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一種湖泊水?沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置和觀測(cè)方法與流程

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一種湖泊水?沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置和觀測(cè)方法與流程

本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域,具體而言,涉及湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置,還涉及湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)方法。



背景技術(shù):

水-沉積物界面是水體系統(tǒng)(例如湖泊系統(tǒng))的重要組成之一,加上近底層水溫對(duì)水體底棲生物群落和化學(xué)過(guò)程具有重要作用,因此水-沉積物界面熱交換及其對(duì)水體平均水溫、水溫日變化、季節(jié)變化和年變化的影響是研究關(guān)注的焦點(diǎn)。

在淺水湖泊特別是近底區(qū)域,沉積物溫?zé)徇^(guò)程可顯著影響湖泊熱量季節(jié)收支。夏季,湖泊從大氣中吸收熱量,其中該熱量的相當(dāng)大一部分儲(chǔ)存在底部沉積的上層熱活躍層,這部分熱量在秋冬季又重新釋放回水體(Pivovarov, 1973)。Fang和Stefan(1996)在研究湖泊沉積物和水體熱量時(shí)發(fā)現(xiàn),湖泊沉積物熱過(guò)程可對(duì)水溫的日變化產(chǎn)生一定的影響。Golosov和Kirillin(2010)在對(duì)Krasnoye湖和Muggelsee湖進(jìn)行水溫?cái)?shù)值模擬中發(fā)現(xiàn),夏季考慮沉積物熱庫(kù)影響時(shí),湖底水溫低于不考慮沉積物熱庫(kù)作用的溫度,而在冬季考慮沉積物熱庫(kù)影響,湖底水溫高于不考慮沉積物熱庫(kù)的溫度,可見(jiàn)沉積物熱庫(kù)對(duì)湖泊水溫分布具有直接影響。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

發(fā)明人經(jīng)過(guò)深入研究后發(fā)現(xiàn):目前,在水體溫?zé)崮M中一般忽略水體和底部沉積層的熱交換作用。對(duì)于典型的淺水湖泊,其湖底對(duì)輻射的反射和水-沉積物界面熱通量必將對(duì)湖泊水溫變化產(chǎn)生影響。

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此,本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)方法。

根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置包括:本體,所述本體為桿狀;多個(gè)安裝部,多個(gè)所述安裝部沿所述本體的長(zhǎng)度方向間隔開(kāi)地設(shè)在所述本體上;和多個(gè)溫度檢測(cè)器,多個(gè)所述溫度檢測(cè)器一一對(duì)應(yīng)地設(shè)在多個(gè)所述安裝部上。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用范圍廣、便于使用、測(cè)量準(zhǔn)確、制造成本低、方便制作、布設(shè)簡(jiǎn)便,可以有效地測(cè)量水體和沉積物層的溫度的垂向變化(溫度垂向梯度),為研究水-沉積物的熱量交換提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),適用于水體熱力學(xué)過(guò)程的觀測(cè)研究。

另外,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置還可以具有如下附加的技術(shù)特征:

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,所述本體上設(shè)有多個(gè)第一安裝孔,多個(gè)所述第一安裝孔沿所述本體的長(zhǎng)度方向間隔開(kāi)地設(shè)置,多個(gè)所述安裝部一一對(duì)應(yīng)地安裝在多個(gè)所述第一安裝孔處。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,多個(gè)所述第一安裝孔等間距地設(shè)置。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,每個(gè)所述第一安裝孔沿第一方向貫通所述本體,所述第一方向垂直于所述本體的長(zhǎng)度方向,每個(gè)所述安裝部的第一端部的周面上形成有螺紋,多個(gè)所述安裝部的第一端部的一部分一一對(duì)應(yīng)地穿過(guò)多個(gè)所述第一安裝孔,其中每個(gè)所述安裝部的第一端部上設(shè)有第一緊固螺母和第二緊固螺母,所述第一緊固螺母和所述第二緊固螺母相對(duì)地抵靠在所述本體上以便所述本體夾持在所述第一緊固螺母和所述第二緊固螺母之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,所述本體為金屬管,每個(gè)所述安裝部為金屬管或金屬桿。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,至少一個(gè)所述溫度檢測(cè)器位于沉積物層內(nèi),至少一個(gè)所述溫度檢測(cè)器位于水體內(nèi),優(yōu)選地,一個(gè)所述溫度檢測(cè)器位于所述水體與所述沉積物層的界面處。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,每個(gè)所述安裝部的第二端部上設(shè)有第二安裝孔,每個(gè)所述溫度檢測(cè)器上設(shè)有第三安裝孔,其中所述溫度檢測(cè)器通過(guò)穿過(guò)所述第三安裝孔以及相應(yīng)的所述安裝部的第二安裝孔的繩索安裝在相應(yīng)的所述安裝部上,優(yōu)選地,所述繩索為尼龍?jiān)鷰А?/p>

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,所述本體的底部設(shè)有配重塊。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,所述本體包括多個(gè)節(jié),相鄰兩個(gè)所述節(jié)的端部可拆卸地相連,優(yōu)選地,相鄰兩個(gè)所述節(jié)的端部可拆卸地套裝在一起。

根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的利用根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置實(shí)施的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)方法包括:A)確定目標(biāo)區(qū)域的水體的深度以及沉積物層的厚度;B)根據(jù)溫度檢測(cè)器的分層間距和數(shù)量,將多個(gè)安裝部安裝在本體上,進(jìn)而將多個(gè)溫度檢測(cè)器一一對(duì)應(yīng)地安裝在多個(gè)所述安裝部上;和C)利用多個(gè)所述溫度檢測(cè)器測(cè)量所述水體的水溫和所述沉積物層的水溫,優(yōu)選地,湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴(kuò)散系數(shù)λ(m2/d)通過(guò)垂直方向上的擴(kuò)散方程表達(dá);

其中,T為所述溫度檢測(cè)器的測(cè)量值,Z為垂直方向上的距離(m):

更加優(yōu)選地,

Tw為一個(gè)所述溫度檢測(cè)器測(cè)量的垂直方向上的所述水體的水溫(℃),Ts為另一個(gè)所述溫度檢測(cè)器測(cè)量的垂直方向上的所述沉積物層的間隙水的水溫(℃),Zw-Zs為上述兩個(gè)所述溫度檢測(cè)器在垂直方向上的距離(m)。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解,其中:

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置的本體的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置的局部結(jié)構(gòu)示意圖;

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置的局部結(jié)構(gòu)示意圖;

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置的局部結(jié)構(gòu)示意圖;

圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置的使用狀態(tài)圖。

湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10、水面50、水土界面60、

本體20、第一安裝孔201、

安裝部30、螺紋301、第二安裝孔302、第一緊固螺母303、第二緊固螺母304、

溫度檢測(cè)器40、第三安裝孔401、繩索402。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例,所述實(shí)施例的示例在附圖中示出,其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的,僅用于解釋本發(fā)明,而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中,需要理解的是,術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系,僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作,因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外,術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的,而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中,除非另有說(shuō)明,“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本發(fā)明的描述中,需要說(shuō)明的是,除非另有明確的規(guī)定和限定,術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解,例如,可以是固定連接,也可以是可拆卸連接,或一體地連接;可以是機(jī)械連接,也可以是電連接;可以是直接相連,也可以通過(guò)中間媒介間接相連,可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言,可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

下面參考圖1-圖6描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10。如圖1-圖6所示,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10包括本體20、多個(gè)安裝部30和多個(gè)溫度檢測(cè)器40。

本體20為桿狀。多個(gè)安裝部30沿本體20的長(zhǎng)度方向間隔開(kāi)地設(shè)在本體20上,多個(gè)溫度檢測(cè)器40一一對(duì)應(yīng)地設(shè)在多個(gè)安裝部30上。換言之,安裝部30的數(shù)量與溫度檢測(cè)器40的數(shù)量相同,且一個(gè)溫度檢測(cè)器40設(shè)在一個(gè)安裝部30上。如圖6所示,當(dāng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10處于使用狀態(tài)時(shí),本體20的長(zhǎng)度方向與上下方向大體一致。

下面描述利用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10實(shí)施的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)方法,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)方法包括:

A)確定目標(biāo)區(qū)域的水體的深度以及沉積物層的厚度。

B)根據(jù)溫度檢測(cè)器40的分層間距和數(shù)量,將多個(gè)安裝部30安裝在本體20上,進(jìn)而將多個(gè)溫度檢測(cè)器40一一對(duì)應(yīng)地安裝在多個(gè)安裝部30上。

C)利用多個(gè)溫度檢測(cè)器40測(cè)量該水體、該沉積物層以及該水體與該沉積物層的界面處的溫度。其中,該水體與該沉積物層的界面處可以是水土界面60(如圖6所示)。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10通過(guò)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的水體的深度以及沉積物層的厚度,來(lái)改變本體20的長(zhǎng)度以及相鄰兩個(gè)安裝部30的間距,從而可以滿足不同的觀測(cè)需求,即可以滿足不同水深的水體的水-沉積物溫度垂向分布觀測(cè)要求。

而且,通過(guò)利用多個(gè)溫度檢測(cè)器40同時(shí)測(cè)量該水體的水溫和該沉積物層的間隙水的水溫,從而可以準(zhǔn)確地測(cè)量該水體和該沉積物層的溫度分布,以便計(jì)算湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴(kuò)散系數(shù),探討不同類(lèi)型沉積物與上覆水之間的熱交換量。

因此,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用范圍廣、便于使用、測(cè)量準(zhǔn)確、制造成本低、方便制作、布設(shè)簡(jiǎn)便,可以有效地測(cè)量水體和沉積物層的溫度的垂向變化(溫度垂向梯度),為研究湖泊水-沉積物的熱量交換提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),適用于湖泊水的水體熱力學(xué)過(guò)程的觀測(cè)研究。

如圖1-圖6所示,根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10包括本體20、多個(gè)安裝部30和多個(gè)溫度檢測(cè)器40。如圖1和圖2所示,本體20可以是金屬管。其中,溫度檢測(cè)器40可以是HOBO溫度探頭。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中,如圖1和圖2所示,本體20上設(shè)有多個(gè)第一安裝孔201,多個(gè)第一安裝孔201沿本體20的長(zhǎng)度方向間隔開(kāi)地設(shè)置,多個(gè)安裝部30一一對(duì)應(yīng)地安裝在多個(gè)第一安裝孔201處。由此可以更加方便地、穩(wěn)固地將多個(gè)安裝部30安裝在本體20上,可以使湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10的結(jié)構(gòu)更加合理。

有利地,多個(gè)第一安裝孔201等間距地設(shè)置。由此可以使湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10的結(jié)構(gòu)更加合理。具體而言,第一安裝孔201為圓孔,第一安裝孔201的直徑為10mm,相鄰兩個(gè)第一安裝孔201的間距為10cm。

如圖2、圖3和圖5所示,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,每個(gè)第一安裝孔201沿第一方向貫通本體20,該第一方向垂直于本體20的長(zhǎng)度方向。也就是說(shuō),當(dāng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測(cè)裝置10處于使用狀態(tài)時(shí),本體20的長(zhǎng)度方向與上下方向一致,該第一方向與水平方向一致,即該第一方向?yàn)樗椒较颉?/p>

每個(gè)安裝部30的第一端部的周面上形成有螺紋301,多個(gè)安裝部30的第一端部的一部分一一對(duì)應(yīng)地穿過(guò)多個(gè)第一安裝孔201。換言之,安裝部30的第一端部從兩端伸出第一安裝孔201。其中,每個(gè)安裝部30的第一端部上設(shè)有第一緊固螺母303和第二緊固螺母304,第一緊固螺母303和第二緊固螺母304相對(duì)地抵靠在本體20上以便本體20夾持在第一緊固螺母303和第二緊固螺母304之間。由此可以更加方便地、穩(wěn)固地將多個(gè)安裝部30安裝在本體20上。

如圖3和圖5所示,每個(gè)安裝部30為金屬管或金屬桿。

在本發(fā)明的一些示例中,如圖4和圖5所示,每個(gè)安裝部30的第二端部上設(shè)有第二安裝孔302,每個(gè)溫度檢測(cè)器40上設(shè)有第三安裝孔401。其中,溫度檢測(cè)器40通過(guò)穿過(guò)第三安裝孔401以及相應(yīng)的安裝部30的第二安裝孔302的繩索402安裝在相應(yīng)的安裝部30上。由此可以方便地、穩(wěn)固地將溫度檢測(cè)器40安裝在安裝部30上。

有利地,繩索402為尼龍?jiān)鷰?。第二安裝孔302為圓孔,第二安裝孔302的直徑為5mm。

如圖6所示,至少一個(gè)溫度檢測(cè)器40位于沉積物層內(nèi),至少一個(gè)溫度檢測(cè)器40位于水體內(nèi)(圖6示出了水體的水面50)。由此可以更加準(zhǔn)確地測(cè)量該水體的水溫和該沉積物層的間隙水的水溫,進(jìn)而更加準(zhǔn)確地測(cè)量溫度分布,以便得到水體和沉積物層的溫度的垂向變化(溫度垂向梯度)和湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴(kuò)散系數(shù)。

有利地,一個(gè)溫度檢測(cè)器40位于該水體與該沉積物層的界面處,即一個(gè)溫度檢測(cè)器40位于水土界面60。由此可以更加準(zhǔn)確地測(cè)量該水體、該沉積物層以及該水體與該沉積物層的界面處的溫度分布,以便得到水體和沉積物層的溫度的垂向變化(溫度垂向梯度)和湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴(kuò)散系數(shù)。

在本發(fā)明的一個(gè)示例中,本體20的底部設(shè)有配重塊。由此在使用時(shí),可以使本體20不受水流和風(fēng)力影響而處于豎直狀態(tài),從而可以更加準(zhǔn)確地測(cè)量水體和沉積物層的溫度的垂向變化(溫度垂向梯度)。

有利地,本體20包括多個(gè)節(jié),相鄰兩個(gè)該節(jié)的端部可拆卸地相連。由此可以根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的水體的深度以及沉積物層的厚度,來(lái)選取適當(dāng)數(shù)量的該節(jié)以便得到適當(dāng)長(zhǎng)度的本體20。

相鄰兩個(gè)該節(jié)的端部可拆卸地套裝在一起。換言之,相鄰兩個(gè)該節(jié)的一個(gè)的端部可拆卸地插入相鄰兩個(gè)該節(jié)的另一個(gè)的端部。由此可以更加方便地將相鄰兩個(gè)該節(jié)連接在一起。

在本發(fā)明的一個(gè)具體示例中,水面50距水土界面60約1.4m,底泥厚度(沉積物層)約0.3m,因此本體20的長(zhǎng)度為2m,相鄰兩個(gè)第一安裝孔201的間隔為10cm,共有17個(gè)溫度檢測(cè)器40。其中,3個(gè)溫度檢測(cè)器40位于沉積物層內(nèi),1個(gè)溫度檢測(cè)器40位于水土界面60,另外14個(gè)溫度檢測(cè)器40位于水體中。17個(gè)溫度檢測(cè)器40記錄了水體——水土界面——沉積物層在垂直方向上的溫度數(shù)據(jù),進(jìn)而為分析水土界面通量提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明的一個(gè)示例中,湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴(kuò)散系數(shù)λ(m2/d)通過(guò)垂直方向上的擴(kuò)散方程表達(dá);

其中,Z為垂直方向上的距離(m),T為溫度檢測(cè)器40的測(cè)量值,即T為溫度檢測(cè)器40測(cè)量的垂直方向上的水體的水溫(℃)、沉積物層的間隙水的水溫(℃)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體示例中,

Tw為一個(gè)溫度檢測(cè)器40測(cè)量的垂直方向上的水體的水溫(℃),即該溫度檢測(cè)器40的測(cè)量值。Ts為另一個(gè)溫度檢測(cè)器40測(cè)量的垂直方向上的沉積物層的間隙水的水溫(℃),即該溫度檢測(cè)器40的測(cè)量值。Zw-Zs為上述兩個(gè)溫度檢測(cè)器40在垂直方向上的距離(m)。

有利地,利用設(shè)在該水體與該沉積物層的界面處的溫度檢測(cè)器40測(cè)量該水體與該沉積物層的界面處的溫度,從而計(jì)算從該沉積物層到該界面處的溫度垂直擴(kuò)散系數(shù)。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中,參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中,對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且,描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型,本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。

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