水-沉积物界面热通量测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种水-沉积物界面热通量测量装置和测量方法。所述水-沉积物界面热通量测量装置包括：具有第一容纳腔的上水槽，上水槽设有均与第一容纳腔连通的上进水口和上出水口，第一容纳腔的底壁上设有第一通孔且第一通孔位于上进水口和上出水口之间；具有第二容纳腔的下水槽，下水槽设有均与第二容纳腔连通的下进水口和下出水口，第二容纳腔的顶壁上设有第二通孔；和具有分别与第一通孔和第二通孔连通的沉积物样品容纳腔的沉积物样品容纳件，沉积物样品容纳件的上端与上水槽相连且下端与下水槽相连。通过利用根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置可以精确地测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数。
【专利说明】水-沉积物界面热通量测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水-沉积物界面热通量测量装置，还涉及一种水-沉积物热扩散系数的测量方法。
【背景技术】
[0002]水温是湖泊内最为重要的一项物理指标，不但对湖水的密度和运动产生影响，而且还控制着湖泊内各类化学反应速度，是决定湖泊生物生长繁殖与活动的重要物理因子，可影响湖泊生物群落结构，对湖泊水质具有重要影响。湖泊水温不仅是水体蒸发、水量平衡计算必须考虑的因素，也是泥沙沉积和水土界面物质交换研究不可缺少的要素。因此，弄清湖泊水温变化规律，不但有利于揭示湖泊动力的特征，也有利于湖泊生态环境研究。目前，我国大部分湖泊处于中-富营养和富营养化状态。由于这些湖泊藻类水华和水生植被分布及变化对区域供水安全、景观以及渔业资源均具有重要的影响，长期以来一直是人们关注的热点和焦点，并建立了基于经验公式和过程模型的藻类水华预报技术。在这些经验公式预报和过程模型中，湖泊温度是计算的重要参数。对于浅水湖泊而言，水-沉积物界面热通量是影响和控制湖泊水温的重要因素，因此开展水-沉积物界面热量测定不但具有重要的理论意思还具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0003]本发明的一个目的在于提出一种可以精确地测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数的水-沉积物界面热通量测量装置。
[0004]本发明的另一个目的在于提出一种利用所述水-沉积物界面热通量测量装置测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数的方法。
[0005]为实现上述目的，根据本发明第一方面的实施例提出一种水-沉积物界面热通量测量装置，所述水-沉积物界面热通量测量装置包括:上水槽，所述上水槽内具有第一容纳腔，所述上水槽设有上进水口和上出水口，所述上进水口和所述上出水口均与所述第一容纳腔连通，其中所述第一容纳腔的底壁上设有第一通孔且所述第一通孔位于所述上进水口和所述上出水口之间；下水槽，所述下水槽内具有第二容纳腔，所述下水槽设有下进水口和下出水口，所述下进水口和所述下出水口均与所述第二容纳腔连通，其中所述第二容纳腔的顶壁上设有第二通孔；和沉积物样品容纳件，所述沉积物样品容纳件内具有沉积物样品容纳腔，其中所述沉积物样品容纳件的上端与所述上水槽相连且下端与所述下水槽相连，所述沉积物样品容纳腔分别与所述第一通孔和所述第二通孔连通。
[0006]通过利用根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置可以精确地测量水-沉积物界面热通量和沉积物中热量垂直扩散系数。所述水-沉积物界面热通量测量装置还具有结构简单的优点。
[0007]另外，根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置可以具有如下附加的技术特征:[0008]根据本发明的一个实施例，所述上水槽由隔热材料制成。这样在利用所述水-沉积物界面热通量测量装置测量水-沉积物界面热通量时，可以防止所述上水槽中的水的热量流失，从而可以更加精确地测量水-沉积物界面热通量。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述下水槽和所述沉积物样品容纳件均由隔热材料制成。这样可以防止整个所述水-沉积物界面热通量测量装置的热量流失，从而可以更加精确地测量水-沉积物界面热通量。
[0010]根据本发明的一个实施例，所述水-沉积物界面热通量测量装置还包括上水槽隔热层，所述上水槽隔热层设在所述上水槽的外表面上。通过在所述上水槽的外表面上设置所述上水槽隔热层，从而在利用所述水-沉积物界面热通量测量装置测量水-沉积物界面热通量时可以防止所述上水槽中的水的热量流失，这样可以更加精确地测量水-沉积物界面热通量。
[0011]根据本发明的一个实施例，所述水-沉积物界面热通量测量装置还包括设在所述下水槽的外表面上的下水槽隔热层和设在所述沉积物样品容纳件的外表面上的容纳件隔热层。通过在所述下水槽的外表面上设置所述下水槽隔热层以及在所述沉积物样品容纳件的外表面上设置所述容纳件隔热层，从而可以防止整个所述水-沉积物界面热通量测量装置的热量流失，这样可以更加精确地测量水-沉积物界面热通量。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述上水槽为大体长方体形，其中所述上进水口沿所述上水槽的左侧壁的厚度方向贯通所述上水槽的左侧壁，所述上出水口沿所述上水槽的右侧壁的厚度方向贯通所述上水槽的右侧壁。这样所述水-沉积物界面热通量测量装置具有结构简单、制造成本低等优点。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述第二通孔在左右方向上位于所述下进水口和所述下出水口之间。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述下水槽为大体长方体形，其中所述下进水口沿所述下水槽的左侧壁的厚度方向贯通所述下水槽的左侧壁，所述下出水口沿所述下水槽的右侧壁的厚度方向贯通所述下水槽的右侧壁。这样所述水-沉积物界面热通量测量装置具有结构简单、制造成本低等优点。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述沉积物样品容纳件为大体圆柱形且所述沉积物样品容纳腔为大体圆柱形。这样可以在使用相等的耗材下增大所述沉积物样品容纳腔内的空间。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述沉积物样品容纳腔的上端和下端均敞开，所述第一容纳腔的底壁上设有覆盖所述第一通孔的第一金属网，所述第二容纳腔的顶壁上设有覆盖所述第二通孔的第二金属网。这样可以使所述沉积物样品容纳腔更加容易地与所述第一通孔和所述第二通孔连通。而且通过设置所述第一金属网和所述第二金属网，可以起到保护水-沉积物界面免受水流扰动以及固定住沉积物，但又不影响热通量的作用。
[0017]根据本发明第二方面的实施例提出一种利用根据本发明第一方面所述的水-沉积物界面热通量测量装置测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数的方法，所述方法包括:
[0018]A)以第一预定流速从所述水-沉积物界面热通量测量装置的上水槽的上进水口往所述上水槽中注入第一预定温度T±入的水，且以第二预定流速从所述水-沉积物界面热通量测量装置的下水槽的下进水口往下水槽中注入第三预定温度Tt入的水；和
[0019]B)监测所述第一预定温度、从所述上出水口流出的水的温度、所述第三预定温度、所述第一预定流速和所述第二预定流速；
[0020]C)将现场采集的不同类型沉积物样品放入所述水-沉积物界面热通量测量装置的沉积物样品容纳件的沉积物样品容纳腔内；
[0021]D)监测所述第一预定温度、从所述上出水口流出的水的温度、所述第三预定温度、所述第一预定流速和所述第二预定流速、所述上水槽的水-沉积物界面温度和所述下水槽的水-沉积物界面温度；
[0022]E)根据公式I计算出所述水-沉积物界面热通量Qs，并根据公式II计算出沉积物热量垂向扩散系数。
[0023]Qs=pCQ[T±da+S0/S上(T上人_T±d出)-T上出]/S。(I)其中Qs为水-沉积物界面单位面积热通量，C为水的比热，P水的密度，为所述沉积物样品容纳腔内没有沉积物样品时从所述上出水口流出的水的温度，S0为水-沉积物界面面积，为所述第一容纳腔的外表总面积’ T上出为所述沉积物样品容纳腔内设有沉积物样品时从所述上出水口流出的水的温度，Q为从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为沉积物热量垂直扩散系数，S2为所述沉积物样品容纳件的外表面面积，ST#为所述第二容纳腔的外表`总面积，为所述沉积物样品容纳腔内没有沉积物样品时从所述下出水口流出的水的温度，T〒入为所述沉积物样品容纳腔内没有沉积物样品时从所述下进水口流入的水的温度，L为所述沉积物样品容纳腔内的沉积物样品的长度，Τ±为所述第一容纳腔的水-沉积物界面温度，TtS所述第二容纳腔的水-沉积物界面温度。
[0026]根据本发明实施例的利用根据本发明第一方面所述的水-沉积物界面热通量测量装置测量水-沉积物界面热通量的方法可以精确地测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数。
[0027]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0029]图1是根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置的结构示意图。【具体实施方式】
[0030]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0031]经过发明人深入地研究后发现，水温是湖泊内最为重要的一项物理指标，是决定藻类生长的重要因素，湖泊水生植被盛衰和水温变化密切相关。在湖泊氮磷供给较为充足的条件下，水温就成为决定湖泊水生植物和藻类生长的关键因素，特别是换水周期较长的湖泊，水温更是藻类与水生植物生长的决定因素。
[0032]由于经验公式预报没有考虑温度对藻类生物的影响，因此提供的预报产品仅为藻类生物量日均水平分布，这与湖面瞬时藻类水华分布存在较大的差异，仅可用于短时间尺度的分析。对于基于过程模型的预报来说，虽然模型中包含了水温对藻类以及沉水植物生长的影响，但是模型中缺乏确定水温变化过程的计算模块，水温被当作已知量输入模型，具体处理时用气温与水温多年关系确定。然而水温不仅与气温相关，还与太阳辐射强度、水体蒸发、水面风场、水位、河流出入湖水量、水-沉积物界面热量交换以及水体物质成分有关，特别是水温与水体上层藻类生物量相关，这会使过程模型在预报藻类水华时因水温计算不准确而产生较大误差。
[0033]下面参照图1描述根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置10。如图1所示，根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置10包括上水槽100、下水槽200和沉积物样品容纳件300。其中，上下方向A如图1中的箭头方向所示。
[0034]上水槽100内具有第一容纳腔110，上水槽100设有上进水口 120和上出水口 130，上进水口 120和上出水口 130均与第一容纳腔110连通，其中第一容纳腔110的底壁140上设有第一通孔141且第一通孔141位于上进水口 120和上出水口 130之间。下水槽200内具有第二容纳腔210，下水槽200设有下进水口 230和下出水口 240，下进水口 230和下出水口 240均与第二容纳腔210连通，其中第二容纳腔210的顶壁220上设有第二通孔221。沉积物样品容纳件300内具有沉积物样品容纳腔310 (沉积物样品容纳腔310用于容纳现场采集的不同类型沉积物样品)，其中沉积物样品容纳件300的上端与上水槽100相连，且沉积物样品容纳件300的下端与下水槽200相连，沉积物样品容纳腔310分别与第一通孔141和第二通孔221连通。
[0035]下面参照图1描述利用根据本发明实施例的水-沉积物界面热通量测量装置10测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数的方法。所述测量方法包括:
[0036]A)以第一预定流速从水-沉积物界面热通量测量装置10的上水槽100的上进水口 120往上水槽100中注入第一预定温度T±入的水，且以第二预定流速从水-沉积物界面热通量测量装置10的下水槽200的下出水口 240往下水槽200中注入第三预定温度T了人的水；和
[0037]B)监测所述第一预定温度、从上出水口 130流出的水的温度、所述第三预定温度、所述第一预定流速和所述第二预定流速；
[0038]C)将现场采集的不同类型沉积物样品放入水-沉积物界面热通量测量装置10的沉积物样品容纳件300的沉积物样品容纳腔310内；
[0039]D)监测所述第一预定温度、从上出水口 130流出的水的温度、所述第三预定温度、所述第一预定流速和所述第二预定流速、上水槽100的水-沉积物界面温度和下水槽200的水-沉积物界面温度；
[0040]Ε)根据公式I计算出所述水-沉积物界面热通量Qs，并根据公式II计算出沉积物热量垂向扩散系数。
[0041]Qs=pCQ[T±da+S0/S上(T上人-T±da)_T上出]/S。(I)其中Qs为水-沉积物界面单位面积热通量，C为水的比热，P水的密度，为沉积物样品容纳腔310内没有沉积物样品时从上出水口 130流出的水的温度，S0为水-沉积物界面面积，为第一容纳腔110的外表总面积，为沉积物样品容纳腔310内设有沉积物样品时从上出水口 130流出的水的温度，Q为从上出水口 130流出的水的流量；
[0042]
【权利要求】
1.一种水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，包括: 上水槽，所述上水槽内具有第一容纳腔，所述上水槽设有上进水口和上出水口，所述上进水口和所述上出水口均与所述第一容纳腔连通，其中所述第一容纳腔的底壁上设有第一通孔且所述第一通孔位于所述上进水口和所述上出水口之间； 下水槽，所述下水槽内具有第二容纳腔，所述下水槽设有下进水口和下出水口，所述下进水口和所述下出水口均与所述第二容纳腔连通，其中所述第二容纳腔的顶壁上设有第二通孔；和 沉积物样品容纳件，所述沉积物样品容纳件内具有沉积物样品容纳腔，其中所述沉积物样品容纳件的上端与所述上水槽相连且下端与所述下水槽相连，所述沉积物样品容纳腔分别与所述第一通孔和所述第二通孔连通。
2.根据权利要求1所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述上水槽由隔热材料制成。
3.根据权利要求2所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述下水槽和所述沉积物样品容纳件均由隔热材料制成。
4.根据权利要求1所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，还包括上水槽隔热层，所述上水槽隔热层设在所述上水槽的外表面上。
5.根据权利要求4所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，还包括设在所述下水槽的外表面上的下水槽隔热层和设在所述沉积物样品容纳件的外表面上的容纳件隔热层。
6.根据权利要求1所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述上水槽为大体长方体形，其中所述上进水口沿所述上水槽的左侧壁的厚度方向贯通所述上水槽的左侧壁，所述上出水口沿所述上水槽的右侧壁的厚度方向贯通所述上水槽的右侧壁。
7.根据权利要求1所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述第二通孔在左右方向上位于所述下进水口和所述下出水口之间。
8.根据权利要求7所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述下水槽为大体长方体形，其中所述下进水口沿所述下水槽的左侧壁的厚度方向贯通所述下水槽的左侧壁，所述下出水口沿所述下水槽的右侧壁的厚度方向贯通所述下水槽的右侧壁。
9.根据权利要求1所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述沉积物样品容纳件为大体圆柱形且所述沉积物样品容纳腔为大体圆柱形。
10.根据权利要求9所述的水-沉积物界面热通量测量装置，其特征在于，所述沉积物样品容纳腔的上端和下端均敞开，所述第一容纳腔的底壁上设有覆盖所述第一通孔的第一金属网，所述第二容纳腔的顶壁上设有覆盖所述第二通孔的第二金属网。
11.一种利用根据权利要求1-10中任一项所述的水-沉积物界面热通量测量装置测量水-沉积物界面热通量和沉积物热量垂直扩散系数的方法，其特征在于，包括: A)以第一预定流速从所述水-沉积物界面热通量测量装置的上水槽的上进水口往所述上水槽中注入第一预定温度T ±λ的水，且以第二预定流速从所述水-沉积物界面热通量测量装置的下水槽的下进水口往下水槽中注入第三预定温度Tt入的水；和 B)监测所述第一预定温度、从所述上出水口流出的水的温度、所述第三预定温度、所述第一预定流速和所述第二预定流速；O将现场采集的不同类型沉积物样品放入所述水-沉积物界面热通量测量装置的沉积物样品容纳件的沉积物样品容纳腔内； D)监测所述第一预定温度、从所述上出水口流出的水的温度、所述第三预定温度、所述第一预定流速和所述第二预定流速、所述上水槽的水-沉积物界面温度和所述下水槽的水-沉积物界面温度； E)根据公式I计算出所述水-沉积物界面热通量Qs，并根据公式II计算出沉积物热量垂向扩散系数。 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为水-沉积物界面单位面积热通量，C为水的比热，P水的密度，为所述沉积物样品容纳腔内没有沉积物样品时从所述上出水口流出的水的温度，S0为水-沉积物界面面积，为所述第一容纳腔的外表总面积，为所述沉积物样品容纳腔内设有沉积物样品时从所述上出水口流出的水的温度，Q为从所述上出水口流出的水的流量；
【文档编号】G01N25/20GK103645208SQ201310731428
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】胡维平, 李钦钦, 朱金格 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所