[發明專利]一種無資料區河床與水體熱傳導通量的計算方法

有效

• 申請號: 202010730438.0
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111881577B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 潘佳佳;郭新蕾;王濤;付輝;李甲振;郭永鑫;施春蓉;路錦枝;楊濤
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 袁建水

本發明涉及一種無資料區河床與水體熱傳導通量的計算方法，包括：擬合年際氣溫變化、計算無量綱的氣溫值和水溫值、計算河床熱含量、計算不同時間熱含量差、計算河床熱傳導通量，以及建立氣溫與河床熱傳導通量關系曲線。本發明不需要測量或計算河床不同深度土體的溫度，根據氣溫過程就能夠評估無資料區的河床熱傳導通量，并且計算準確、高效；同時本發明提供了水溫與氣溫的關系曲線以及河床熱傳導通量與氣溫的關系曲線，能夠有效預估不同時間水溫或河床熱傳導通量的變化過程。

技術領域

本發明涉及一種無資料區河床與水體熱傳導通量的計算方法，屬于水利工程技術領域。

背景技術

河床熱傳導通量是河道水體熱循環的重要組成部分，能影響冬季產冰量和水體總能量。水體熱交換一般包括水與空氣間的熱通量、水與河床間的熱通量、水體機械能轉換和上下游水體能量交換。對于小尺度河流，河床熱傳導通量能占水體熱交換的15％，能顯著影響水體產冰過程。河床在夏季吸收熱量，其熱通量為正值，將水體熱量儲存在河床中；河床在冬季釋放熱量，其熱通量變為負值，將夏季存儲的熱量傳導給水體。因此，河床是水體熱量平衡的重要媒介，能顯著改變水溫變化及能量過程。此外，河床熱傳導通量對水生物和水下生態系統具有重要意義。河床熱傳導通量是河底熱平衡的重要組成部分，為魚類和水生物的繁殖提供了保障。

傳統的河床熱傳導通量計算一般采用現場觀測或數值計算的方法，這就需要提供河床的熱傳導系數分布、河床土體分層狀況、土溫分布及水溫分布。目前的研究具有如下的局限性：第一無法評估無資料區的河床熱傳導通量，無法評估廣大無資料小流域河流的能量過程；第二計算或測量工作量大，需要先確定河底土體的溫度分層，再計算河床熱傳導通量；第三無法提供氣溫與河床熱傳導通量的相關關系，不能根據氣溫預測河床的熱通量。總之，目前的研究無法準確計算無資料區域河床的熱通量，制約小流域河流水環境和水生態的研究，亟需建立一種無資料區河床與水體熱傳導通量的計算方法。

發明內容

為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種無資料區河床與水體熱傳導通量的計算方法，所述的方法能夠準確高效地計算無資料區河床熱傳導通量。

本發明的目的是這樣實現的：

一種無資料區河床與水體熱傳導通量的計算方法，包括以下步驟：

步驟1，擬合年際氣溫變化：根據該地區多年的平均氣溫和氣溫變化幅度，采用下述方程擬合年際氣溫變化過程；

T＝T_m+T_asin(2πft)

式中，T為不同時間的氣溫；T_m為多年的平均氣溫；T_a為多年氣溫變化幅度的一半；f為氣溫循環頻率，取為t為時間，單位為天數；

步驟2，計算無量綱的氣溫值：采用下述方程計算無量綱的氣溫值；

式中，θ_a為無量綱的氣溫值；

步驟3，計算無量綱的水溫值：采用下述方程計算無量綱的水溫值；

其中，為無量綱的水溫值；T_w為水溫；α為水溫對氣溫的響應時間系數；

步驟4，計算河床熱含量：采用下述方程分別計算兩個不同時間步長下的河床熱含量；

式中，Δt為計算的時間步長；i為計算的時間步數；i+1為下一次計算的時間步數；ρ為河床土體密度；c_p為河床土體的比熱容；L為考慮的河床厚度；n為計算迭代的次數，一般取1000；K為熱擴散系數；