CN103162869B - 深水水库垂向水温分布的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水水库垂向水温分布的测量方法，根据仪器测量精度得到测量点的控制间距后，从水深10到15米开始至库底，每10到15m测量一点，用后插方法计算各点的温度梯度，若某点的温度梯度大于0.05℃/m，则计算该点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该点梯度之比，若大于15%，则在该点与相邻点的中点补充测量水温，直到所有点的水温都满足水温梯度绝对值不大于0.05℃/m，或该点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该点的温度梯度之比不大于15%，或测量点的间距不大于2倍控制间距。将所有点水温按水深排列，并进行样条插值即可得深水水库垂向水温分布。

Description

深水水库垂向水温分布的测量方法

技术领域

本发明属于水利工程领域，涉及一种深水水库垂向水温分布的测量方法。

背景技术

水库建成后，库区水体流速减小、水体置换周期增加，水体热量输运过程随之发生较大改变，将会形成其特有的水温结构。如水库水温分层可能直接导致库区内的水质分层和生态分层，并且对农田灌溉、工业供水、生活用水、下游河流的水质和生态平衡、以及库区水的利用(养殖、娱乐)等方面都产生重要影响。水温是水环境中极其重要的因素，是影响水库水质的重要参数，也是评价水库对于下游水生态环境影响的重要水质参数，因此深水水库水温垂向分布及其对下游河道生态环境的影响极受工程开发者和研究工作者的重视。

现场监测无疑是了解水库水温分布的主要手段，并在现行调查研究中得到了广泛的应用，其中点式测温计因其使用方便，造价低，在水温的现场监测中得到了广泛的应用。现行方法在进行测量时，通常参考地表水质的测量标准，从水面到水下测点间隔逐步增大，即从水面到水下测点间距由2m逐步过度到20m。这种方法在表层因为测点多，可较好捕捉到表层水温的变换趋势，但由于深水水库的温跃层或温变层常处于水下20m以下甚至更深，这种测量方法无法较好捕捉水深较大处水温的变化。然而深水水库的温跃层或温变层的位置是现场监测最为关心的内容，也是深水水库水温垂向分布研究的重点，因此通常也会采用间距较小的等距测点的方法来捕捉深水处水温的变化。但由于温跃层或温变层出现的位置不定，加密的测点不一定就在温跃层或温变层出现的区域，因此常常造成人力物力的浪费。因此，需要寻找一种即可节省人力物力，尽量减少测点数量，又能较好捕捉深水水库水温变化趋势的方法。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明致力于解决现有技术测量深水水库垂向水温分布的缺点，提供一种既可减少测点数量，又能较好捕捉深水水库水温变化趋势的方法。

根据本发明的一个方面，提出一种深水水库垂向水温分布的测量方法，包含如下步骤：

1）确定测量的控制间距L；

2）判断水深是否小于10m，对于水深超过10m的情况，从10m水深处开始测量，间隔10到15m测量一点；

3）判断测量点的间距是否小于2倍的控制间距L；

4）如果测量点的间距不小于2倍的控制间距L，则计算各点的温度梯度，判断测量点的温度梯度是否大于0.05℃/m；

5）若测量点的温度梯度大于0.05℃/m，则比较该测量点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该测量点的温度梯度之比，判断该比值是否大于15%；

6）若该比值是否大于15%，则在该点与相邻点的中点处补充测量水温；

7）重复步骤3）到步骤6），直到所有测量点的水温都满足水温梯度绝对值不大于0.05℃/m，或该测量点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该点的温度梯度之比不大于15%，或测量点的间距不大于2倍控制间距L；

8）将所有测量点的水温按水深排列，并进行样条插值得深水水库垂向水温分布。

可选地，当在步骤3）中判断所述测量点的间距不大于2倍所述控制间距L时，或者在步骤4）中判断测量点的水温都满足所述水温梯度绝对值不大于0.05℃/m，或在步骤5）中判断所述点的所述温度梯度与所述相邻点的所述温度梯度之差的绝对值与所述点的所述温度梯度之比不大于15%时，直接执行步骤8）。

根据本发明的一个方面，测量水深10m处的水温及库底水温。

根据本发明的一个方面，对于水深小于10m的点采用常规测量方法进行测量。

可选地，可采用点式温度计作为所述测量仪器。在步骤1）中根据点式温度计的测量精度a，确定测量的控制间距为L=a/0.05=20a。

可选地，可采用后插法计算各个所述测量点的所述温度梯度。

可选地，可根据洋深层水体中温跃层存在的标准筛选所述测量点，可避免遗漏。

通过比较可知，在温跃层的变化及捕捉上，本发明提出的测量方法明显优于常规方法，且测点数也要少于常规方法。

附图说明

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以阐明。

图1显示水温均大于4℃时水温随深度的变化关系。

图2显示水温均小于4℃时水温随深度的变化关系。

图3为某典型的大型水库的水温实际分布图。

图4为本发明的测量方法的流程图。

图5为本发明的测量方法的测量过程示意图。

图6为本发明的示例性实施方案的测量方法得到的水温与实际水温对比图。

图7为本发明的示例性实施方案的测量方法得到水温与其它方法测得水温对比图。

应当了解，所附附图并非按比例地显示了本发明的基本原理的图示性的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记引用本发明的同样的或等同的部分。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

大量的现场监测资料表明，在深水水库中，有温跃层存在的水库的水温分布较为复杂，其典型水温分布如图1和图2所示。图1显示水温均大于4℃时水温随深度的变化关系，图2显示水温均小于4℃时水温随深度的变化关系。

通过对糥扎渡、新安江、二滩等多个水库的水温现场监测资料显示，水库水深在10到15mm以下的水体通常混合均匀，水温相差不大，仅受气温影响较大，水温不稳定，表层水体易出现较大温度梯度，但对水库的水温结构没有影响。当水库中温跃层出现时，温跃层的厚度约在20m左右，水温沿垂向的变化率可达0.4℃/m以上（在海洋科学中，将海洋深水处温跃层是否存在定义为垂向温度梯度大于0.05℃/m），表明在温跃层处水温变化较大。

根据本发明的一个方面，提出了一种深水水库垂向水温分布的测量方法，包含如下步骤：

1）确定测量的控制间距为L；

2）判断水深是否小于10m，对于水深超过10m的情况，从10m水深处开始测量，间隔10到15m测量一点，其中水深10m处的水温及库底水温必测；

3）判断测量点的间距是否小于2倍的控制间距L；

4）如果测量点的间距不小于2倍的控制间距L，则计算各点的温度梯度，判断测量点的温度梯度是否大于0.05℃/m；

5）若测量点的温度梯度大于0.05℃/m，则比较该测量点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该测量点的温度梯度之比，判断该比值是否大于15%；

6）若该比值是否大于15%，则在该点与相邻点的中点处补充测量水温；

7）重复步骤3）到步骤6），直到所有测量点的水温都满足水温梯度绝对值不大于0.05℃/m，或该测量点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该点的温度梯度之比不大于15%，或测量点的间距不大于2倍控制间距；

8）将所有测量点的水温按水深排列，并进行样条插值得深水水库垂向水温分布。

在本方法中，对于水深小于10m的点根据可需要采用常规测量方法进行测量。

根据本发明的一个具体实施方式，步骤1）中可根据作为测量仪器的点式温度计的测量精度a，确定测量的控制间距为L=a/0.05=20a，测量点的最小间距应大于L，当测点间距小于控制间距时，温度梯度的计算值受测量精度限制，会对水温分布测量产生较大影响。

根据本发明的一个具体实施方式，步骤4）中可采用后插方法计算各点的温度梯度，参照海洋深层水体中温跃层存在的标准，为了避免遗漏，本实施方式中判断测量点的温度梯度是否大于0.05℃/m。

下面结合附图对根据本发明的测量方法对于某典型的大型水库垂直水温测量的具体实施方式进行详细的说明。

图3为采用间距为1m的等间距法测量到的该水库垂直水温分布图。由图可见，用该方法测量的水温分布中，有明显的温跃层存在。

图4为本发明的测量方法的流程图。

在步骤S40，开始测量。在步骤S401，根据所用的作为测量仪器的点式温度计的精度a（本实施例中为0.1℃），确定相应的控制间距L为2m（L=a/0.05=20a）。

在步骤S402，判断水深是否大于10m。对于水深在10m以上的各点，在步骤S403首先以15m为固定间距进行测量，其中库底水温必测，得到图5中的本发明的测量过程示意图中的标记1到6点。在步骤S404，存储数据。在步骤S403得到各点温度分布后，可采用后插方法计算各点的温度梯度。在步骤S407，判断相邻两点间距是否小于2倍控制间距（2L），如果相邻两点间距小于2L，则在步骤S408依水深为序排列测量点，然后在步骤S413，对所有测点进行样条插值得到水库垂直向水温分布，测量在步骤S414结束。

如果相邻两点间距不小于2L，则在步骤S409判断测点间的温度梯度的绝对值是否大于0.05℃/m，如果测点间的温度梯度的绝对值不大于0.05℃/m，则在步骤S408依水深为序排列测量点，然后在步骤S413，对所有测点进行样条插值得到水库垂直向水温分布，测量在步骤S414结束。

如果测点间的温度梯度的绝对值大于0.05℃/m，则在步骤S410判断相邻测点的温度梯度之差绝对值之比是否大于15%。如果相邻测点的温度梯度之差绝对值之比大于15%，在相邻两点的中间补测一点，并在步骤S412存储数据。如果相邻测点的温度梯度之差绝对值之比不大于15%，则在步骤S408依水深为序排列测量点，然后在步骤S413，对所有测点进行样条插值得到水库垂直向水温分布，测量在步骤S414结束。

例如在本实施例中，发现图5中的1点和2点温度梯度的绝对值大于0.05℃/m，且与相邻点温度梯度之差的绝对值与本点温度梯度的绝对值之比大于15%，因此在1点与2点中间，以及2点与3点中间分别补充测量7点和8点。

根据补充后的测点数据，重复步骤S407、S409、S410、S411、S412的步骤，重新计算各点温度梯度、与相邻点温度梯度之差的绝对值与本点温度梯度绝对值之比，以及测点间距。在本实施例中发现1、7、2、8四点温度梯度均大于0.05℃/m，且这点些与其相邻点温度梯度之差的绝对值与其自身温度梯度之比均大于15%，因此在1与7、7与2、2与8，以及8与3中间分别补充测量9、10、11、12各点的温度。经判断，1、9、7、10、2、11、8、12、3各点间距为3.75m，已经小于2倍的控制间距4m，依水深次序统计出各点的水温测量值如表1：

表1 本发明测量结果统计表

对于水深在10m以下的情况，在步骤S405按照常规的方法进行布点测量，并且依水深排序，并在步骤S406存储数据。然后在步骤S413，对所有测点进行样条插值得到水库垂直向水温分布，测量在步骤S414结束。由于已知表层水温分布较为均匀，在水深10m以下的点，采用常规方法测量，并仅测表层水温作为10m以下点的代表值，如图5中的标记0点所示，其所表示的表层温度为19.4℃。

在步骤S413中，对所有测点的测量结果进行样条插值，即可得到所测水库的垂向水温分布。

图6为本发明的测量方法得到的水温分布与实际水温分布的对比图。

表2和表3是分别采用间距渐增法及等间距法得到的测量结果。

表2 间距渐增法测量结果统计表

表3 等间距法测量结果统计表

图7为本发明的测量方法与间距渐增法及等间距法测得的水温对比图。通过比较可知，在温跃层的变化及捕捉上，本发明提出的测量方法明显优于常规方法，且测点数也要少于常规方法。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明的宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种深水水库垂向水温分布的测量方法，其特征在于包含如下步骤：

1)确定测量的控制间距L；

2)判断水深是否大于10m，对于水深不大于10m的点采用常规方法进行测量，并依水深排序、存储数据，对于水深大于10m的情况，间隔10到15m测量一点；

3)判断测量点的间距是否小于2倍的控制间距L；

4)如果测量点的间距不小于2倍的控制间距L，则计算该测量点的温度梯度，判断测量点的温度梯度是否大于0.05℃/m；

5)若测量点的温度梯度大于0.05℃/m，则比较该测量点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该测量点的温度梯度之比，判断该比值是否大于15％；

6)若该比值大于15％，则在该点与相邻点的中点处补充测量水温；

7)重复步骤3)到步骤6)，直到所有水深大于10m的测量点的水温都满足水温梯度绝对值不大于0.05℃/m，或该测量点的温度梯度与相邻点的温度梯度之差的绝对值与该点的温度梯度之比不大于15％，或测量点的间距小于2倍控制间距L；

8)将所有测量点的水温按水深排列，并进行样条插值得深水水库垂向水温分布，其中，对于水深大于10m的测量点，当在步骤3)中判断所述测量点的间距小于2倍所述控制间距L时，或者在步骤4)中判断测量点的水温满足所述水温梯度绝对值不大于0.05℃/m，或在步骤5)中判断所述测量点的所述温度梯度与所述相邻点的所述温度梯度之差的绝对值与所述测量点的所述温度梯度之比不大于15％时，则依水深为序排列测量点。

2.根据权利要求1所述的深水水库垂向水温分布的测量方法，其特征在于测量水深10m处的水温及库底水温。

3.根据权利要求1所述的深水水库垂向水温分布的测量方法，其特征在于采用点式温度计作为测量仪器。

4.根据权利要求1所述的深水水库垂向水温分布的测量方法，其特征在于，在步骤1)中根据点式温度计的测量精度a，确定测量的控制间距为L＝a/0.05＝20a。

5.根据权利要求1所述的深水水库垂向水温分布的测量方法，其特征在于采用后插法计算各个所述测量点的所述温度梯度。

6.根据权利要求1所述的深水水库垂向水温分布的测量方法，其特征在于根据洋深层水体中温跃层存在的标准筛选所述测量点，可避免遗漏。