[发明专利]一种无资料区河床与水体热传导通量的计算方法

说明书

本发明涉及一种无资料区河床与水体热传导通量的计算方法，包括：拟合年际气温变化、计算无量纲的气温值和水温值、计算河床热含量、计算不同时间热含量差、计算河床热传导通量，以及建立气温与河床热传导通量关系曲线。本发明不需要测量或计算河床不同深度土体的温度，根据气温过程就能够评估无资料区的河床热传导通量，并且计算准确、高效；同时本发明提供了水温与气温的关系曲线以及河床热传导通量与气温的关系曲线，能够有效预估不同时间水温或河床热传导通量的变化过程。

技术领域

本发明涉及一种无资料区河床与水体热传导通量的计算方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

河床热传导通量是河道水体热循环的重要组成部分，能影响冬季产冰量和水体总能量。水体热交换一般包括水与空气间的热通量、水与河床间的热通量、水体机械能转换和上下游水体能量交换。对于小尺度河流，河床热传导通量能占水体热交换的15％，能显著影响水体产冰过程。河床在夏季吸收热量，其热通量为正值，将水体热量储存在河床中；河床在冬季释放热量，其热通量变为负值，将夏季存储的热量传导给水体。因此，河床是水体热量平衡的重要媒介，能显著改变水温变化及能量过程。此外，河床热传导通量对水生物和水下生态系统具有重要意义。河床热传导通量是河底热平衡的重要组成部分，为鱼类和水生物的繁殖提供了保障。

传统的河床热传导通量计算一般采用现场观测或数值计算的方法，这就需要提供河床的热传导系数分布、河床土体分层状况、土温分布及水温分布。目前的研究具有如下的局限性：第一无法评估无资料区的河床热传导通量，无法评估广大无资料小流域河流的能量过程；第二计算或测量工作量大，需要先确定河底土体的温度分层，再计算河床热传导通量；第三无法提供气温与河床热传导通量的相关关系，不能根据气温预测河床的热通量。总之，目前的研究无法准确计算无资料区域河床的热通量，制约小流域河流水环境和水生态的研究，亟需建立一种无资料区河床与水体热传导通量的计算方法。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种无资料区河床与水体热传导通量的计算方法，所述的方法能够准确高效地计算无资料区河床热传导通量。

本发明的目的是这样实现的：

一种无资料区河床与水体热传导通量的计算方法，包括以下步骤：

步骤1，拟合年际气温变化：根据该地区多年的平均气温和气温变化幅度，采用下述方程拟合年际气温变化过程；

T＝T_m+T_asin(2πft)

式中，T为不同时间的气温；T_m为多年的平均气温；T_a为多年气温变化幅度的一半；f为气温循环频率，取为t为时间，单位为天数；

步骤2，计算无量纲的气温值：采用下述方程计算无量纲的气温值；

式中，θ_a为无量纲的气温值；

步骤3，计算无量纲的水温值：采用下述方程计算无量纲的水温值；

其中，为无量纲的水温值；T_w为水温；α为水温对气温的响应时间系数；

步骤4，计算河床热含量：采用下述方程分别计算两个不同时间步长下的河床热含量；

式中，Δt为计算的时间步长；i为计算的时间步数；i+1为下一次计算的时间步数；ρ为河床土体密度；c_p为河床土体的比热容；L为考虑的河床厚度；n为计算迭代的次数，一般取1000；K为热扩散系数；