一种运河水-气界面气体传质系数获取方法及装置

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1.本发明涉及环境科学及大气研究领域，尤其涉及一种运河水-气界面气体传质系数获取方法及装置。

背景技术：

2.水气界面温室气体的交换通量广泛采用薄边界层法(tbl)测定。tbl是依据水气两相之间气体浓度梯度与给定环境中气体传质系数之间的半经验计算，其中气体传质系数作为定量气体交换通量的关键因子，其计算仍具有很大的不确定性。因此，如何准确定量传质系数成为了计算气体交换通量的重点与难点。传统上，常以水面上方风速进行传质系数的计算，但对于无风以及场景复杂的河流，计算误差较大，不具有普遍适用性。cn209069555u开发了一种研究雨滴对气体传质系数影响的实验装置，除了风速的影响，将环境中雨滴对水面的撞击作为气体传质系数的影响因子，来提高水-气界面传质系数的计算准确性。该方法虽然将考虑了雨滴对气体传质系数的影响，但对于受人为因素影响较大的运河，与雨滴落入水面产生的波动相比，强烈的行船活动产生的水面波动更大、更为剧烈，水面处于持续波动状态，对气体传质系数产生潜在的影响。目前，航运扰动对运河气体传质系数的影响尚不清晰。

技术实现要素：

3.发明目的：针对气体传质系数在运河、以及水面波动较大的场景下计算结果的不准确性等问题，本发明提出了一种运河水-气界面气体传质系数获取方法及装置，其计算结果具有准确性高、可靠性高的优点。
4.技术方案：本发明所述的运河水-气界面气体传质系数获取方法包括：
5.在目标运河及其支流上放置波高仪，采用波高仪监测河流波形；
6.根据监测的目标运河及其支流上的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期；
7.根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数，并根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率，根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率；
8.基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支；
9.根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支；
10.将船行波介导的气体传质系数分支和风生波介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。
11.进一步的，所述根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数的计算方法为：
[0012][0013][0014]
式中，表示目标运河、支流的特征波波数，h1、h2表示目标运河、支流的水深，g为重力加速度，t1、t2表示目标运河、支流的特征波周期。
[0015]
进一步的，所述根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率的计算方法为：
[0016][0017]
式中，s
12
表示目标运河船行波主导的均方斜率，表示目标运河的特征波波数。
[0018]
进一步的，所述根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率的计算方法为：
[0019][0020]
式中，s
22
表示目标运河风生波主导的均方斜率，表示支流的特征波波数。
[0021]
进一步的，所述基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支的计算方法为：
[0022]
s_k
600*
＝α(0.0014s
12
+3.4
×
10-6
)
[0023]
式中，s_k
600*
表示船行波介导的气体传质系数分支，表示修正系数,h
max
表示目标运河最大通航吨位，h
max,d
表示波高仪所在区域最大通航吨位，s
12
表示目标运河船行波主导的均方斜率。
[0024]
进一步的，所述根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支的计算方法为：
[0025]
w_k
600*
＝0.0014s
22
+3.4
×
10-6
[0026]
式中，w_k
600*
表示风生波介导的气体传质系数分支，s
22
表示风生波主导的均方斜率。
[0027]
本发明所述的运河水-气界面气体传质系数获取装置包括：
[0028]
波高仪，放置于目标运河及其支流上，用于监测河流波形；
[0029]
傅里叶变换模块，用于根据监测的目标运河及其支流上的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期；
[0030]
第一计算模块，用于根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数，并根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率，根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率；
[0031]
第二计算模块，用于基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支；
[0032]
第三计算模块，用于根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质
系数分支；
[0033]
第四计算模块，用于将船行波介导的气体传质系数分支和风生波介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。
[0034]
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明准确性高，可靠性高，能够解决包括风速、船行波在内的各种环境机制引起的k
600
变化的问题。
附图说明
[0035]
图1是本发明提供的运河水-气界面气体传质系数获取方法的流程示意图；
[0036]
图2是运河和自然河流研究区域与监测位点的布设；
[0037]
图3是运河和自然河流水面波对比分析以及傅里叶变换的结果；
[0038]
图4是风生波与风速计算气体传质系数对比；
[0039]
图5是太湖流域江苏境内运河行船扰动介导的k600空间分布图。
具体实施方式
[0040]
本实施例提供了一种运河水-气界面气体传质系数获取方法，其通过水面波的变化来计算气体传质系数，如图1所示，包括如下步骤：
[0041]
s1、在目标运河及其支流上放置波高仪，采用波高仪监测河流波形。
[0042]
本发明实施例采用无线数字波高仪监测，波高仪布设遵循“水面起伏波高不淹没监测探针”原则，并使用yh-12无线数据接收器与sda100传感器分别接收和处理波信号。
[0043]
s2、根据监测的目标运河及其支流上的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期t1、t2。
[0044]
s3、根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数，并根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率，根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率。
[0045]
根据下式计算浅水波波速v，得到特征波波长λ，其计算公式为：
[0046][0047]
λ＝v*t
[0048]
式中，v为浅水波波速，m/s；g为重力加速度9.8m/s2；h为水深，m；λ为特征波波长，m；t为特征波的周期，s；由浅水波波长计算波数ks，其计算公式为:
[0049][0050]
式中ks为波数，m-1
；
[0051]
将公式整理，可得
[0052]
因此根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数的公式如下：
[0053]
[0054][0055]
式中，表示目标运河、支流的特征波波数，h1、h2表示目标运河、支流的水深，g为重力加速度，t1、t2表示目标运河、支流的特征波周期。
[0056]
将水面波分为船行波和风行波，因此，目标运河船行波主导的均方斜率s
12
的计算方法为：
[0057][0058]
目标运河风生波主导的均方斜率s
22
的计算方法为：
[0059][0060]
s4、基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支s_k
600
*，计算公式如下:
[0061]
s_k
600
*＝α(0.0014s
12
+3.4
×
10-6
)
[0062]
式中，表示修正系数,h
max
表示目标运河最大通航吨位，h
max,d
表示波高仪坐在区域最大通航吨位，具体运河通航能力及参数参照《内河通航标准》(gb50139-2014)。
[0063]
s5、根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支w_k
600*
，计算公式如下：
[0064]
w_k
600*
＝0.0014s
22
+3.4
×
10-6
[0065]
s6、将水面波介导的气体传质系数分支和风速介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。
[0066]
目标运河的水-气界面气体传质系数k
600*
＝s_k
600*
+w_k
600*
。
[0067]
本实施例还提供一种运河水-气界面气体传质系数获取装置，包括：
[0068]
波高仪，放置于目标运河及其支流上，用于监测河流波形；
[0069]
傅里叶变换模块，用于根据监测的目标运河及其支流上的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期；
[0070]
第一计算模块，用于根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数，并根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率，根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率；
[0071]
第二计算模块，用于基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支；
[0072]
第三计算模块，用于根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支；
[0073]
第四计算模块，用于将船行波介导的气体传质系数分支和风生波介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。
[0074]
本装置与上述方法一一对应，计算方法、计算公式也一一对应，未详尽之处参照上述方法描述，不再赘述。
[0075]
下面对本发明进行实验验证。
[0076]
选择太湖流域运河为对象。太湖流域地跨苏、皖、浙、沪三省一市，流域面积3.7万km2，水面率达到15％(图2a)；以京杭运河为例开展行船扰动原位监测，并以其临近支流作为对照(图2b)。京航运河南起杭州，北至北京，是世界上里程最长运河，全长1797km，河道宽度15～30m；船舶通过量大，2014年，船舶通航量高达140万艘。在监测周期内，京杭运河行船频率约为1.3min/次，加上相对较窄河道内船行波的“叠加效应”，运河水面持续处于剧烈扰动状态，振幅明显，水位最大波差高达14.6cm(图3a)。相比较而言，未通航支流仅受自然风影响，水面扰动较小，形成的风生波振幅较小，平均波差仅为3.7cm。经过快速傅里叶变换后，航行波和风生波震动周期分别为2.3和7.1s(图3c)。
[0077]
将本发明于传统风速计算气体传质系数进行对比，传统风速计算气体传质系数的公式为式中uz为监测到的在距水面高度为z米处的风速；c
d10
为10m高度处的阻力系数；k为冯卡门常数；z为风速仪监测高度。
[0078]
选择了仅受风生波影响的支流为对象，将风生波计算气体传质系数和传统风速计算气体传质系数值进行了对比(图4)。当水面上方1m处风速分别为1、1.5、2、2.5、3和3.5m/s时，k
600
基于风生波计算分别为2.03、2.31、2.64、3.00、3.40和3.83cm/h，而基于风速计算分别为2.36，2.65、3.02、3.46、3.97和4.54cm/h，二者无显著性差异(r2＝0.998，p《0.01)。因此，基于水面波建立的k
600
值具有较高准确性。
[0079]
对于船行波，以三级航道京杭运河k
600
为基准，基于各运河通航等级对船行波气体传质系数采用α进行修正，航运等级是按河流通行船只大小所做的分类。运河等级越高，船行波扰动越强。参照《内河通航标准》(gb50139-2014)中船舶吨位及内河渠化河流航道参数，三、四、五、六级运河通航量分别为1000t、500t、300t、和100t。本研究三级航道京杭运河设定为1.0，四级、五级以及六级运河α分别取0.5、0.3、0.1，船行波介导的s_k
600
相应分别为3.42、1.71、1.06、0.34cm/h。太湖流域江苏境内s_k
600
值空间分布如图5所示，表明航运活动对太湖河网影响广泛，且具有明显空间差异性。
[0080]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：

1.一种运河水-气界面气体传质系数获取方法，其特征在于该方法包括：在目标运河及其支流上放置波高仪，采用波高仪监测河流波形；根据监测的目标运河及其支流上的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期；根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数，并根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率，根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率；基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支；根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支；将船行波介导的气体传质系数分支和风生波介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。2.根据权利要求1所述的运河水-气界面气体传质系数获取方法，其特征在于：所述根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数的计算方法为：为：式中，表示目标运河、支流的特征波波数，h1、h2表示目标运河、支流的水深，g为重力加速度，t1、t2表示目标运河、支流的特征波周期。3.根据权利要求1所述的运河水-气界面气体传质系数获取方法，其特征在于：所述根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率的计算方法为：式中，s
12
表示目标运河船行波主导的均方斜率，表示目标运河的特征波波数。4.根据权利要求1所述的运河水-气界面气体传质系数获取方法，其特征在于：所述根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率的计算方法为：式中，s
22
表示目标运河风生波主导的均方斜率，表示支流的特征波波数。5.根据权利要求1所述的运河水-气界面气体传质系数获取方法，其特征在于：所述基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支的计算方法为：s_k
600*
＝α(0.0014s
12
+3.4
×
10-6
)式中，s_k
600*
表示船行波介导的气体传质系数分支，表示修正系数,h
max
表示目标运河最大通航吨位，h
max,d
表示波高仪所在区域最大通航吨位，s
12
表示目标运河船行波
主导的均方斜率。6.根据权利要求1所述的运河水-气界面气体传质系数获取方法，其特征在于：所述根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支的计算方法为：w_k
600*
＝0.0014s
22
+3.4
×
10-6
式中，w_k
600*
表示风生波介导的气体传质系数分支，s
22
表示风生波主导的均方斜率。7.一种运河水-气界面气体传质系数获取装置，其特征在于包括：波高仪，放置于目标运河及其支流上，用于监测河流波形；傅里叶变换模块，用于根据监测的目标运河及其支流上的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期；第一计算模块，用于根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河及其支流的特征波波数，并根据目标运河波数求解得到目标运河船行波主导的均方斜率，根据支流特征波波数求解得到目标运河风生波主导的均方斜率；第二计算模块，用于基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支；第三计算模块，用于根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支；第四计算模块，用于将船行波介导的气体传质系数分支和风生波介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。

技术总结

本发明公开了一种运河水-气界面气体传质系数获取方法及装置，包括：在目标运河及其支流上放置波高仪，监测河流波形；根据监测的波形通过傅里叶变换得到目标运河及其支流的特征波周期；根据目标运河及其支流的特征波周期计算得到目标运河船行波主导的均方斜率、风生波主导的均方斜率；基于船行波主导的均方斜率和目标运河等级计算得到船行波介导的气体传质系数分支；根据风生波主导的均方斜率计算得到风生波介导的气体传质系数分支；将船行波介导的气体传质系数分支和风生波介导的气体传质系数分支相加，和作为目标运河的水-气界面气体传质系数。本发明准确性高，可靠性高。可靠性高。可靠性高。