[發明專利]一種河流水-氣界面二氧化碳交換量評估方法及系統

在審

• 申請號: 202310074776.7
• 申請日: 2023-01-12
• 公開（公告）號: CN116317344A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 張博;丁相毅;劉志武;戴會超;梁犁麗;蔣定國;楊恒;殷兆凱;王鵬翔;徐志;劉琨
• 申請（專利權）人: 中國長江三峽集團有限公司
• 主分類號: H02K7/18
• 分類號: H02K7/18;H02J7/32;G01R22/06
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種河流水?氣界面二氧化碳交換量評估方法及系統，對目標河流空間離散為有限多個河段，并對河段斷面概化得到河段斷面形狀參數；通過圣維南方程組計算各河段的斷面的水流特征；根據預設氣體的傳輸速率計算模型計算各河段氣體的傳輸速率；基于各河段氣體的傳輸速率和塊體公式計算各河段水?氣界面二氧化碳的交換通量；基于預設各河段水流特征和河段斷面形狀參數計算各河段水面面積；各河段水面面積和河段水?氣界面二氧化碳交換通量的乘積為河段水?氣界面二氧化碳交換量，各河段水?氣界面二氧化碳交換量之和為目標河流水?氣界面二氧化碳交換量。本發明通過河流進行分段計算，能夠快速、準確評估目標河流水?氣界面二氧化碳交換量。

技術領域

本發明涉及碳循環技術領域，具體涉及一種河流水-氣界面二氧化碳交換量評估方法及系統。

背景技術

河流連接著陸地和海洋，在向海洋輸送碳的同時與大氣也存在大量的二氧化碳交換，開展河流水-氣界面碳交換研究對區域和全球碳循環具有重要意義。目前水-氣界面二氧化碳通量交換的研究主要關注湖泊和河口等水域，對河流碳循環的研究的也主要集中在河流碳的橫向遷移過程，對河流水-氣界面二氧化碳交換量的研究則相對較少。目前測量方法主要為紅外測量儀結合通量箱在野外直接測定河流水-氣二氧化碳通量，這種方法需要耗費大量的人力物力和財力，而且適用范圍較窄。水-氣界面的氣體傳輸速率是影響河流水-氣界面二氧化碳交換量計算的重要因子，目前對二氧化碳水-氣界面的氣體傳輸速率的估算方法主要通過易揮發性氣體示蹤，或者通量箱法、渦度相關法測定獲得，其中人工添加示蹤劑的測量方法在野外條件下不太適用，通量箱法和渦度相關法適用范圍也比較有限，只適用于流速較慢的水體。

發明內容

因此，本發明實施例提供一種河流水-氣界面二氧化碳交換量評估方法及系統，可以解決現有技術存在的問題。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

第一方面，本發明實施例提供一種河流水-氣界面二氧化碳交換量評估方法，包括：

對目標河流進行空間離散為有限多個河段，并對河段斷面進行概化得到河段斷面形狀參數；

通過圣維南方程組計算各河段的斷面的水流特征；

根據預設氣體的傳輸速率計算模型，計算各河段氣體的傳輸速率；

基于各河段氣體的傳輸速率和塊體公式，計算各河段單元水-氣界面二氧化碳的交換通量；

基于預設的各河段水流特征和河段斷面形狀參數，計算各河段水面面積；

各河段水面面積和河段水-氣界面二氧化碳交換通量的乘積為各河段水-氣界面二氧化碳交換量，各河段水-氣界面二氧化碳交換量之和為目標河流水-氣界面二氧化碳交換量。

進一步地，采用偏微分方程形式的圣維南方程組描述各河段斷面的水流特征，通過求解該方程組獲得各個河段斷面上的水流特征：

其中：A表示河流過水斷面面積；Q表示過水斷面的流量；x表示沿河道的坐標，朝著水流的方向為正；u為過水斷面的平均流速；g為重力加速度；z為河段斷面的河底高程；S₀為河底坡降；S_f為摩阻坡降。

進一步地，各河段氣體的傳輸速率通過以下計算模型得到：

k＝f(u,s,h,W)

其中：k表示氣體的傳輸速率；u表示河流流速；s表示河底坡降；h表示河流水深；W表示河流水面寬度，f(·)為采用多元線性回歸方法得到的河段水-氣界面的氣體傳輸速率與流速、河底坡降、水深和水面寬度的相關函數。

進一步地，河流流速通過以下公式計算：