溶解有机物、Cl? 和 NO?? 在海水中 β-雌二醇光降解过程中的作用

《Marine Pollution Bulletin》：Roles of dissolved organic matter, Cl?, and NO 3? in the photodegradation of β-estradiol in seawater

海底沉积动态监测新方法研究|自电位法|宁波大榭码头|侵蚀沉积界面检测|电化学传感器精度|分层沉积分析|

　　

朱贤明|范志涵|陈天|王林森|朱娜|卢德全|贾永刚

中国海洋大学海洋环境与地质工程山东省重点实验室，青岛，266100，中国

摘要

海底侵蚀和沉积对海底基础设施和底栖生态系统构成了严重挑战，这凸显了进行可靠长期监测的必要性。传统技术主要收集周期性沉积数据，无法量化连续的侵蚀速率。本研究介绍了一种基于自电位（SP）的新方法，该方法利用沉积物与海水之间的SP差异来监测海底形态变化。在宁波大榭码头进行的原位实验从2月持续到6月，共获得了110天的观测数据。通过分析SP的变化，可以识别出与淤积过程相关的特征，从而确定海底界面的演变。悬浮沉积物浓度的反演揭示了SP与沉积物浓度之间的高斯AMP函数关系，该关系受温度、盐度、深度和颗粒类型的影响。基于SP的变化点检测模型在识别界面变化时达到了1厘米的精度。长期监测结果显示总沉积量为46厘米，平均沉积速率为每天0.67厘米，监测阈值确定为每天0.7厘米；而分层沉积物则表现出SP与垂直沉积通量之间的正弦关系。这些发现表明，SP响应可以有效量化侵蚀-沉积动态，为海底形态监测提供了一种可靠的方法，并对疏浚和海洋工程设计具有重要的启示。

引言

海底沉积过程是海岸工程地质学和海洋环境演变的基本方面，直接影响港口淤积控制、航道维护以及海洋基础设施的安全运行。随着人类活动的加剧和海洋资源的开发，沿海地区的频繁工程作业和船舶交通加剧了水动力扰动，导致海底侵蚀和沉积模式日益复杂（Wang等人，2024年；Wang等人，2020年）。准确识别和持续监测这些沉积过程不仅有助于深入理解海底的物质传输和能量交换，也对港口管理、疏浚设计和可持续海岸区发展具有实际意义。

目前，用于监测河口和沿海沉积过程的技术大致可分为连续和非连续两种方法。非连续方法（如沉积物采样、沉积物陷阱和示踪技术）的时间分辨率有限，因此不适合实时监测或预警应用。相比之下，连续监测能够定量评估沿海环境中的沉积动态，有助于理解海岸线演变，并为研究侵蚀和沉积过程提供最直接的手段。尽管近几十年来取得了显著进展，但由于缺乏能够测量海底沉积物的自动化仪器，该领域的进展仍受到限制。目前，原位观测主要采用声学、光学和电学技术，每种技术都有其独特的优势和局限性。

其中，声学传感器依赖于声学后向散射原理，其中一个或多个超声波接收器检测反射声波以估计沉积物浓度（Crawford和Hay，1993年）。传统的声学监测技术（如侧扫声纳、雷达和时域反射计）精度较低，且对水质依赖性强，这限制了它们主要用于定性分析而非精确测量沉积物厚度。基于声学测高的方法（Gallagher等人，1996年）利用高频信号实现精细的空间分辨率来测量沉积物积累。然而，这些系统容易受到水柱中悬浮沉积物产生的虚假回波的影响，从而限制了其操作范围。Betteridge等人（2008年）成功使用声学后向散射沉积物剖面仪研究了近床悬浮沉积物的传输，提供了一种间接监测淤积的方法，但其精度仍受沉积物浓度变化的影响。Hurther等人（2011年）进一步开发了声学浓度和速度剖面仪（ACVP），集成了多频率功能以减轻速度混叠并提高悬浮沉积物反演的稳定性。然而，波浪引起的动力影响等仍会引入偏差，需要额外的校正。

光学方法最早于1991年通过光电侵蚀针（PEEP）技术引入（Lawler，1991年）。随后开发了表面高程动态（SED）传感器（Hu等人，2015年）。这两种仪器都使用垂直排列的光学接收器来检测自然光不再存在的边界，即沉积物覆盖的位置。然而，这些仪器依赖自然光，无法在夜间、深水或光照穿透受限的高浊度条件下有效工作。其他光学方法利用后向散射技术测量沉积板上的沉积物积累（Ridd等人，2001年；Thomas等人，2002年）。这种仪器的一个局限性是板的平滑度较高，容易引起快速再悬浮，从而在高速流动条件下无法进行准确测量。2017年提出了改进版本的仪器，其表面设计更接近珊瑚表面的复杂微地形（Whinney等人，2017年）。Matos等人（2022年）引入了一种能够进行原位连续监测沉积物沉积和床面侵蚀的自动化光学仪器。Wang等人（2022年）提出了一种使用地面激光扫描仪区分三角洲潮间带沉积特征的新方法。然而，现场实验仍显示出数据不一致性和相对较低的采样频率。

1992年，Ridd首次报道了利用电导率测量沉积物的方法（Ridd，1992年）。随后，开发了一种配备两个电极的沉降板装置，其电导率会随着沉积物厚度的变化而变化（De Rooij等人，1999年）。2009年，提出了一种垂直电极阵列，通过检测界面的电响应来识别沉积物-水界面（Arnaud等人，2009年）。最近，SP探针被证明可以有效监测海底界面变化（Fan等人，2023年）。尽管这些技术较为准确，但需要精确校准，且传感器输出高度依赖于水深、介质电导率和沉积物性质等变量。即使这些参数的微小波动也会显著影响测量精度（Matos等人，2022年）。虽然电学仪器可以提供海底淤积的长期监测，但有效的解释方法仍然缺乏。传统的原位电学监测技术只能测量沉积物厚度，而沉积物浓度和整体淤积过程仍不清楚。因此，了解沉积过程中的电学特性对于全面监测整个沉积过程是必要的。大多数基于电阻率或SP的仪器仅关注浅层沉积物或海底界面，未能结合底水引起的悬浮沉积物变化的分析，这使得它们难以捕捉码头处的侵蚀-沉积过程，限制了其在沿海和海洋工程项目中的应用。

本研究提出了一种基于海底电场特性的新方法来监测海底沉积过程。利用自主研发的电学监测设备，结合声学和光学技术，在宁波大榭码头进行了长期、全面的观测。该方法分析了海底沉积过程中SP特性的变化，并进一步探讨了电信号对监测沉积物厚度、悬浮沉积物浓度和界面迁移的敏感性。研究揭示了近岸沉积过程的时间演变，并评估了电学方法在港口淤积预警和沿海工程设计中的潜在应用。这种基于电学原理的方法能够早期预警沿海码头的沉积过程，对沿海和海洋工程项目的安全设计具有重要意义。

实验原理

本研究基于海水的原电池理论开发了一种新的SP监测方法。在海洋环境中，海水的氧化还原电位通常在200至400毫伏之间，而海底沉积物的氧化还原电位则在-300至-100毫伏之间（Sato和Mooney，1960年；Teasdale等人，1998年；Hinchey和Schaffner，2005年；He，2012年）。因此，海底表面代表了一个明显的氧化还原边界。SP的测量可以通过双层介质模型来近似表示，其中海水作为

实验室测试结果

如图6a所示，进行了非线性回归分析以研究SP与水中悬浮颗粒浓度之间的关系。考虑到之前报道的影响SP测量的因素，并结合本研究的实验结果（MacAllister等人，2019年；Priestley等人，2022年），得到了以下经验公式：${\mathrm{SP}}_{\left(S,T,Z,c\right)}=a_{\left(S,T,Z\right)}?{\exp }^{\left(?c/b\right)}+{\mathrm{SP}}_{\left(S,T,Z,0\right)}$