水-沉積物界面熱通量測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種水-沉積物界面熱通量測量裝置和測量方法。所述水-沉積物界面熱通量測量裝置包括：具有第一容納腔的上水槽，上水槽設有均與第一容納腔連通的上進水口和上出水口，第一容納腔的底壁上設有第一通孔且第一通孔位于上進水口和上出水口之間；具有第二容納腔的下水槽，下水槽設有均與第二容納腔連通的下進水口和下出水口，第二容納腔的頂壁上設有第二通孔；和具有分別與第一通孔和第二通孔連通的沉積物樣品容納腔的沉積物樣品容納件，沉積物樣品容納件的上端與上水槽相連且下端與下水槽相連。通過利用根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置可以精確地測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數。
【專利說明】水-沉積物界面熱通量測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水-沉積物界面熱通量測量裝置，還涉及一種水-沉積物熱擴散系數的測量方法。
【背景技術】
[0002]水溫是湖泊內最為重要的一項物理指標，不但對湖水的密度和運動產生影響，而且還控制著湖泊內各類化學反應速度，是決定湖泊生物生長繁殖與活動的重要物理因子，可影響湖泊生物群落結構，對湖泊水質具有重要影響。湖泊水溫不僅是水體蒸發、水量平衡計算必須考慮的因素，也是泥沙沉積和水土界面物質交換研究不可缺少的要素。因此，弄清湖泊水溫變化規律，不但有利于揭示湖泊動力的特征，也有利于湖泊生態環境研究。目前，我國大部分湖泊處于中-富營養和富營養化狀態。由于這些湖泊藻類水華和水生植被分布及變化對區域供水安全、景觀以及漁業資源均具有重要的影響，長期以來一直是人們關注的熱點和焦點，并建立了基于經驗公式和過程模型的藻類水華預報技術。在這些經驗公式預報和過程模型中，湖泊溫度是計算的重要參數。對于淺水湖泊而言，水-沉積物界面熱通量是影響和控制湖泊水溫的重要因素，因此開展水-沉積物界面熱量測定不但具有重要的理論意思還具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0003]本發明的一個目的在于提出一種可以精確地測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數的水-沉積物界面熱通量測量裝置。
[0004]本發明的另一個目的在于提出一種利用所述水-沉積物界面熱通量測量裝置測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數的方法。
[0005]為實現上述目的，根據本發明第一方面的實施例提出一種水-沉積物界面熱通量測量裝置，所述水-沉積物界面熱通量測量裝置包括:上水槽，所述上水槽內具有第一容納腔，所述上水槽設有上進水口和上出水口，所述上進水口和所述上出水口均與所述第一容納腔連通，其中所述第一容納腔的底壁上設有第一通孔且所述第一通孔位于所述上進水口和所述上出水口之間；下水槽，所述下水槽內具有第二容納腔，所述下水槽設有下進水口和下出水口，所述下進水口和所述下出水口均與所述第二容納腔連通，其中所述第二容納腔的頂壁上設有第二通孔；和沉積物樣品容納件，所述沉積物樣品容納件內具有沉積物樣品容納腔，其中所述沉積物樣品容納件的上端與所述上水槽相連且下端與所述下水槽相連，所述沉積物樣品容納腔分別與所述第一通孔和所述第二通孔連通。
[0006]通過利用根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置可以精確地測量水-沉積物界面熱通量和沉積物中熱量垂直擴散系數。所述水-沉積物界面熱通量測量裝置還具有結構簡單的優點。
[0007]另外，根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置可以具有如下附加的技術特征:[0008]根據本發明的一個實施例，所述上水槽由隔熱材料制成。這樣在利用所述水-沉積物界面熱通量測量裝置測量水-沉積物界面熱通量時，可以防止所述上水槽中的水的熱量流失，從而可以更加精確地測量水-沉積物界面熱通量。
[0009]根據本發明的一個實施例，所述下水槽和所述沉積物樣品容納件均由隔熱材料制成。這樣可以防止整個所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的熱量流失，從而可以更加精確地測量水-沉積物界面熱通量。
[0010]根據本發明的一個實施例，所述水-沉積物界面熱通量測量裝置還包括上水槽隔熱層，所述上水槽隔熱層設在所述上水槽的外表面上。通過在所述上水槽的外表面上設置所述上水槽隔熱層，從而在利用所述水-沉積物界面熱通量測量裝置測量水-沉積物界面熱通量時可以防止所述上水槽中的水的熱量流失，這樣可以更加精確地測量水-沉積物界面熱通量。
[0011]根據本發明的一個實施例，所述水-沉積物界面熱通量測量裝置還包括設在所述下水槽的外表面上的下水槽隔熱層和設在所述沉積物樣品容納件的外表面上的容納件隔熱層。通過在所述下水槽的外表面上設置所述下水槽隔熱層以及在所述沉積物樣品容納件的外表面上設置所述容納件隔熱層，從而可以防止整個所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的熱量流失，這樣可以更加精確地測量水-沉積物界面熱通量。
[0012]根據本發明的一個實施例，所述上水槽為大體長方體形，其中所述上進水口沿所述上水槽的左側壁的厚度方向貫通所述上水槽的左側壁，所述上出水口沿所述上水槽的右側壁的厚度方向貫通所述上水槽的右側壁。這樣所述水-沉積物界面熱通量測量裝置具有結構簡單、制造成本低等優點。
[0013]根據本發明的一個實施例，所述第二通孔在左右方向上位于所述下進水口和所述下出水口之間。
[0014]根據本發明的一個實施例，所述下水槽為大體長方體形，其中所述下進水口沿所述下水槽的左側壁的厚度方向貫通所述下水槽的左側壁，所述下出水口沿所述下水槽的右側壁的厚度方向貫通所述下水槽的右側壁。這樣所述水-沉積物界面熱通量測量裝置具有結構簡單、制造成本低等優點。
[0015]根據本發明的一個實施例，所述沉積物樣品容納件為大體圓柱形且所述沉積物樣品容納腔為大體圓柱形。這樣可以在使用相等的耗材下增大所述沉積物樣品容納腔內的空間。
[0016]根據本發明的一個實施例，所述沉積物樣品容納腔的上端和下端均敞開，所述第一容納腔的底壁上設有覆蓋所述第一通孔的第一金屬網，所述第二容納腔的頂壁上設有覆蓋所述第二通孔的第二金屬網。這樣可以使所述沉積物樣品容納腔更加容易地與所述第一通孔和所述第二通孔連通。而且通過設置所述第一金屬網和所述第二金屬網，可以起到保護水-沉積物界面免受水流擾動以及固定住沉積物，但又不影響熱通量的作用。
[0017]根據本發明第二方面的實施例提出一種利用根據本發明第一方面所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數的方法，所述方法包括:
[0018]A)以第一預定流速從所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的上水槽的上進水口往所述上水槽中注入第一預定溫度T±入的水，且以第二預定流速從所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的下水槽的下進水口往下水槽中注入第三預定溫度Tt入的水；和
[0019]B)監測所述第一預定溫度、從所述上出水口流出的水的溫度、所述第三預定溫度、所述第一預定流速和所述第二預定流速；
[0020]C)將現場采集的不同類型沉積物樣品放入所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的沉積物樣品容納件的沉積物樣品容納腔內；
[0021]D)監測所述第一預定溫度、從所述上出水口流出的水的溫度、所述第三預定溫度、所述第一預定流速和所述第二預定流速、所述上水槽的水-沉積物界面溫度和所述下水槽的水-沉積物界面溫度；
[0022]E)根據公式I計算出所述水-沉積物界面熱通量Qs，并根據公式II計算出沉積物熱量垂向擴散系數。
[0023]Qs=pCQ[T±da+S0/S上(T上人_T±d出)-T上出]/S。(I)其中Qs為水-沉積物界面單位面積熱通量，C為水的比熱，P水的密度，為所述沉積物樣品容納腔內沒有沉積物樣品時從所述上出水口流出的水的溫度，S0為水-沉積物界面面積，為所述第一容納腔的外表總面積’ T上出為所述沉積物樣品容納腔內設有沉積物樣品時從所述上出水口流出的水的溫度，Q為從所述上出水口流出的水的流量；
[0024]Kt={Qs/(pC)_S2.0.5.[Q (T下入-T下d出)/S下表+Q (T上入_T±da)/S上表]} *L/(T上-T下)(II)
[0025]其中，Kt為沉積物熱量垂直擴散系數，S2為所述沉積物樣品容納件的外表面面積，ST#為所述第二容納腔的外表`總面積，為所述沉積物樣品容納腔內沒有沉積物樣品時從所述下出水口流出的水的溫度，T〒入為所述沉積物樣品容納腔內沒有沉積物樣品時從所述下進水口流入的水的溫度，L為所述沉積物樣品容納腔內的沉積物樣品的長度，Τ±為所述第一容納腔的水-沉積物界面溫度，TtS所述第二容納腔的水-沉積物界面溫度。
[0026]根據本發明實施例的利用根據本發明第一方面所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置測量水-沉積物界面熱通量的方法可以精確地測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數。
[0027]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0029]圖1是根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置的結構示意圖。【具體實施方式】
[0030]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0031]經過發明人深入地研究后發現，水溫是湖泊內最為重要的一項物理指標，是決定藻類生長的重要因素，湖泊水生植被盛衰和水溫變化密切相關。在湖泊氮磷供給較為充足的條件下，水溫就成為決定湖泊水生植物和藻類生長的關鍵因素，特別是換水周期較長的湖泊，水溫更是藻類與水生植物生長的決定因素。
[0032]由于經驗公式預報沒有考慮溫度對藻類生物的影響，因此提供的預報產品僅為藻類生物量日均水平分布，這與湖面瞬時藻類水華分布存在較大的差異，僅可用于短時間尺度的分析。對于基于過程模型的預報來說，雖然模型中包含了水溫對藻類以及沉水植物生長的影響，但是模型中缺乏確定水溫變化過程的計算模塊，水溫被當作已知量輸入模型，具體處理時用氣溫與水溫多年關系確定。然而水溫不僅與氣溫相關，還與太陽輻射強度、水體蒸發、水面風場、水位、河流出入湖水量、水-沉積物界面熱量交換以及水體物質成分有關，特別是水溫與水體上層藻類生物量相關，這會使過程模型在預報藻類水華時因水溫計算不準確而產生較大誤差。
[0033]下面參照圖1描述根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置10。如圖1所示，根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置10包括上水槽100、下水槽200和沉積物樣品容納件300。其中，上下方向A如圖1中的箭頭方向所示。
[0034]上水槽100內具有第一容納腔110，上水槽100設有上進水口 120和上出水口 130，上進水口 120和上出水口 130均與第一容納腔110連通，其中第一容納腔110的底壁140上設有第一通孔141且第一通孔141位于上進水口 120和上出水口 130之間。下水槽200內具有第二容納腔210，下水槽200設有下進水口 230和下出水口 240，下進水口 230和下出水口 240均與第二容納腔210連通，其中第二容納腔210的頂壁220上設有第二通孔221。沉積物樣品容納件300內具有沉積物樣品容納腔310 (沉積物樣品容納腔310用于容納現場采集的不同類型沉積物樣品)，其中沉積物樣品容納件300的上端與上水槽100相連，且沉積物樣品容納件300的下端與下水槽200相連，沉積物樣品容納腔310分別與第一通孔141和第二通孔221連通。
[0035]下面參照圖1描述利用根據本發明實施例的水-沉積物界面熱通量測量裝置10測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數的方法。所述測量方法包括:
[0036]A)以第一預定流速從水-沉積物界面熱通量測量裝置10的上水槽100的上進水口 120往上水槽100中注入第一預定溫度T±入的水，且以第二預定流速從水-沉積物界面熱通量測量裝置10的下水槽200的下出水口 240往下水槽200中注入第三預定溫度T了人的水；和
[0037]B)監測所述第一預定溫度、從上出水口 130流出的水的溫度、所述第三預定溫度、所述第一預定流速和所述第二預定流速；
[0038]C)將現場采集的不同類型沉積物樣品放入水-沉積物界面熱通量測量裝置10的沉積物樣品容納件300的沉積物樣品容納腔310內；
[0039]D)監測所述第一預定溫度、從上出水口 130流出的水的溫度、所述第三預定溫度、所述第一預定流速和所述第二預定流速、上水槽100的水-沉積物界面溫度和下水槽200的水-沉積物界面溫度；
[0040]Ε)根據公式I計算出所述水-沉積物界面熱通量Qs，并根據公式II計算出沉積物熱量垂向擴散系數。
[0041]Qs=pCQ[T±da+S0/S上(T上人-T±da)_T上出]/S。(I)其中Qs為水-沉積物界面單位面積熱通量，C為水的比熱，P水的密度，為沉積物樣品容納腔310內沒有沉積物樣品時從上出水口 130流出的水的溫度，S0為水-沉積物界面面積，為第一容納腔110的外表總面積，為沉積物樣品容納腔310內設有沉積物樣品時從上出水口 130流出的水的溫度，Q為從上出水口 130流出的水的流量；
[0042]
【權利要求】
1.一種水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，包括: 上水槽，所述上水槽內具有第一容納腔，所述上水槽設有上進水口和上出水口，所述上進水口和所述上出水口均與所述第一容納腔連通，其中所述第一容納腔的底壁上設有第一通孔且所述第一通孔位于所述上進水口和所述上出水口之間； 下水槽，所述下水槽內具有第二容納腔，所述下水槽設有下進水口和下出水口，所述下進水口和所述下出水口均與所述第二容納腔連通，其中所述第二容納腔的頂壁上設有第二通孔；和 沉積物樣品容納件，所述沉積物樣品容納件內具有沉積物樣品容納腔，其中所述沉積物樣品容納件的上端與所述上水槽相連且下端與所述下水槽相連，所述沉積物樣品容納腔分別與所述第一通孔和所述第二通孔連通。
2.根據權利要求1所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述上水槽由隔熱材料制成。
3.根據權利要求2所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述下水槽和所述沉積物樣品容納件均由隔熱材料制成。
4.根據權利要求1所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，還包括上水槽隔熱層，所述上水槽隔熱層設在所述上水槽的外表面上。
5.根據權利要求4所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，還包括設在所述下水槽的外表面上的下水槽隔熱層和設在所述沉積物樣品容納件的外表面上的容納件隔熱層。
6.根據權利要求1所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述上水槽為大體長方體形，其中所述上進水口沿所述上水槽的左側壁的厚度方向貫通所述上水槽的左側壁，所述上出水口沿所述上水槽的右側壁的厚度方向貫通所述上水槽的右側壁。
7.根據權利要求1所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述第二通孔在左右方向上位于所述下進水口和所述下出水口之間。
8.根據權利要求7所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述下水槽為大體長方體形，其中所述下進水口沿所述下水槽的左側壁的厚度方向貫通所述下水槽的左側壁，所述下出水口沿所述下水槽的右側壁的厚度方向貫通所述下水槽的右側壁。
9.根據權利要求1所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述沉積物樣品容納件為大體圓柱形且所述沉積物樣品容納腔為大體圓柱形。
10.根據權利要求9所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置，其特征在于，所述沉積物樣品容納腔的上端和下端均敞開，所述第一容納腔的底壁上設有覆蓋所述第一通孔的第一金屬網，所述第二容納腔的頂壁上設有覆蓋所述第二通孔的第二金屬網。
11.一種利用根據權利要求1-10中任一項所述的水-沉積物界面熱通量測量裝置測量水-沉積物界面熱通量和沉積物熱量垂直擴散系數的方法，其特征在于，包括: A)以第一預定流速從所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的上水槽的上進水口往所述上水槽中注入第一預定溫度T ±λ的水，且以第二預定流速從所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的下水槽的下進水口往下水槽中注入第三預定溫度Tt入的水；和 B)監測所述第一預定溫度、從所述上出水口流出的水的溫度、所述第三預定溫度、所述第一預定流速和所述第二預定流速；O將現場采集的不同類型沉積物樣品放入所述水-沉積物界面熱通量測量裝置的沉積物樣品容納件的沉積物樣品容納腔內； D)監測所述第一預定溫度、從所述上出水口流出的水的溫度、所述第三預定溫度、所述第一預定流速和所述第二預定流速、所述上水槽的水-沉積物界面溫度和所述下水槽的水-沉積物界面溫度； E)根據公式I計算出所述水-沉積物界面熱通量Qs，并根據公式II計算出沉積物熱量垂向擴散系數。 Qs= P CQ[T上d出+S0/S上(T上入-T上d出)-T上出]/S0 (I)其中Qs為水-沉積物界面單位面積熱通量，C為水的比熱，P水的密度，為所述沉積物樣品容納腔內沒有沉積物樣品時從所述上出水口流出的水的溫度，S0為水-沉積物界面面積，為所述第一容納腔的外表總面積，為所述沉積物樣品容納腔內設有沉積物樣品時從所述上出水口流出的水的溫度，Q為從所述上出水口流出的水的流量；
【文檔編號】G01N25/20GK103645208SQ201310731428
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】胡維平, 李欽欽, 朱金格 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所