[发明专利]多年冻土区地表水与地下水相互作用量化指标的测量方法

说明书

本发明公开了一种多年冻土区地表水与地下水相互作用量化指标的测量方法，该方法包括以下步骤：采用温度测量装置测量河床底部不同深度采样点处的温度值，获取温度时间变化数据；基于公式估算热锋速度v：根据温度时间变化数据和估算的热锋速度v，通过以下公式预测得出地表水与地下水相互作用量化指标q。本发明对装置依赖度低，成本低，仪器携带、安装方便；本发明提出量化地表水和地下水的相互作用强度的新指标，能准确评估地表水和地下水的相互补给方法。

技术领域

本发明属于水文测量技术领域，尤其涉及一种多年冻土区地表水与地下水相互作用量化指标的测量方法。

背景技术

由于地表水与地下水相互作用的复杂性，其观测和量化十分困难。传统的水文学观测方法，诸如渗流仪观测、水力梯度与流量关系推算、基流切割等，这些方法具有较大的不确定性，而且只能评估总的交换量，无法刻画其内部过程。在多年冻土区，由于多年冻土的隔水层效应和地表以下较冷的温度，使得传统的地下水测量方法无法实施，对于目前针对多年冻土区地表水和地下水相互作用的认识极为匮乏。

Goto et al.(2005)提出了基于温度变化为正弦曲线下，温度在任意深度和时间的表达公式：

其中，T表示温度(℃)，A表示幅度(-)，P表示步长(d/天数)，z表示深度(m)，t表示时间(s)，D表示有效热扩散系数(m²d^-1)，v表示热锋速度(m d^-1)。该公式基于以下假设：①液体流动仅存在于垂直方向；②液体流动处于稳定状态；③液体和固体性质在时间和空间上是常量；④液体和固体性质在时间和空间上任一点温度相等。

基于公式1和公式2，为本发明提供了一种从热量角度认识流体相互作用的新角度。最近国外的研究者进一步完善了热示踪方法估算地表水与地下水相互作用的可行性与方法(Hatch et al.,2006,Keery et al.,2007)。

最近的研究者进一步发展了该方法来估算热锋速度。结合图2所示，这些方法分别使用了基于河床两个不同深度的温度的数学计算方法(Hatch et al.,2006,Keery etal.,2007，McCallum et al.,2012)。但是这些计算过程较为繁琐，基于热示踪方法的仪器如分布式光纤测量，仪器笨重昂贵，且依赖交流电源，无法在多年冻土区河流进行灵活观测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多年冻土区地表水与地下水相互作用量化指标的测量方法，旨在解决多年冻土区无法进行地下水测量、无法有效确定地表水和地下水的补给方向、以及量化估算地表水和地下水相互作用强度的问题。

本发明公开了一种多年冻土区地表水与地下水相互作用量化指标的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用温度测量装置测量河床底部不同深度采样点处的温度值，获取温度时间变化数据；

(2)基于以下公式估算热锋速度v：

其中，v表示热锋速度(m d^-1)，Δz表示深度差(m)，P表示步长(d)，A_r表示振幅(-)，ΔФ表示t₂-t₁，即相位差(d)；

(3)根据上述温度时间变化数据和估算的热锋速度v，通过以下公式预测得出地表水与地下水相互作用量化指标q：

q＝γν；