水-沉积物界面热通量测量装置及测量方法

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。

说明书

技术领域

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

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

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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_上入的水，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T_下入的水；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；

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；

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Q_s，并根据公式II计算出 沉积物热量垂向扩散系数。

Q_s=ρCQ[T_上d出+S₀/S_上(T_上入-T_上d出)-T_上出]/S₀  （I） 其中Q_s为水-沉积物界面单位面积热通量，C为水的比热，ρ水的密度，T_上d出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，S_上表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；

K_T={Q_s/(ρC)-S₂·0.5·[Q（T_下入-T_下d出）/S_下表+Q（T_上入-T_上d出）/S_上表]}·L/(T_上-T_下） （II）

其中，K_T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，S_下表为所述第二容纳腔的外表总面积，T_下d出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_下入为所述沉积 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，T_上为所述第一容纳腔的水-沉积物 界面温度，T_下为所述第二容纳腔的水-沉积物界面温度。

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。

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。

附图说明

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：

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

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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_上入的水，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_下入的水；和

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；

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；

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；

E）根据公式I计算出所述水-沉积物界面热通量Q_s，并根据公式II计算出 沉积物热量垂向扩散系数。

Q_s=ρCQ[T_上d出+S₀/S_上(T_上入-T_上d出)-T_上出]/S₀  （I） 其中Q_s为水-沉积物界面单位面积热通量，C为水的比热，ρ水的密度，T_上d出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，S_上表为第一容纳腔110的外表总面积，T_上出为沉 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；

K_T={Q_s/(ρC)-S₂·0.5·[Q（T_下入-T_下d出）/S_下表+Q（T_上入-T_上d出）/S_上表]}·L/(T_上-T_下） （II）

其中，K_T为沉积物热量垂直扩散系数，S₂为沉积物样品容纳件300的外 表面面积，S_下表为第二容纳腔210的外表总面积，T_下d出为沉积物样品容纳腔 310内没有沉积物样品时从下出水口240流出的水的温度，T_下入为沉积物样 品容纳腔310内没有沉积物样品时从下进水口230流入的水的温度，L为沉积 物样品容纳腔310内的沉积物样品的长度，T_上为第一容纳腔110的水-沉积物 界面温度，T_下为第二容纳腔210的水-沉积物界面温度。

将得到的水-沉积物界面热通量应用到原位试验中，将其计算结果与现场 近底层水温梯度的观测数据结合，并依据公式Ⅲ计算出近底层水温的垂向扩散 系数，探讨近底层水温的垂向扩散系数与水-沉积物界面温度和沉积物温度垂 直梯度的定量关系。

    公式Ⅲ

在公式Ⅱ中，Q是水-沉积物界面热通量；T是近底层水的温度；λ_底是沉 积物水温垂向扩散系数。

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10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。水-沉积物界面热 通量测量装置10还具有结构简单的优点。

根据本发明实施例的利用水-沉积物界面热通量测量装置10测量水-沉积 物界面热通量的方法可以精确地测量水-沉积物界面热通量。

在本发明的一些实施例中，上水槽100可以由隔热材料制成。这样在利用 水-沉积物界面热通量测量装置10测量水-沉积物界面热通量时，可以防止上 水槽100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。

有利地，下水槽200和沉积物样品容纳件300都可以由隔热材料制成，这 样可以防止整个水-沉积物界面热通量测量装置10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。

在本发明的一些示例中，水-沉积物界面热通量测量装置10还可以包括上 水槽隔热层，所述上水槽隔热层可以设在上水槽100的外表面上。其中，上水 槽100的外表面是指上水槽100的远离第一容纳腔110的表面。通过在上水槽 100的外表面上设置所述上水槽隔热层，从而在利用水-沉积物界面热通量测 量装置10测量水-沉积物界面热通量时可以防止上水槽100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。所述上水槽隔热层还可 以设在上水槽100的内表面上。其中，上水槽100的内表面是指上水槽100 的邻近第一容纳腔110的表面。

有利地，水-沉积物界面热通量测量装置10还可以包括下水槽隔热层和容 纳件隔热层，所述下水槽隔热层可以设在下水槽200的外表面上，所述容纳件 隔热层可以设在沉积物样品容纳件300的外表面上。通过在下水槽200的外表 面上设置所述下水槽隔热层以及在沉积物样品容纳件300的外表面上设置所 述容纳件隔热层，从而可以防止整个水-沉积物界面热通量测量装置10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。其中，下水槽200的 外表面是指下水槽200的远离第二容纳腔210的表面，沉积物样品容纳件300 的外表面是指沉积物样品容纳件300的远离沉积物样品容纳腔310的表面。

所述下水槽隔热层还可以设在下水槽200的内表面上，所述容纳件隔热层 还可以设在沉积物样品容纳件300的内表面上。其中，下水槽200的内表面是 指下水槽200的邻近第二容纳腔210的表面，沉积物样品容纳件300的内表面 是指沉积物样品容纳件300的邻近沉积物样品容纳腔310的表面。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，上水槽100可以是大体长方体形， 其中上进水口120可以沿上水槽100的左侧壁150的厚度方向贯通上水槽100 的左侧壁150，上出水口130可以沿上水槽100的右侧壁160的厚度方向贯通 上水槽100的右侧壁160。这样水-沉积物界面热通量测量装置10具有结构简 单、制造成本低等优点。优选地，第一容纳腔110也可以是大体长方体形。

在本发明的一个示例中，如图1所示，下水槽200可以是大体长方体形， 其中下进水口230可以沿下水槽200的左侧壁250的厚度方向贯通下水槽200 的左侧壁250，下出水口240可以沿下水槽200的右侧壁260的厚度方向贯通 下水槽200的右侧壁260。这样水-沉积物界面热通量测量装置10具有结构简 单、制造成本低等优点。优选地，第二容纳腔210也可以是大体长方体形。

具体地，第一通孔141在左右方向上可以位于上进水口120和上出水口 130之间，第二通孔221在左右方向上可以位于下进水口230和下出水口240 之间。其中，左右方向B如图1中的箭头方向所示。

如图1所示，在本发明的一个示例中，沉积物样品容纳件300可以是大体 圆柱形，沉积物样品容纳腔310可以是大体圆柱形。这样可以在使用相等的耗 材下增大沉积物样品容纳腔310内的空间。沉积物样品容纳件300可以分别与 上水槽100和下水槽200正交。具体地，上水槽100可以水平地设置且下水槽 200也可以水平地设置，沉积物样品容纳件300可以竖直地设置，这样可以使 水-沉积物界面热通量测量装置10的结构更加合理。

有利地，沉积物样品容纳腔310的上端敞开且沉积物样品容纳腔310的下 端也敞开，这样可以使沉积物样品容纳腔310更加容易地与第一通孔141和第 二通孔221连通。换言之，沉积物样品容纳腔310的上端可以与第一通孔141 相对，且沉积物样品容纳腔310的上端可以与第一通孔141连通。沉积物样品 容纳腔310的下端可以与第二通孔221相对，且沉积物样品容纳腔310的下端 可以与第二通孔221连通。

第一容纳腔110的底壁140上可以设有覆盖第一通孔141的第一金属网， 第二容纳腔210的顶壁220上可以设有覆盖第二通孔221的第二金属网。所述 第一金属网和所述第二金属网不仅可以保护水-沉积物界面免受水流扰动，而 且可以固定柱沉积物，同时不会影响热通量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明 书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描 述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中 以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理 解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。