溶解氧观测，为从宏观到微观研究海岸带生物地球化学进程研究提供了新的观测手段。

沉积物-海水界面;氧通量；涡动相关；砾石海滩；原位观测

海床是水体与沉积物间地球化学和生物进程紧密耦合的区域[1]。沿海近岸的沉积物-海水界面既是有机质成岩作用的重要场所[2]，也是溶质和颗粒物交换循环的活跃地带。因此，界面间的溶解氧通量作为地球化学反应中的重要参数，是评估海底边界层碳矿化和初级生产的关键指标之一[3，4]。准确测定溶解氧通量对研究不同时空尺度上生物地球化学循环与生态系统活性至关重要[5]。

传统上，一般使用底栖通量室或微电极剖面法原位测量底边界层溶解氧通量[6-9]。底栖培养室技术是将开口箱体嵌入到表层沉积物以下，使得已知面积区域的沉积物及其上覆水体在海底呈封闭状态，同时通过嵌入传感器对封闭上覆水中的如O2、H2S等化学元素浓度进行实时跟踪采样或测量。该方法会封闭区域沉积物与上覆水，影响水体自然流动和水结组分的自然交换，使外界动力环境变化无法在封闭的箱室系统中再现[5]。微电极剖面技术是采用步进马达，将溶解氧微电极以微米为单位从上覆水开始缓慢穿过沉积物-水界面逐步刺入沉积物中，检测不同深度位置的氧浓度，获得垂直方向氧浓度剖面分布信息，实现沉积物-水界面扩散边界层中的变化过程测量。这一方法虽然垂直分辨率很高，但仅能获取一维梯度溶解氧通量信息，无法反映远离氧微电极穿透区域的生物扰动和灌洗作用的影响；并且由于微电极尖端非常细，在实际观测应用中极易导致微电极的损坏。近年来，日本及欧美许多发达国家相继将大气科学中的涡动相关概念应用于水底边界层界面，利用溶解氧微电极测量距海底15～30cm固定一点的氧浓度，同时使用多普勒矢量流速仪 (Acoustic Doppler Velocimeter， ADV) 对溶解氧浓度测点位置的水流垂向流速进行测量，之后将二者以极高的频率进行拟合计算氧通量[10]。涡动相关技术既没有封闭沉积物水体，也没有将微电极插入沉积物，因此可以获得无人为干扰的原位数据。

美国弗吉尼亚大学利用涡动相关系统分别在海草区、海冰区和珊瑚礁区实施了测量，对特殊底质区域的溶解氧通量释放过程进行了研究[5，11，12]； 瑞 士 联 邦水体科学 与 技 术 研 究 所 科 学家使用涡动相关方法探讨了阿尔卑纳赫湖受湖震影响的水体氧输运机理[13]。目前，国内外底栖氧通量研究领域的重点主要集中在河口或湖泊有机物沉积区，对坚硬底质区氧通量的研究还未见报道，这主要是由于在坚硬底质区难以进行采样和仪器布放操作。青岛市沿岸具有典型的砾石海滩，遍布藻类及底栖生物，氧交换速率是评估该区域生物代谢活动的重要参数。利用涡动相关技术在青岛汇泉湾砾石海滩对底栖溶解氧通量进行了测量和评估。通过对不同时刻累加共谱的比较分析，推断出波浪作用和破碎波作用分别在涨潮期前后对底栖溶解氧通量变化起着主导推进作用。

1 方 法

1.1 研究区概况

研究区位于胶州湾以东的汇泉湾 (见图1)。汇泉湾西侧、北侧、东侧三面环山，以喇叭状向西南方向开口与黄海相连。海湾高潮时海岸线宽约1.5km，岸滩走向西北-南东，最大面积为1.24km2，平均水深7m。由于山体阻挡了北向来风，因此湾内主要受SSE向风浪影响[14]。汇泉湾为典型的砂质海岸，自西北向东南沉积物类型由细砾、粗砂、中砂、细砂依次分布变化[15]。海湾潮汐类型属正规半日潮，潮流半日周期往复运动，涨潮时流向为顺时针方向，退潮时流向为逆时针方向[16，17]。汇泉湾内0～2cm表层沉积物中叶绿素a含量在1.73～5.71μg/g，2～5cm沉积物中叶绿素a含量在0.51～4.32μg/g范围内[18]。

图1 研究区域地形图(黑色星号为测点区域)

图2 (A)涡动相关系统现场布设情况;(B)测点位置情况;(C)长有贻贝类生物的砾石;(D)长有藻类生物的砾石

测点位置位于汇泉湾东侧中潮带 (36°03′ 06.38" N， 120°20′23.36"E)， 满 潮 水 深 将 近3.5m。测点附近沉积物类型主要为细砂，砂体之上布有长满贻贝类和藻类生物的砾石 (见图2)。

1.2 涡动相关系统集成与布设

从使用便捷、拆装简易、运行安全的角度出发，我们将涡动相关系统设计为小型可拆卸式坐底观测平台，平台主要包含溶解氧微电极、声学多普勒流速仪、温盐深仪三个部分。框架采用结构稳定的三角框架，集成了不同的传感器进行组合检测。选用挪威Nortek公司生产的声学多普勒流速仪 (Acoustic Doppler Velocimeter， ADV)测量固定点三维流速；丹麦Unisense公司生产的溶解氧微电极作为溶解氧传感器 (型号 OX-100 fast)，尖端直径 90～110μm，90%响应时间 ＜2s，测量精度可达0.3μmol/L；并装配了一台意大利IDRONAUT公司生产的CTD多参数水质仪 (型号:OCEAN SEVEN 304Plus)获取海水深度、温度和电导率信息，为后期分析氧通量数据提供依据和参考。

2016年6月4日上午11:00，在汇泉湾东侧潮间带进行了涡动相关系统观测实验。海流数据模块、溶解氧数据模块和温盐深数据模块都被固定在三角支架上 (见图2)，微电极尖端指向ADV测量区域，测点距沉积物表面24cm，CTD安装位置稍高，距沉积物表面55cm。观测过程中，ADV以16Hz的预设频率和20min的预设周期进行间歇采样，循环周期包括15min持续采样时间和5min间歇时间；微电极以16Hz频率进行连续采样；CTD以8Hz的预设频率进行连续采样。

布设按照原定计划于低潮时 (上午10:20)开始进行，安放三角支架时特别地将其开口方向正对海流主流速方向以避免支架脚对海流的干扰。数据采集初始阶段，由于潮水并未完全淹没测点及传感器，因此所测数据无效，将这部分数据归为 “空采数据”，在后期处理中予以剔除。实验原计划水下工作10～12h，以获取完整潮汐涨落周期内溶解氧通量变化数据，但由于中途数据记录发生故障，系统采集被迫中止。综合以上两点，本次观测采集到了从上午11:20～下午15:00约4h的有效数据。据国家海洋局北海预报中心当日发布的潮汐预报，当日涨潮期为上午10:18～下午15:36，由此可见本次采集数据基本覆盖了涨潮期。

1.3 氧通量的计算方法

1.3.1 基本原理

根据Reynolds分解理论，在流体力学研究中常常对溶质浓度和流速做出如下分解[19，20]:

经过几十年来科学家对水底边界层中悬浮颗粒和相关物质迁移的研究，发现可以通过三维溶质质量守恒方程来确定其分布状态[21]，即溶质 (例如溶解氧)在均匀水底边界层中满足:

公式 (4)表示在高度h处测得的溶解氧垂向通量等于沉积物-海水界面垂向通量与厚度为h的水体内溶解氧源汇效应之和 (w为垂向流速)。当测量点位距沉积物-海水界面很近 (即h很小)时，源汇效应项也可以忽略不计。那么就有:

公式 (5)表示可以用沉积物-海水界面以上可忽略高度的一点的溶解氧垂向通量近似代表界面通量。

1.3.2 数据处理分析

为简化数据处理，首先将采集到的16Hz频率数据转换为8Hz数据，并对溶解氧和海流流速数据进行了去尖峰滤波、去噪滤波处理，对流速数据进行了倾斜校正。之后，使用滑动平均方法进行湍流波动计算。为选择出合适的滤波窗口长度Nr，采用累加计算方法，将初始窗口长度设为1，并逐渐增大窗口长度，反复计算滑动平均值、波动值和通量值，当窗口长度增大到一定程度后，通量值达到近乎稳定 (见图3)，以上午12:00～12:15这一数据段为例，将3000个数据点 (对应时间为6.25min)作为最终的滤波窗口长度，以此计算湍流波动值C′和u′。随后对每个数据段分别计算两个波动值的互相关函数(见图4)，以下午13:00～13:15这一数据段为例，湍流波动值C′与u′的最大互相关出现在第7175点位置，距7200点的中心位置偏差了25个数据点 (对应时间为3.125s)，因此将溶解氧浓度和垂向波动速度时间序列相对移动25个数据点，使最大互相关值位于中心位置。随后根据式(6)计算功率谱密度并进行频率响应校正。

最后计算出每个15min时间段内的溶解氧通量。

2 结 果

图3 12:00～12:15数据段滑动平均滤波窗口选取示意图

图4 13:00～13:15数据段互相关校正图

经过处理和计算得到的海流垂向流速、溶解氧浓度、水深、温度及溶解氧通量数据见图5和表1。由于CTD安装位置稍高，导致被海水淹没前的"空采期"较长，因此舍去了水深和水温的前20min数据；另外CTD供电系统在13:40左右发生故障，因此水温的后1h数据未在图2-8中显示，水深数据由ADV测量值代替补充。测量期间随着潮水的上涨，水深变化范围为0.3～2.8m，平均水深1.68m；水温在近1.5h内从17.58℃持续下降到16.82℃，据ADV温度传感器记录数据显示，当日下午14:00～17:00期间水温依然在下降，但变化幅度极小，17:00时刻水温为16.48℃。海流水平流速变化范围为10.380～25.031cm/s，平均水平流速 19.43cm/s；垂直流速变化范围为0.012～0.686cm/s，平均水平流速为0.36cm/s。

图5 涡动相关数据时序变化特征:(A)海流垂向速度;(B)溶解氧浓度;(C)水深;(D)水温;(E)计算得到的溶解氧通量(正通量表示通量方向为从沉积物指向上覆水)(误差条代表标准差)

测量过程中，溶解氧浓度变化范围为292.80 umol/L到248.13 ?mol/L。在测量初始阶段，由于潮水上涨，测点逐渐被海水淹没，溶解氧浓度快速下降。在12:10左右，溶解氧浓度出现小幅度回升，这可能是由于潮间带沉积物在被海水淹没之前暴露于空气中，沉积物中的间隙水较少，因此溶解态的氧也相对较少，而涨潮后沉积物被海水覆盖，沉积物间隙中的氧气快速溶于海水，使溶解氧浓度增加。在此之后，溶解氧浓度随着水深的增长持续下降，这主要是由于测点位置固定不变，测点与海水-大气界面距离逐渐扩大，因此溶解氧浓度呈缓慢下降趋势。在下午14:30后，水深达到2.5m，深度对溶解氧浓度的影响逐渐减弱，溶解氧浓度基本保持稳定，稳定值约为252.89 ?mol/L。

表1给出了实测流速、水深、水温、溶解氧浓度及溶解氧通量计算结果的具体数据。从中可以看出溶解氧通量存在明显的规律性。在上午11:40到11:55的观测初始阶段，溶解氧通量为负值，这是由于在涨潮初期水深较浅，测点位置主要受到海水-大气界面作用影响，近海面氧浓度显著高于沉积物表层，造成了溶解氧自上而下向沉积物运动。在12:00到12:35这一时段，溶解氧通量转为正值。如上文所述，涨潮后潮间带沉积物被海水覆盖，沉积物间隙中的氧气快速溶于海水，使沉积物间隙溶解氧浓度增加，高于海水中氧浓度，形成了下高上低的浓度梯度分布。此后，氧通量缓慢下降，逐渐由正值转为负值，并在基本达到满潮时开始回升，重新变为正值，最终达到+49.3 ±3.7 mmol/m2/d。这可能由几种机制造成:首先，随着潮水上涨，水深逐渐增大，测点与海水-大气界面的距离扩大，形成了从海水表面向下指向沉积物的垂向通量；其次，海流的作用造成了上高下低的氧浓度梯度。据Holtappels M等人研究表明，近岸海域中海流流速随着距海底距离的增加而增长，这种流速分布会破环近岸水体中原有的氧浓度梯度，产生或增强自上而下方向的溶解氧通量 (见图6)[23]。第三，当水深达到2.5m左右时，海水-大气界面作用对溶解氧浓度的影响逐渐减弱消失，测点位置水体环境基本保持稳定。本次研究测区海底砾石和沉积物上长有大量贻贝类和底栖藻类生物，底部藻类光合作用会生成大量的氧，形成自下而上的溶解氧通量。另外，渗透性砂质沉积物在海流的反复冲刷过程中，不断地被重置与翻新。氧和固态、溶解态有机质被向下带入渗透性沉积物，增强了微生物的矿化作用，同时缺氧水被冲出沉积物混入上覆水[24，25]。此时的砂质沉积物便成为了生物催化作用的过滤器和催化剂，刺激了碳循环和氧循环的周转[26]，造成了较高的底

栖氧通量值。

表1 原位涡动相关实验详细数据(括号内为平均值)(正通量表示通量方向为从沉积物指向上覆水)

图6 近岸海流流速分布引起的垂向浓度梯度示意

为进一步评估涡动相关数据和所得通量的质量，分别对每个15min数据段 (burst)进行累加通量计算，计算结果见图7。累加通量的斜率代表了所测时间段内的平均氧通量值，可以根据其升降趋势评估计算的氧通量的细微变化。从图中可以看出，在涨潮期的大部分时间内，累加通量都没有显示出完美的线性趋势，这表明研究站位的水动力条件极度不稳定[5]。随着海流流速的增长，在不平坦的砂质沉积物表面反复冲刷的海流引发的压力差会在上层砂质层中产生强劲的孔隙水流[28]。下午14:30后接近满潮时，累加通量开始呈现较为线性的走势，表明此时水动力条件趋于稳定，所测氧通量值对该时段真实氧通量具有很好的代表性。

图7 观测过程中波动的累加通量

3 分析与讨论

3.1 氧通量质量评估

根据汇泉湾测点附近底质条件、测点固定高度估算了本次实验指示区域范围，区域长约为55.275m；宽1.567m；最大贡献点位于海流上游距测点2.512m位置。本次实验由于观测时间处于涨潮期阶段，因此测得的溶解氧通量极度不稳定，变化范围为 -16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d， 平均值为+11.3876 mmol O2/m2/d。这与美国科学家AC Hume利用涡动相关方法在海草生长区测得的+121 mmol O2/m2/d和美国科学家Berg在西法尔茅斯河口区域测得的+77.5 mmol O2/m2/d的溶解氧通量相比数值较低。这可能有以下几个原因。首先，研究区域存在较大差异。本次实验区域位于汇泉湾潮间带，汇泉湾内无河流入海，砂源贫乏，加之测点区域的砂质沉积物上满布砾石，虽然存在贻贝类和藻类生物，但沉积物内有机质含量和指示区域内海草密度都无法与海草和河口区域相比。其次，2016年6月4日当天阴有小雨，较弱的太阳辐照度减弱了底栖植物的光合作用。第三，波浪和海流引发的沉积物再悬浮使海水浊度增加，也会对底栖植物光合作用产生负面影响。

另外，通过对所得涨潮期时段内溶解氧通量和水平、垂向流速序列的相关系数分析，发现氧通量和水平流速序列相关系数只有0.084，与垂向流速序列相关系数为0.398，表明本次实验测得的溶解氧通量主要受垂向流速影响，这与涡动相关理论依据是相符的。

3.2 频谱分析

为进一步分析海流和波浪作用对溶解氧通量的影响，分别计算了溶解氧浓度、垂向速度的功率谱密度及二者的共功率谱密度和累加共谱。功率谱密度函数指示了数据中不同频率成分所占百分比。典型的功率谱结果见图8。对于观测起始的11:40～11:55数据段 (burst 1)，可以看出0.093～0.279 Hz频段 (对应时间间隔为3.58～10.75s)是总功率谱的主要贡献频段，这一时间间隔与汇泉湾历史记录的5.4～11s的平均波浪周期极为吻合[14]。据Lorrai C等人研究发现，当沉积物之上1m水平流速达到20cm/s，该区域可被视为高度湍流区域，其涡动时间尺度约为0.2～10 s[29]。这也与此次实验结果极为一致。不过也可以发现这一时段内频率大于1 Hz的高频成分占比很低，仅占15.59%。对于观测过程中间阶段的13:20～13:35数据段 (burst 6)，虽然0.1～0.3Hz频段贡献依然突出，但可以看出其大于1 Hz的高频成分占比显著增长，达到63.57%。另外，0.4～0.62 Hz频段 (对应时间间隔为1.61～2.50s)成为一新的主要贡献频段。累加共谱表示了大于其频率的频段贡献所占百分比，因此随着频率逐渐减小，其百分比值由零逐渐趋近于一。从图8(D)可以看出，涨潮期间随着海流和波浪作用的加剧，高频成分贡献逐渐扩大。根据汇泉湾波浪周期的历史统计信息，可以推断夏季东南向波浪作用是该测区溶解氧动态变化的主导因素。

图8 burst1和burst6功率谱密度计算结果(A)溶解氧浓度归一化功率谱;(B)垂向流速归一化功率谱;(C)共功率谱密度;(D) 累加共谱

通过比较每个时间段的累加共谱曲线，可以看出随着时间推移，数据主要贡献频带逐渐向高频移动 (见图9)。对于burst1时间段，共谱区间为一条凹型曲线，主要贡献频段为0.093～0.279 Hz(对应时间间隔为3.58～10.75s)。对于burst3、7、10时间段来说，曲线形状逐渐变为凸型曲线，这表明在涨潮期开始的2h内高频成分的影响快速扩大并在接近满潮时逐渐趋于稳定。大于0.8Hz的频带占比从20.17% 增长到71.40%，湍流引发的极度不稳定的水动力条件导致了溶解氧通量的大幅度波动。

图9 burst1,burst3,burst7和burst10四个时段累加共谱图

5 结 论

基于Reynolds分解理论和Taylor冻结流假说，利用声学多普勒流速仪 (ADV)、溶解氧微电极和温盐深仪 (CTD)构建了涡动相关原位观测系统，并将其应用在青岛近海潮间带砾石海滩，对溶解氧通量进行了原位观测。观测结果表明，在一个涨潮期内溶解氧通量变换范围为 -16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不稳定的通量结果表明近海潮间带底栖溶解氧通量在涨潮时段会受到海水上涨、海流流速加快等物理因素和间隙海水溶解、植物光合作用等生物化学因素的共同作用，呈现出极为复杂的变化形式。频谱分析表明汇泉湾潮间带底栖溶解氧主要受东南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(对应时间间隔为3.58～10.75s)频带为其主要贡献频段。通过对不同时刻累加共谱的比较分析，可以推断波浪作用和破碎波作用分别在涨潮期前后对底栖溶解氧通量变化起着主导推进作用。本次实验也验证了涡动相关系统应用于近海潮间带底栖溶解氧观测的可行性，为进一步了解海底边界层有机质的生产分解，开展早期成岩规律和生物地球化学进程研究提供了准确的科学依据和可靠的技术支持。

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2017-11-21

国家自然科学基金资助项目(41276089；41176078)。