CN115828796B

CN115828796B - 一种河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法

Info

Publication number: CN115828796B
Application number: CN202310113831.9A
Authority: CN
Inventors: 晏维金; 王芳; 田思雨
Original assignee: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
Current assignee: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
Priority date: 2023-02-15
Filing date: 2023-02-15
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2043-02-15
Also published as: CN115828796A

Abstract

一种河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，包括以下步骤：1）基于不同类型的河流，构建河流的基本参数数据库和arcGIS矢量图；2）构建河流溶解氧变化与河流生态系统呼吸的关系模型，dC/dt=‑ER±K(O₂)×AOU，其中，dC/dt是氧的变化，‑ER是河流生态系统呼吸，AOU是河流表观耗氧量，K(O₂)是河流溶解氧的扩散系数；3）根据所述关系模型，通过数值解析得到河流溶解氧扩散系数；4）基于所述溶解氧的扩散系数，得到通用的水气界面气体扩散系数。本发明的方法，降低了获取大尺度流域河流系统温室气体排放的水气界面气体扩散系数的难度，且提高了获取气体扩散系数模拟的精度。

Description

一种河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法

技术领域

本发明涉及水生态系统碳排放技术领域，特别是涉及一种河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法。

背景技术

对于河流系统温室气体排放通量的测定技术，主要包括漂浮通量箱观测技术、河流溶存温室气体浓度结合水气界面气体扩散系数计算排放通量技术等。通量箱技术在测定河流系统温室气体排放时，主要存在以下三个严重缺陷：第一，通量箱测定技术隔绝了风速对气体扩散的影响，导致结果偏低；第二，通量箱技术通常适合相对静止的水体，对于流动的河流水体，由于河流的连续流动，漂浮通量箱观测到的是一个不断变化的通量，不确定性大。第三，通量箱在野外的操作复杂，对于大河水体不合适，特别是难以反映河流的昼夜变化等需要高频次的观测。河流溶存温室气体浓度结合水气界面气体扩散系数计算排放通量技术，目前是国内外普遍采用的河流水体温室气体的获取技术，所得结果也得到了IPCC等国际组织的完全认可。但运用该技术的一个关键问题是如何获取河流水气界面气体扩散系数。目前，国内外获取水气界面气体扩散系数的技术主要是根据河流的物理参数进行计算，这些物理参数包括风速、河流坡度、流速等。然而，这种技术方案都是根据瞬时的实测数值进行获取，在高分辨率的时空尺度上存在明显差异，给河流温室气体排放估算造成不确定性。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，针对流域尺度上不同土地利用类型的河流，分析不同河流水气界面气体扩散系数变化的时空差异、统计分布和主要控制因素，在流域尺度上构建水气界面气体扩散系数的统一适用模型，精准科学获取河流温室气体排放的水气界面气体扩散系数。

为实现上述目的，本发明提供的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，包括以下步骤：

1）基于不同类型的河流，构建河流的基本参数数据库和arcGIS矢量图；

2）构建河流溶解氧变化与河流生态系统呼吸的关系模型，

dC/dt = - ER ± K(O₂) × AOU，

其中，dC/dt是氧的变化，-ER是河流生态系统呼吸，AOU是河流表观耗氧量，K(O₂)是河流溶解氧的扩散系数；

3）根据所述关系模型，通过数值解析得到河流溶解氧扩散系数；

4）基于所述溶解氧的扩散系数，得到通用的水气界面气体扩散系数。

进一步地，所述1）的步骤，还包括，

基于对流域多河流在线监测，获得河流的基本参数、溶解氧数据、水温数据，以及河流的关键参数；

所述河流的基本参数，包括：汇水面积、河流长度、宽度、深度、流速、坡度参数；

所述关键参数，包括：溶解氧利用效率、溶解氧变化速率。

进一步地，所述溶解氧数据，为夜晚相同时间间隔的三次以上监测数据。

进一步地，所述4）的步骤，进一步包括：

采用如下河流溶解氧的扩散系数和水气界面气体扩散系数的函数关系，获得通用的水气界面气体扩散系数，

K₆₀₀= K(O₂)×(Sc_O2/600）^2/3，

其中，K₆₀₀为水气界面气体扩散系数，K(O₂)为河流溶解氧的扩散系数，Sc_O2为河流溶解氧的施密特数。

进一步地，还包括：

基于特定河流的环境因素，选择水气界面气体扩散系数的修正参数，通过统计分析以及蒙特卡洛分析技术获得修正参数值；

根据对水气界面气体扩散系数与修正参数的关系，得到水气界面气体扩散系数的修正数值。

进一步地，在水温的影响下，运用蒙特卡洛方法建立如下水气界面气体扩散系数与修正参数的关系，

K₆₀₀= K₆₀₀’θ^(t-20)，

其中，K₆₀₀为水气界面气体扩散系数，K₆₀₀’为水气界面扩散系数均值，θ为水温修正参数，t为水温。

为了实现上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行如上所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法的步骤。

为了实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法。

本发明的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，与现有技术相比较，具有如下的技术有点：

（1）针对流域尺度上不同土地利用类型的河流，构建了河流溶解氧变化与河流生态系统呼吸的关系，基于数值解和统计分析技术手段，得到河流水气界面气体扩散系数，克服了对大尺度流域河流温室气体扩散系数获取的难度，提高了气体扩散系数模拟的精度。

（2）针对河流的地形地貌特征差异性大，气候变化不确定大，气体扩散系数获取难度大等特点，构建了适合各类河流通用的气体扩散系数模型，可用于精准估算河流温室气体排放通量，提高了河流以及其它地表水体温室气体排放估算的可行性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法流程图；

图2为根据本发明的河流温室气体扩散系数的变化范围和分布图；

图3为根据本发明实施例的电子设备结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，基于流域尺度上不同类型河流，构建河流的基本参数数据库以及河流arcGIS矢量图；基于流域多河流在线监测获得的高频次溶解氧、水温等数据，构建溶解氧利用效率、溶解氧变化速率等关键参数；构建河流生态系统呼吸、溶解氧利用效率与溶解氧变化速率的函数关系，通过高频次的逐日监测数据，运用马尔科夫链-蒙特卡洛方法，解析溶解氧扩散系数；运用水环境特定气体的施密特数关系，获取河流气体排放的水气界面气体扩散系数（K₆₀₀）；分析流域尺度上的不同类型河流的气体排放的水气界面气体扩散系数（K₆₀₀）的时空变化，构建影响水气界面气体扩散系数（K₆₀₀）的多参数模型。

实施例1

图1为根据本发明的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法流程图，下面将参考图1，对本发明的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法进行详细描述。

首先，在步骤101，基于流域尺度上不同类型的河流，构建河流的基本参数数据库和arcGIS矢量图。

本发明实施例中，选择一个典型的流域，汇水面积9000平方公里，作为研究区域，该区域包括城市河流若干条，农业河流若干条，河流长度从20公里到150公里不等。

基于流域尺度上不同利用类型河流，获取河流的基本参数，构建河流的基本参数数据库，所述基本参数数据库包括：河流的汇水面积、河流长度、宽度、深度、流速、坡度等，并构建河流arcGIS矢量图。

基于流域多河流在线监测获得的高频次溶解氧（重点是夜晚相同时间间隔的三次以上监测数据）、水温等数据，构建溶解氧利用效率、溶解氧变化速率等关键参数。

在步骤102，构建河流溶解氧变化与河流生态系统呼吸的关系模型。

本发明实施例中，构建了河流生态系统呼吸、溶解氧利用效率与溶解氧变化速率的函数关系，表达式如下：

dC/dt = - ER ± K(O₂) × AOU，

其中，dC/dt是氧的变化，-ER是河流生态系统呼吸，AOU是河流表观耗氧量，K(O₂)是河流溶解氧的扩散系数。

在步骤103，根据所述关系模型，通过数值解析得到河流溶解氧的扩散系数。

本发明实施例中，利用构建的河流生态系统呼吸、溶解氧利用效率与溶解氧变化速率的函数关系，通过高频次的逐日监测数据，运用马尔科夫链-蒙特卡洛方法，解析溶解氧的扩散系数。

在步骤104，基于所述溶解氧的扩散系数，得到通用的水气界面气体扩散系数。

本发明实施例中，基于K(O₂)和K₆₀₀的函数关系，获得通用的水气界面气体扩散系数，K(O₂)和K₆₀₀的表达式为：

K₆₀₀= K(O₂)×(Sc_O2/600）^2/3，

本发明实施例中，还需考虑特定河流的环境因素对获取水气面气体扩散系数的影响，选择水气界面气体扩散系数的修正参数，通过统计分析以及蒙特卡洛分析技术获得修正参数值；根据对水气界面气体扩散系数与修正参数的关系，得到水气界面气体扩散系数的修正数值。

以水温影响为例，水温影响气体的溶解度，考虑水温对水气界面扩散系数进行修正。

进一步地，基于实测的水温，运用蒙特卡洛方法建立K₆₀₀与水温的关系，

K₆₀₀= K₆₀₀’θ^(t-20)，

其中，K₆₀₀为水气界面气体扩散系数，K₆₀₀’为水气界面扩散系数均值，θ为水温修正参数，t为水温，通过统计分析的方法，运用蒙特卡洛分析技术求得θ参数值，从而得到水气界面气体扩散系数修正数值。

本发明实施例中，得到了通用的水气界面气体扩散系数K₆₀₀后，再基于K₆₀₀以及特定温室气体的施密特数，例如二氧化碳、氧化亚氮、甲烷，利用温室气体与水气界面扩散系数的关系，可以得到这些特定温室气体的扩散系数。

本发明实施例中，通过分析流域尺度上的不同类型河流的水气界面气体扩散系数（K₆₀₀）的时空变化，构建影响水气界面气体扩散系数（K₆₀₀）的多参数模型。

分析流域尺度上不同季节河流温室气体扩散系数的变化。根据不同季节的水温变化，构建水气界面气体扩散系数与河流水温、流域逐月平均风速、河流平均坡度等参数的关系。

分析不同河流水气界面气体扩散系数变化的时空差异、统计分布（均值和变化范围）、主要控制因素。在流域尺度上构建水气界面气体扩散系数的统一适用的多参数模型。

本发明的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，又称为STRICT-K600，该技术名称反映本发明的内在技术特征。

本发明基于河流高频次的在线监测数据，自主集成模拟了各类河流的温室气体扩散系数。与国内外已有的实测结果和模拟相比，集成了在一个流域范围内不同土地利用类型河流的温室气体扩散系数变化，克服了对大尺度流域河流温室气体扩散系数获取的难度，提高了气体扩散系数模拟的精度，揭示了扩散系数变化的范围，阐明了模拟的不确定性。

本发明是基于逐日多次的高频溶解氧监测数据，获得的温室气体扩散关键参数值-水气界面气体扩散系数（K₆₀₀），涵盖了温室气体扩散的所有影响因素及时空变化，基于数值解和统计分析技术手段，得到的不同土地利用类型河流温室气体扩散系数，揭示了流域尺度上各种综合因素的总体影响，提高了对流域河流温室气体扩散系数的模拟精度，明确了扩散系数的变化范围和不确定性。

本发明针对河流的地形地貌特征差异性大，气候变化不确定大，气体扩散系数获取难度大等特点，构建了适合各类河流通用的气体扩散系数模型，可用于精准估算河流温室气体排放通量，提高了河流以及其它地表水体温室气体排放估算的可行性。

实施例2

本发明考虑了河流的地形地貌特征差异性大，气候变化不确定大，气体扩散系数获取难度大等特点，分别估算了流域内不同土地利用类型的河流溶解氧扩散系数。基于逐日多次监测的夜晚溶解氧变化，模拟了流域日尺度溶解氧扩散系数，再进一步得到水气界面气体扩散系数K₆₀₀。根据不同类型河流的K₆₀₀时空变化和统计分布，获取了流域尺度上河流K₆₀₀的通用系数。

本发明实施例中，以K₆₀₀为例说明，从文献中获取河流K₆₀₀的变化范围在2-22 cm/h。

1、试验点选择：

试验点流域面积大于9000平方公里，流域内选取了9条不同类型的河流，河流平均长度变化范围20-150公里左右。流域内城市影响的河流2条，农业影响的河流7条。

2、试验结果：

在自主研发的溶解氧变化模型基础上，构建了溶解氧扩散系数模型。基于一段时间内逐日的夜晚高频次溶解氧监测数据，获取了各类河流溶解氧的扩散系数K(O₂)。进一步得到了水气界面气体扩散系数K₆₀₀。基于统计分析技术手段，集成了流域内所有河流水气界面气体扩散系数K₆₀₀的统计分布与变化范围，如图2所示，模拟分析了水气界面气体扩散系数K₆₀₀与主要影响因素的关系。在图2中，展示了K₆₀₀的均值（实线）以及中位数（虚线）。

本发明实施例中，对不同河流水气界面气体扩散系数K₆₀₀的季节性差异进行分析。如表1a和表1b所示，分别展示了不同河流的季节差异和所有河流的季节差异。

表1a: 每条河流的季节差异

表1b:所有河流的季节差异

利用T-检验对同一条河流枯水期和丰水期的显著性差异分析，表明：每条河流冬季和夏季的K₆₀₀存在差异（α= 0.05）。同时利用方差检验将所有河流的冬季和夏季做显著性差异比较，发现同一时期各河流之间没有显著性差异（P>0.05）。通过时空显著性差异分析，明确了本技术计算得到的K₆₀₀在流域尺度上没有空间差异，但存在时间差异。

实施例3

本发明的实施例中，还提供了一种电子设备，图3为根据本发明实施例的电子设备结构示意图，如图3所示，本发明的电子设备，包括处理器301，以及存储器302，其中，

存储器302存储有计算机程序，计算机程序在被处理器301读取执行时，执行如上所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法实施例中的步骤。

实施例4

本发明的实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行如上所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法实施例中的步骤。

在本实施例中，上述计算机可读存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，包括以下步骤：

2）构建河流溶解氧变化与河流生态系统呼吸的关系模型，

dC/dt = - ER ± K(O₂) × AOU，

4）基于所述溶解氧的扩散系数，得到通用的水气界面气体扩散系数；

所述4）的步骤，进一步包括：

K₆₀₀ = K(O₂)×(Sc_O2/600）^2/3，

其中，K₆₀₀为水气界面气体扩散系数，K(O₂)为河流溶解氧的扩散系数，Sc_O2为河流溶解氧的施密特数；

在水温的影响下，水气界面气体扩散系数修正数值为：K₆₀₀’θ^(t-20)，

其中， K₆₀₀’为在不同时空下获得的水气界面扩散系数的均值，θ为水温修正参数，t为水温。

2.根据权利要求1所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，其特征在于，所述1）的步骤，还包括，

所述关键参数，包括：溶解氧利用效率、溶解氧变化速率。

3.根据权利要求2所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，其特征在于，获取溶解氧数据，为夜晚相同时间间隔的三次以上监测数据。

4.根据权利要求1所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法，其特征在于，所述4）的步骤，进一步包括：

5.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有在所述处理器上运行的程序，所述处理器运行所述程序时执行权利要求1-4任一项所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法的步骤。

6.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的河流系统温室气体排放的气体扩散关键参数获取方法。