一种河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法及系统与流程

本发明涉及碳循环，具体涉及一种河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法及系统。

背景技术：

1、河流连接着陆地和海洋，在向海洋输送碳的同时与大气也存在大量的二氧化碳交换，开展河流水-气界面碳交换研究对区域和全球碳循环具有重要意义。目前水-气界面二氧化碳通量交换的研究主要关注湖泊和河口等水域，对河流碳循环的研究的也主要集中在河流碳的横向迁移过程，对河流水-气界面二氧化碳交换量的研究则相对较少。目前测量方法主要为红外测量仪结合通量箱在野外直接测定河流水-气二氧化碳通量，这种方法需要耗费大量的人力物力和财力，而且适用范围较窄。水-气界面的气体传输速率是影响河流水-气界面二氧化碳交换量计算的重要因子，目前对二氧化碳水-气界面的气体传输速率的估算方法主要通过易挥发性气体示踪，或者通量箱法、涡度相关法测定获得，其中人工添加示踪剂的测量方法在野外条件下不太适用，通量箱法和涡度相关法适用范围也比较有限，只适用于流速较慢的水体。

技术实现思路

1、因此，本发明实施例提供一种河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法及系统，可以解决现有技术存在的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法，包括：

4、对目标河流进行空间离散为有限多个河段，并对河段断面进行概化得到河段断面形状参数；

5、通过圣维南方程组计算各河段的断面的水流特征；

6、根据预设气体的传输速率计算模型，计算各河段气体的传输速率；

7、基于各河段气体的传输速率和块体公式，计算各河段单元水-气界面二氧化碳的交换通量；

8、基于预设的各河段水流特征和河段断面形状参数，计算各河段水面面积；

9、各河段水面面积和河段水-气界面二氧化碳交换通量的乘积为各河段水-气界面二氧化碳交换量，各河段水-气界面二氧化碳交换量之和为目标河流水-气界面二氧化碳交换量。

10、进一步地，采用偏微分方程形式的圣维南方程组描述各河段断面的水流特征，通过求解该方程组获得各个河段断面上的水流特征：

11、

12、其中：a表示河流过水断面面积；q表示过水断面的流量；x表示沿河道的坐标，朝着水流的方向为正；u为过水断面的平均流速；g为重力加速度；z为河段断面的河底高程；s0为河底坡降；sf为摩阻坡降。

13、进一步地，各河段气体的传输速率通过以下计算模型得到：

14、k＝f(u,s,h,w)

15、其中：k表示气体的传输速率；u表示河流流速；s表示河底坡降；h表示河流水深；w表示河流水面宽度，f(·)为采用多元线性回归方法得到的河段水-气界面的气体传输速率与流速、河底坡降、水深和水面宽度的相关函数。

16、进一步地，河流流速通过以下公式计算：

17、

18、其中：uin表示河段入流断面流速，由圣维南方程组计算得到；uout表示河段出流断面流速，由圣维南方程组计算得到；

19、河底坡降通过以下公式计算：

20、

21、其中：zin表示河段入流断面的河流水位，由圣维南方程组计算得到；zout表示河段出流断面的河流水位，由圣维南方程组计算得到；l表示河段入流段断面和河段出流断面之间的水平距离；

22、河流水深通过以下公式计算：

23、

24、其中：zd,in表示指定河段入流断面的河底高程，zd,out表示指定河段出流断面的河底高程；

25、河流水面宽度通过以下公式计算：

26、

27、其中：din表示河段入流断面河道梯形断面的底宽；dout表示河段出流断面河道梯形断面的底宽；θin表示河段入流断面梯形断面边坡与底边的夹角；θout表示河段入流断面梯形断面边坡与底边的夹角。

28、进一步地，所述河段水-气界面二氧化碳通量采用以下块体公示进行计算：

29、

30、其中，k表示气体的传输速率；s表示溶解度，是温度和盐度的函数；表示二氧化碳分压，其决定水-气界面二氧化碳的交换方向，当时，表示河流向大气释放二氧化碳；当时，表示河流吸收大气中的二氧化碳。

31、进一步地，所述基于预设的各河段水流特征和河段断面形状参数，计算各河段水面面积的步骤，包括：

32、所述河段水面面积采用河段断面水面宽度在河段入流断面和河段出流断面之间沿河道方向的积分计算得到，通过以下公式计算：

33、

34、其中：x表示沿河道的坐标，朝着水流的方向为正；xin表示河段入流断面沿河道方向的坐标；xout表示河段出流断面沿河道方向的坐标；win表示河段入流断面处的水面宽度；wout表示河段出流断面处的水面宽度。

35、进一步地，目标河流水-气界面二氧化碳交换量通过以下公式计算:

36、

37、其中：n表示目标河流划分的河段单元的数量；i表示河段单元的编号；ar,i表示编号为i的河段单元的水面面积；fco2,i表示编号为i的河段单元水-气界面二氧化碳交换通量。

38、第二方面，本发明实施例提供一种河流水-气界面二氧化碳交换量评估系统，包括：

39、河段划分模块，用于对目标河流进行空间离散为有限多个河段，并对河段断面进行概化得到河段断面形状参数；

40、河段断面的水流特征计算模块，用于特征通过圣维南方程组计算各河段断面的水流特征；

41、河段气体的传输速率计算模块，用于根据预设气体的传输速率计算模型，计算各河段气体的传输速率；

42、河段气体交换通量计算模块，用于基于各河段气体的传输速率和块体公式，计算各河段单元水-气界面二氧化碳的交换通量；

43、河段水面面积计算模块，用于基于预设的各河段水流特征和河段断面形状参数，计算各河段水面面积；

44、二氧化碳交换量评估模块，用于各河段水面面积和河段水-气界面二氧化碳交换通量的乘积为各河段水-气界面二氧化碳交换量，各河段水-气界面二氧化碳交换量之和为目标河流水-气界面二氧化碳交换量。

45、第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本发明实施例第一方面任一实施例所述的河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法。

46、第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例第一方面任一实施例所述的河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法。

47、本发明技术方案，具有如下优点：

48、本发明提供的一种河流水-气界面二氧化碳交换量评估方法及系统，对目标河流空间离散为有限多个河段，并对河段断面概化得到河段断面形状参数；通过圣维南方程组计算各河段的断面的水流特征；根据预设气体的传输速率计算模型计算各河段气体的传输速率；基于各河段气体的传输速率和块体公式计算各河段水-气界面二氧化碳的交换通量；基于预设各河段水流特征和河段断面形状参数计算各河段水面面积；各河段水面面积和河段水-气界面二氧化碳交换通量的乘积为河段水-气界面二氧化碳交换量，各河段水-气界面二氧化碳交换量之和为目标河流水-气界面二氧化碳交换量。本发明通过河流进行分段计算，能够快速、准确评估目标河流水-气界面二氧化碳交换量，与传统方法相比，能够具有投资少、计算精度高、物理机制强等特点。