CN115931644A - 一种潜流交换通量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜流交换通量测量方法及装置，首先在河床上制造确定的垂向交换速度，配合人工热源在潜流带内制造周期性的温度变化，记录不同时刻不同河床深度的温度，进而对热运移方程进行参数反演得到准确的河床水沙混合物热特征；再基于已知的河床水沙混合物热特征，再次通过参数反演得到自由流动状态下河床区域准确的交换速度，进而得到潜流交换通量。本发明可以准确地测量出河床水沙混合物的热特征，从而大幅度提高潜流交换通量测量结果地准确性。此外，本发明使用人工热源人为制造周期性的温度变化，摆脱了传统温度示踪方法对昼夜温差变化的依赖，从而显著缩短了单次测量时间，并可测量潜流交换通量在一段时间内的变化趋势。本发明结构简单、便捷，在河流生态水文学野外实验领域应用前景十分广阔。

Description

一种潜流交换通量测量方法及装置

技术领域

本发明属于研究河道底部河床上潜流交换的技术领域，具体涉及一种潜流交换通量测量方法及装置。

背景技术

河流河床区域由于河床起伏等因素引起的小尺度地表水-地下水交互过程被称为潜流交换，而河流地表水与地下水交互混合的区域，被称为潜流带。潜流带内地表水与地下水交互的特殊环境，造就了独特的物理、化学及生物梯度条件，因此潜流带内生物地球化学过程反应速率远高于周围区域，是整个河流系统内生物地球化学循环的热点区，在整个河流生态系统中发挥着重要作用。在进行潜流交换相关研究中，潜流交换通量(潜流带水沙界面处的地表水-地下水交换量)是衡量河床潜流交换强度的重要指标，准确测量河床潜流交换通量对进一步开展河床地表水-地下水交互以及河流生态功能等方面的研究具有非常重要的价值。

考虑到天然条件下地下水-地下水动态过程的复杂性与河床沉积层结构的异质性，河床潜流交换通量的测量存在一定难度，现有的潜流交换通量测量方法主要包括收集袋法与示踪方法。收集袋法准确性较高，但是存在一些固有缺陷，主要包括：(1)收集袋法就是通过特制的袋子收集河床区域内一段时间出渗的地下水，其仅能用于潜流交换为上升流的区域(地下水向地表水补给)，而不能用于潜流交换为下降流的区域(地表水向地下水补给)；(2)收集袋本身会对河道底部水流的流态产生较大影响，从而干扰地表水地下水交换过程，影响测量结果；(3)收集袋容积有限，每隔一段时间就需要取出称重处理，长时间测量工作量较大。示踪方法主要包括温度示踪与溶质示踪方法，其中温度示踪方法采用热量作为示踪剂，通过监测潜流带不同深度的温度变化来推算潜流交换通量，具有原理明确、测量简单、适合连续监测等优点，在国内外潜流交换研究中被广泛使用。但是，目前研究中采用的温度示踪方法同样存在一定缺陷：(1)在反演热运移方程求解交换通量时，无法准确得知潜流带内水沙混合物的热特征，只能通过经验方法进行估算，影响测量结果准确性；(2)通常采用昼夜间的温度变化作为热源，为保证计算结果准确需要测量多个完整的昼夜循环周期，测量耗时较长，且只能测量数天内潜流交换通量的均值，而无法测量潜流交换通量在此期间的变化过程。

潜流交换通量的测量对我们进一步分析河流生态系统中的生物地球化学循环具有重要意义，而现有的潜流交换测量方法均存在应用条件受限、测量时间过长等明显缺陷，因此亟需对当前测量方法进行改进，并在此基础上开发一种能够快速准确测量河床区域潜流交换通量的装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种潜流交换通量测量方法及装置。

本发明采用以下技术方案：

一种潜流交换通量测量方法，针对目标河床研究区域，执行以下步骤，获得目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速：

步骤A：针对目标河床研究区域的预设位置，基于周期性温度变化下，采集预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，执行步骤B；

步骤B：基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，对如下公式进行参数反演，获得预设位置的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC，执行步骤C：

步骤C：基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、预设位置的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC，结合如下一维热运移公式，进行参数反演，获得目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速；

式中，λ_e为导热系数；ρC为潜流带内水沙混合物的综合体积热容；T为潜流带内温度；z为河床深度；q为垂向流速，即潜流交换垂向速度；ρ_wC_w为水的体积热容；t为时间。

作为本发明的一种优选技术方案，基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，获得目标河床研究区域的潜流交换通量。

作为本发明的一种优选技术方案，针对目标河床研究区域中预设位置，在预设时长段内，基于预设时间间隔，执行步骤A-C，获得各时间分别对应的潜流交换垂向流速，进而获得目标河床研究区域中预设位置在预设时长段内潜流交换垂向流速的变化趋势。

一种潜流交换通量测量装置，包括测温装置、主控装置、可调流速装置，针对目标河床研究区域的预设位置，可调流速装置用于设定预设位置的潜流交换垂向流速，并获得预设位置的潜流交换垂向流速设定值；基于周期性温度变化下，测温装置采集预设各河床深度位置实时的潜流带内温度；主控装置接收测温装置采集的预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、以及可调流速装置设定的预设位置的潜流交换垂向流速设定值，并基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，执行步骤B-C所示过程，输出目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速。

作为本发明的一种优选技术方案，所述主控装置基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，输出目标河床研究区域的潜流交换通量。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括与主控装置相连的温度控制装置，温度控制装置基于主控装置的控制对目标河床研究区域的预设位置进行周期性温度控制。

作为本发明的一种优选技术方案，所述主控装置包括仪器控制模块、数据采集模块、数据处理模块，仪器控制模块用于控制温度控制装置对目标河床研究区域的预设位置进行周期性温度控制；数据采集模块用于对测温装置采集的预设各河床深度位置实时的潜流带内温度进行采集与记录；数据处理模块基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，输出目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速；数据处理模块还基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，输出目标河床研究区域的潜流交换通量。

一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被读取并执行时，实现上述所述的一种潜流交换通量测量方法。

一种存储软件的计算机可读取介质，所述可读取介质包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令在被所述一个或多个计算机执行时，执行所述一种潜流交换通量测量方法。

一种潜流交换通量测量终端，包括处理器，处理器通过执行预设计算机指令，从而执行如所述一种潜流交换通量测量方法。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种潜流交换通量测量方法及装置，本发明通过现场测量的方式准确测量出当前河床区域水沙混合物的热特征，从而大幅度增加潜流交换通量测量结果的准确性；并且本发明使用人工热源配合可编程控制器人为制造周期性的温度变化，从而摆脱了温度示踪方法对昼夜温差变化的依赖，从而显著缩短了单次测量时间显著缩短，最短测量时间从数天缩减到数分钟。大幅度缩减了单次测量时间，因此可以认为单次测量期间河床界面上水量交换过程基本不变，本发明单次测量结果即为河床上瞬时潜流交换通量，而对通过同一地点进行连续重复测量就可得到潜流交换通量在一段时间内的变化趋势。本发明装置结构简单，安装布置便捷，水下部分均采用工程塑料与金属等材质，不易破损，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明实施例中潜流交换通量测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中潜流交换通量测量装置在河床上的应用示意图。

图中：1-测量仪尖端；2-测量仪外壁；3-温度传感器；4-温度控制装置；5-测量套筒；6-筒盖；7-出水口；8-密封垫；9-供电与数据线；10-橡胶软管；11-止水夹；12-主控装置；13-供电线；14-电池组；15-蠕动泵；16-流量计；17-出水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明针对当前潜流交换通量温度示踪测量方法的缺陷进行了改进。本方案的核心思想为：通过在河床上人为制造确定的垂向交换速度，配合人工热源在潜流带内制造周期性的温度变化，获得潜流交换通量已知条件下潜流带内不同时刻不同河床深度位置的温度变化，进而对热运移方程进行参数反演，得到准确的导热系数λ_e与综合体积热容ρC，再使用准确的λ_e与ρC精确测量河床上的实际垂向交换速度，推求得到潜流交换通量。

进而本方案设计了一种潜流交换通量测量方法，针对目标河床研究区域，执行以下步骤，获得目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速：

步骤A：针对目标河床研究区域的预设位置，基于周期性温度变化下，采集预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，执行步骤B；

步骤B：基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，采用GML、SCE-UA或NSMC等优化反演方法，对如下一维热运移方程进行参数反演，获得热运移方程参数

与

由于垂向流速与水的体积热容ρ_wC_w为已知量，即可得到预设位置的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC，执行步骤C：

步骤C：基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、预设位置的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC，再次对以下一维热运移方程进行参数反演，获得方程参数

与

由于此时导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC为已知量，即可得到目标河床研究区域中预设位置的实际垂向交换速度q；

式中，λ_e为导热系数，单位为J/(s·m)；ρC为潜流带内水沙混合物的综合体积热容，单位为J/(m³·K)；T为潜流带内温度，单位为℃；z为河床深度，单位为m；q为垂向流速，即潜流交换速度，单位为m/s；ρ_wC_w为水的体积热容，单位为J/(m³·K)；t为时间，单位为s。

基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，获得目标河床研究区域的潜流交换通量。

在一个实施例中，基于目标河床研究区域的区域较小时，基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，简单假设研究区域内交换速度不变，简单地将交换速度乘以面积即可得到通量。

在另一个实施例中，基于目标河床研究区域的区域较大时，基于上述步骤，测量标潜流带的区域中多个位置的潜流交换垂向流速，通过双线性插值等方法获得测量区域河床上不同位置的垂向交换速度，并进一步将不同位置的交换速度对面积进行数值积分，得到整个目标河床研究区域的潜流交换通量。

另外，本方案还可以针对目标河床研究区域中预设位置，在预设时长段内，基于预设时间间隔，执行步骤A-C，获得各时间分别对应的潜流交换垂向流速，进而获得目标河床研究区域中预设位置在预设时长段内潜流交换垂向流速的变化趋势。

本发明立足于河流生态水文领域野外实验的实际需求，改进了目前常用的潜流交换通量温度示踪测量方法，进而河床上潜流带内垂向热量运移可以采用一维热运移方程来描述。使用温度示踪方法测量河床区域的潜流交换通量(地表水-地下水交换量)，就是对上述热运移方程进行反演，通过不同时刻不同河床深度位置的温度变化来推求交换速度(水沙界面处的垂向流速)，进而得到区域内的潜流交换通量。在上述参变量中，水的体积热容ρ_wC_w为10³kg/m³×4.2×10³J/(kg·K)＝4.2×10⁶J/(m³·K)。

而潜流带的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC与河床质有关，现有的温度示踪方法中无法准确得知，通常都是根据颗粒材质、含水率等参数进行估算所得。为了更准确地反演出交换速度，需要让温度随时间发生一定变化，最为常见的做法是采用昼夜温差作为热量源头，通过测量潜流带不同河床深度位置处温度随着昼夜交替发生的变化来反演潜流带内的运动速度。进而在一个实施例中，为了更准确地反演出交换速度，所以还包步骤B：

基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，采用GML、SCE-UA或NSMC等优化反演方法，对如下一维热运移方程进行参数反演，获得目标河床研究区域的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC：

基于上述方法，本发明的设计了一种装置，其具体技术方案为：通过蠕动泵15配合流量计16，在测量套筒5内定量制造确定的交换速度，使用可编程控制仪器配合温度控制装置4，在潜流带内制造周期性的温度变化，使用温度传感器3记录潜流带内不同河床深度处温度随时间变化数据并在主控装置12中代入热运移方程，反演出热运移方程参数

与

由于此时垂向流速q与水的体积热容ρ_wC_w为已知量，即可得到局部河床上水沙混合物的综合体积热容ρC与导热系数λ_e，再将套筒顶盖打开使水流在垂向自由流动，记录自由流动状态下不同时刻不同河床深度处的潜流带内温度，结合ρC与λ_e再次反演热运移方程参数

与

由于此时水的体积热容ρ_wC_w、水沙混合物的综合体积热容ρC以及导热系数λ_e均为已知量，即可得到出自由流动状态下此处河床区域的垂向交换速度q，进而得到整个区域的潜流交换通量。

进而一种潜流交换通量测量装置，包括测温装置、主控装置12、可调流速装置，针对目标河床研究区域的预设位置，可调流速装置用于设定预设位置的潜流交换垂向流速，并获得预设位置的潜流交换垂向流速设定值；基于周期性温度变化下，测温装置采集预设各河床深度位置实时的潜流带内温度；主控装置12接收测温装置采集的预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、以及可调流速装置设定的预设位置的潜流交换垂向流速设定值，并基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，执行步骤B-C所示过程，输出目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速。在一个实施例中，测温装置为包括预设个数的温度传感器3，各温度传感器3分别对应各河床深度位置。可调流速装置采用蠕动泵15与流量计16。

并且所述主控装置12基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，输出目标河床研究区域的潜流交换通量。过程为

一种潜流交换通量测量装置还包括与主控装置12相连的温度控制装置4，温度控制装置4基于主控装置12的控制对目标河床研究区域的预设位置进行周期性温度控制。在一个实施例中，温度控制装置4为加热器，如电阻丝或其他加热器件，加上个温度探头检测加热的温度。

所述主控装置12包括仪器控制模块、数据采集模块、数据处理模块，仪器控制模块用于控制温度控制装置4对目标河床研究区域的预设位置进行周期性温度控制；数据采集模块用于对测温装置采集的预设各河床深度位置实时的潜流带内温度进行采集与记录；数据处理模块基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，输出目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速；数据处理模块还基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，输出目标河床研究区域的潜流交换通量。在一个实施例中，仪器控制模块采用内含可编程元器件的装置，如单片机、FPGA等。数据处理模块可以采用计算机，或者用嵌入式设备集成在内部的装置等。

进而在一个实施例中，如图1所示，一种潜流交换通量测量装置包括：测量仪、测量套筒5、主控装置12、蠕动泵15与流量计16，测量套筒5由高强度工程塑料制成，其形态为上下贯通的圆柱体，测量套筒5用于在河床上产生半封闭区域，从而配合流量计16准确测量河床上垂向交换速度，配合蠕动泵15可进一步人为制造确定的垂向交换速度；测量套筒5露出河床的一端，有与其相匹配的筒盖6，并且该筒盖6中心处存在贯穿筒盖6的孔洞，测量仪可穿过筒盖6中心孔洞，使用时与筒盖6间通过密封垫8密封防止渗水；测量仪为一个内置空心的长管，测量仪外壁2本身采用不锈钢管制成，测量仪插入河床的一端为测量仪尖端1采用钢制尖端，并且在测量仪内置空心中各预设位置分别固定设置有测温装置、温度控制装置4，温度控制装置4设置于测量仪基于长度的中心处，测温装置为预设个数温度传感器3，在测量仪中均匀设置在温度控制装置4两侧，各温度传感器3以及温度控制装置4之间均相隔预设距离；温度控制装置4与各温度传感器3均通过供电与数据线9与主控装置12相连，供电与数据线即供电线与数据线，主控装置12中的仪器控制模块用于控制测量仪上温度控制装置4按预定方式进行规律性加热，主控装置12中的数据采集模块用于收集并记录测量仪上不同高度处安装的温度传感器3记录的数据；另外，筒盖6还布设有出水口7，出水口7距离筒盖6中心处设定距离，出水口7通过橡胶软管10与蠕动泵15相连。蠕动泵15为可调蠕动泵，可精确控制泵中流量，流量范围至少包含0～1L/min，流量计16为转子流量计，橡胶软管10上布置有止水夹11，蠕动泵15中的流量可以通过流量计16读出，并最后通过出水管17排出。本实施例中，测量套筒5具体尺寸为：高60cm，半径5cm，温度传感器3采用6枚，各温度传感器3以及温度控制装置4之间均相隔8cm，出水口7距离筒盖6中心处2.5cm，上述中的温度传感器3能记录河床潜流带不同深度处的温度变化过程，记录频率不低于5s一次，温度控制装置4能对河床潜流带区域进行局部温度控制，最大加热功率不低于100w，同时其温度控制过程可以根据预先输入的指令进行变化，实现潜流带内温度的周期性波动，基于5分钟一周期，基于河床常温加热至预设温度，如15-20℃；各参数均可根据实际需求进行设置。

基于上述所示一种潜流交换通量测量装置，在本实施例中该测量装置主要分为3个部分：

(1)测量仪及测量套筒5：使用时将套筒插入河床，将筒盖6关闭，测量仪从筒盖6中心处的缺口插入河床并密封，在河床上形成半封闭的区域。套筒由高强度工程塑料制成，而测量仪外壁2由不锈钢制成，同时镶嵌有钢质尖端，便于插入河床。筒盖6为可拆卸设计，筒盖6上还有一出水口7，通过橡胶管与蠕动泵15相连。当筒盖6紧闭时可以使用蠕动泵15在套筒内制造稳定的地表水-地下水交换流量，并使用流量计16读出交换量进而计算出地表水-地下水交换速度。测量仪中心处设置有温度控制装置4，温度控制装置4上下均布置有多个温度传感器3。在使用时通过温度控制装置4在潜流带内制造周期性的温度波动，通过温度传感器3记录潜流带内不同深度处的温度变化数据，进而反演热运移方程参数；

(2)主控装置12：主控装置12中的仪器控制模块用于控制发热装置工作，由于准确反演热运移方程需要温度随时间不断变化的数据，因此需要控制温度控制装置4功率进行周期性变化，仪器控制模块内含可编程元器件，可以事先输入温度变化幅度、周期等参数。温度传感器3测量得到的不同时刻不同位置的潜流带内温度由主控装置12中的数据采集模块进行采集与记录；

(3)蠕动泵15与流量计16：蠕动泵15可以根据实际情况设置成不同流量，用于在套筒内制造稳定的地表水-地下水交换速度，流量计16用于读出这一流量的具体数值。

另外还有供电装置：供电装置主要由电池组14与供电线13组成，主要用于为主控装置12及蠕动泵15供电。

具体的，一种潜流交换通量测量装置的操作过程为：

步骤1：安装装置

如图2所示，将测量套筒5插入所需测量的河床区域，合上筒盖6，将测量仪从筒盖6中心孔插入，要确保测量套筒整体及筒盖6在水下，筒盖6在河床沉积物上，测量仪中的测温装置及温度控制装置要在河床以下，即埋在河床沉积物中，垂直插入河床区域，确保通过密封垫8将测量仪外壁2与筒盖6中心孔压紧以完全密封，测量仪上温度传感器3与温度控制装置4均通过供电与数据线9与主控装置12相连。使用橡胶软管10连接筒盖6上的出水口7与蠕动泵15的一端，蠕动泵15的另一端与流量计16相连，流量计16用于读出通过蠕动泵15的流量，通过流量计16的水最后通过出水管17排出。使用供电线13将电池组14与主控装置12以及蠕动泵15相连为装置供电。

步骤2：潜流带水沙混合物热特征测量

松开止水夹11，调整蠕动泵15，将流量调整到预设值，待流量稳定后通过流量计16读出流量值。在仪器控制模块上输入温度控制周期、最大功率等参数，控制温度控制装置4周期性加热河床区域，在河床潜流带内制造周期性温度变化，同时通过测量仪上的温度传感器3读出不同时刻潜流带内不同位置处的潜流带内温度，并保存在数据采集模块中，数据记录时长要包含至少5个温度变化周期。

步骤3：潜流交换通量测量

关闭蠕动泵15，断开橡胶软管10与出水口7的连接，取下筒盖6后将测量仪重新垂直插入河床，待水流稳定后，继续按步骤2中所述对河床进行周期性温度控制，并记录水流自由流动的状态下不同时刻潜流带内不同位置处的潜流带内温度，保存在数据采集模块中，数据记录时长要包含至少5个温度变化周期。

若需测量较大区域河床上的潜流交换通量分布，则将套筒与测量仪拔出，在下一个地点重复上述步骤；若需测量某一地点潜流交换通量变化规律，则保持测量仪位置不变，间隔一段时间重复记录潜流带内温度，直至完成测量。

步骤4：关闭实验仪器

将电池组14与仪器断开，所有仪器取出安放，将数据采集模块中记录的不同时刻不同位置的潜流带内温度序列读出。

步骤5：数据处理与结果输出

将步骤2、步骤3中记录的潜流带内不同时刻不同位置的潜流带内温度序列导入计算机。首先将步骤2中记录的潜流带内温度、以及流量计16读出的流量值代入热运移方程进行参数反演，由于已知准确的交换速度，因此可以准确得到河床水沙混合物综合体积热容与导热系数；再将综合体积热容与导热系数代入与步骤3中记录的潜流带内温度共同代入热运移方程进行参数反演，得到自由流动状态下的河床垂向交换速度，进而求得潜流交换通量。

实施例中，通过套筒与可调蠕动泵，在河床上人为制造确定的垂向交换速度，获得潜流交换通量已知条件下不同时刻不同位置的温度序列，进而对热运移方程进行参数反演得到河床潜流带准确的热特征，即导热系数λ_e与综合体积热容ρC，再使用准确的热特征精确测量河床上的实际交换通量，可大幅度提高测量结果准确性。另外使用可编程的仪器控制装置控制人工热源在潜流带内制造了快速的周期性温度变化，相比使用昼夜温差变化来反演潜流交换通量，本发明所述装置大大减少了测量时间，可以在数分钟内完成测量。通过人工热源实现了快速测量，将单次测量时间缩短到了数分钟，因此可以认为单次测量期间河床界面上水量交换过程基本不变，本发明单次测量结果即为河床上瞬时潜流交换通量，而对通过同一地点进行连续重复测量就可得到潜流交换通量在一段时间内的变化趋势。

另外，本方案还包括一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被读取并执行时，实现上述所述的一种潜流交换通量测量方法。

一种存储软件的计算机可读取介质，所述可读取介质包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令在被所述一个或多个计算机执行时，执行所述一种潜流交换通量测量方法。

一种潜流交换通量测量终端，包括处理器，处理器通过执行预设计算机指令，从而执行如所述一种潜流交换通量测量方法。

本发明设计了一种潜流交换通量测量方法及装置，本发明通过现场测量的方式准确测量出当前河床区域水沙混合物的热特征，从而大幅度增加潜流交换通量测量结果的准确性；并且本发明使用人工热源配合可编程控制器人为制造周期性的温度变化，从而摆脱了温度示踪方法对昼夜温差变化的依赖，从而显著缩短了单次测量时间显著缩短，最短测量时间从数天缩减到数分钟。大幅度缩减了单次测量时间，因此可以认为单次测量期间河床界面上水量交换过程基本不变，本发明单次测量结果即为河床上瞬时潜流交换通量，而对通过同一地点进行连续重复测量就可得到潜流交换通量在一段时间内的变化趋势。本发明装置结构简单，安装布置便捷，水下部分均采用工程塑料与金属等材质，不易破损，使用寿命长。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，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而言，其依然可以对前述各具体实施方式所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效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种潜流交换通量测量方法，其特征在于：针对目标河床研究区域，执行以下步骤，获得目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速：

步骤A：针对目标河床研究区域的预设位置，基于周期性温度变化下，采集预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，执行步骤B；

步骤B：基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度，结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，对如下公式进行参数反演，获得预设位置的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC，执行步骤C：

步骤C：基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、预设位置的导热系数λ_e、以及潜流带内水沙混合物的综合体积热容ρC，结合如下公式一维热运移公式，进行参数反演，获得目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速q；

式中，λ_e为导热系数；ρC为潜流带内水沙混合物的综合体积热容；T为潜流带内温度；z为河床深度；q为垂向流速，即潜流交换垂向速度；ρ_wC_w为水的体积热容；t为时间。

2.根据权利要求1所述一种潜流交换通量测量方法，其特征在于：基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，获得目标河床研究区域的潜流交换通量。

3.根据权利要求1所述一种潜流交换通量测量方法，其特征在于：针对目标河床研究区域中预设位置，在预设时长段内，基于预设时间间隔，执行步骤A-C，获得各时间分别对应的潜流交换垂向流速，进而获得目标河床研究区域中预设位置在预设时长段内潜流交换垂向流速的变化趋势。

4.一种应用于权利要求1-3任意一项所述一种潜流交换通量测量装置，其特征在于：包括测温装置、主控装置、可调流速装置，针对目标河床研究区域的预设位置，可调流速装置用于设定预设位置的潜流交换垂向流速，并获得预设位置的潜流交换垂向流速设定值；基于周期性温度变化下，测温装置采集预设各河床深度位置实时的潜流带内温度；主控装置接收测温装置采集的预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、以及可调流速装置设定的预设位置的潜流交换垂向流速设定值，并基于预设各河床深度位置实时的潜流带内温度、结合预设位置的潜流交换垂向流速设定值，执行步骤B-C所示过程，输出目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速。

5.根据权利要求4所述一种潜流交换通量测量装置，其特征在于：所述主控装置基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，输出目标河床研究区域的潜流交换通量。

6.根据权利要求4所述一种潜流交换通量测量装置，其特征在于：还包括与主控装置相连的温度控制装置，温度控制装置基于主控装置的控制对目标河床研究区域的预设位置进行周期性温度控制。

7.根据权利要求5或6所述一种潜流交换通量测量装置，其特征在于：所述主控装置包括仪器控制模块、数据采集模块、数据处理模块，仪器控制模块用于控制温度控制装置对目标河床研究区域的预设位置进行周期性温度控制；数据采集模块用于对测温装置采集的预设各河床深度位置实时的潜流带内温度进行采集与记录；数据处理模块基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，输出目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速；数据处理模块还基于目标河床研究区域中预设位置的潜流交换垂向流速，结合目标河床研究区域的面积，输出目标河床研究区域的潜流交换通量。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被读取并执行时，实现上述权利要求1-3任一项所述的一种潜流交换通量测量方法。

9.一种存储软件的计算机可读取介质，其特征在于，所述可读取介质包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令在被所述一个或多个计算机执行时，执行如所述权利要求1-3中任意一项所述一种潜流交换通量测量方法。

10.一种潜流交换通量测量终端，其特征在于，包括处理器，处理器通过执行预设计算机指令，从而执行如所述权利要求1-3中任意一项所述一种潜流交换通量测量方法。

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