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第1章 引言1

参考文献3

第2章 沉积物-水界面上部流体物理学4

2.1水底边界层的组成要素4

2.1.1结构4

2.1.2能级和关联运动6

2.2历史回顾8

2.3水底边界层的水动力学9

2.3.1控制方程9

2.3.2对数层和科里奥利偏转11

2.3.3恒应力层结构13

2.4水动力模型的层次16

2.4.1局部闭合16

2.4.2涡黏性公式17

2.4.3非局部闭合体系17

2.4.4近底层离散型湍流模型18

2.5边界条件20

2.5.1布林克曼层和无滑移条件20

2.5.2粗糙度21

2.5.3水底边界层的发展，粗糙度均化和水的分流23

2.5.4粗糙度的局部效应和底床移动24

2.6生物影响25

2.7水底边界层的分层26

2.8地形影响28

2.9波生湍流边界层29

2.10底部剪切力估算30

2.10.1二次阻力定律31

2.10.2半对数速度梯度32

2.10.3底层雷诺应力和湍流动能32

2.10.4惯性子区域湍流动能耗散率32

2.11展望33

参考文献33

第3章 水底边界层微尺度的流速测量39

3.1热式测速技术39

3.1.1传感器设计40

3.1.2热传导相关性42

3.1.3测速计电路42

3.1.4热膜探针校准43

3.1.5与水体热膜测量相关问题43

3.1.6边界层中热膜测量44

3.1.7水底边界层热式测速研究实例45

3.2激光测速45

3.2.1激光多普勒测速46

3.2.2激光多普勒应用48

3.2.3粒子成像测速49

3.2.4粒子成像测速应用53

3.3断层扫描及沉积物中流体53

3.3.1断层扫描安装和基本原理53

3.3.2断层扫描技术实例和局限性55

3.4大尺度声学测量装置56

3.5水底边界层的实验槽研究57

3.5.1明渠水流特性57

3.5.2水槽实验的实际考虑58

3.5.3槽中水流的产生60

3.5.4特殊目的的水槽设计60

3.5.5水底边界层研究的水槽试验61

参考文献62

第4章 水底边界层悬浮颗粒迁移69

4.1沉降速率70

4.2涡流黏度和扩散率75

4.3边界条件80

4.3.1底部浓度边界条件80

4.3.2底部通量边界条件81

4.3.3底部边界条件：非零Es（0+，t）83

4.3.4来自底床非局部注入模型84

4.3.5非局部注入对γ0估算影响86

4.3.6底部边界条件小结87

4.4结论87

附录 本章符号说明87

参考文献88

第5章 沉积物-水界面溶质迁移93

5.1平整固相近表面的溶质迁移93

5.1.1经典的涡流扩散理论93

5.1.2周期性边界层模型97

5.1.3高阶闭合模型99

5.2多孔界面的质量迁移100

5.2.1多孔性和渗透性影响100

5.2.2表面粗糙度影响102

5.2.3沉积物表面的不稳定性和反应性104

5.3反应中的水底边界层质量迁移107

5.3.1反应时间尺度影响107

5.3.2湍流和非线性反应107

5.4结论与展望109

参考文献109

第6章 沉积物表面的微结构和性质113

6.1综合研究113

6.2沉积物-水界面的可视化114

6.3寻求一个相关途径118

6.4沉积物表面的微尺度性质118

6.5沉积物性质的时间变化120

6.6光学性质122

6.7结论126

参考文献126

第7章 渗透性沉积物中的孔隙流130

7.1对流迁移简介130

7.1.1分子扩散与对流迁移130

7.1.2孔隙水迁移的物理过程和达西定律130

7.1.3海洋环境中的对流迁移131

7.2对流迁移机制132

7.2.1水流引起的对流迁移132

7.2.2波浪引起的沉积物中对流139

7.2.3密度驱动的对流迁移144

7.3对流迁移影响145

7.3.1对流产生的时空上分布带145

7.3.2对流对沉积物地球化学影响148

7.3.3对流对自然环境影响152

7.4总结及未来研究建议154

参考文献155

第8章 边界层研究中的生物地球化学微电极163

8.1电化学微电极168

8.1.1参比电极168

8.1.2 Ag/Ag+半电池微电极168

8.1.3离子交换微电极169

8.1.4连续极化或非极化微电极171

8.1.5离子防渗膜气体微电极173

8.1.6电化学微电极的仪器设备175

8.2光学微电极176

8.2.1场辐射微探针177

8.2.2辐射和标量辐射微探针178

8.2.3荧光和表面测定微探针178

8.2.4光纤微电极：光学微电极178

8.2.5光纤微电极的仪器设备180

8.3生物微电极181

8.3.1甲烷生物微电极181

8.3.2硝酸盐生物微电极182

8.4扩散率和水流速微电极183

8.4.1扩散率微电极183

8.4.2流量微电极184

8.5电极插入造成的物理扰动184

8.6总结和展望185

参考文献186

第9章 成岩过程和沉积物-水物质交换192

9.1生物地球化学过程和水底边界层作用193

9.1.1水底边界层的直接作用过程：氧气吸收194

9.1.2水底边界层的间接作用过程：反硝化199

9.1.3水底边界层的反应过程：铁锰循环201

9.1.4不依赖水底边界层的过程204

9.2溶质分布特征和通量的定量模拟205

9.2.1成岩作用模型概述205

9.2.2固体的溶解和沉淀207

9.2.3沉积物中的氧吸收208

9.2.4沉积物和扩散边界层中的反应性迁移210

9.3固体物质交换模拟211

9.4本章思考214

参考文献214

第10章 水底边界层的原位采样技术221

10.1方法221

10.1.1颗粒物迁移的测定221

10.1.2溶质通量的测定223

10.1.3平台和运载器的布设225

10.2限制因素227

10.2.1空间尺度和时间变化问题227

10.2.2仪器影响228

10.3新出现实验对策231

10.3.1有关尚未解决的浅水区问题231

10.3.2 BIOPROBE的深海应用236

10.4结论238

参考文献238

第11章 生物引灌区内物质迁移与反应243

11.1生物引灌区内一般性迁移特性243

11.2掘穴、生物引灌与沉积物流体化245

11.3生物湍流扩散模拟248

11.4生物产生的对流251

11.5表观源-汇或非局部交换模型252

11.6生物引灌区内成岩作用分布256

11.7模拟平均微环境的迁移模型257

11.8溶质迁移与反应动力学的相互作用262

11.9生物成因的沉积物构造以及微尺度迁移265

11.10生物扰动区结构以及生物地球化学267

11.11结论269

参考文献269

第12章 水底通量对有机质循环的驱动275

12.1海底溶质交换速率和机制275

12.2大陆架上的生物地球化学循环277

12.3大陆坡上的生物地球化学循环281

12.4深海底部生物地球化学循环284

参考文献288

第13章 底部水流中的大型动物和植物292

13.1传感场的水流修正作用293

13.1.1化学传感293

13.1.2其他传感信息295

13.2水流对质量和动量传递的影响297

13.2.1与大型植物有关的质量和动量传递297

13.2.2其他水底环境的质量和动量传递301

13.3底栖种群与幼体动力学302

13.3.1产卵与受精302

13.3.2生物分散304

13.3.3着生与生息306

13.3.4着生概率308

13.4结论309

参考文献309

第14章 扩散边界层中的生物体320

14.1生命体黏性世界321

14.1.1生物在低雷诺数流体中的迁移321

14.2扩散迁移323

14.2.1溶质向运动颗粒物的迁移323

14.2.2颗粒物周围的扩散区324

14.3水底扩散边界层326

14.3.1水底边界层的微电极测量328

14.3.2水底边界层的动力学研究328

14.3.3表面粗糙度332

14.3.4水底边界层对微电极的干扰333

14.3.5扩散边界层厚度334

14.4扩散限制因素的克服336

14.4.1硫细菌梯度337

参考文献339

第15章 界面生物膜和微生物垫343

15.1生物膜和微生物垫的结构和组成346

15.1.1结构分析方法346

15.1.2结构组分染色346

15.1.3模型生物膜实例研究348

15.2生物膜和微生物垫功能349

15.2.1边界层作用350

15.2.2传质阻力的衰减351

15.2.3生物膜模型测定353

15.2.4生物膜和微生物垫中传质迁移356

15.3生物膜和微生物垫传质研究新方法357

参考文献359

通用符号列表362