一種湖泊水‑沉積物熱量交換原位觀測裝置的製作方法

2023-09-17 22:08:45 1

本實用新型涉及環境科學領域，具體而言，涉及湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置。

背景技術：

水-沉積物界面是水體系統（例如湖泊系統）的重要組成之一，加上近底層水溫對水體底棲生物群落和化學過程具有重要作用，因此水-沉積物界面熱交換及其對水體平均水溫、水溫日變化、季節變化和年變化的影響是研究關注的焦點。

在淺水湖泊特別是近底區域，沉積物溫熱過程可顯著影響湖泊熱量季節收支。夏季，湖泊從大氣中吸收熱量，其中該熱量的相當大一部分儲存在底部沉積的上層熱活躍層，這部分熱量在秋冬季又重新釋放回水體（Pivovarov, 1973）。Fang和Stefan（1996）在研究湖泊沉積物和水體熱量時發現，湖泊沉積物熱過程可對水溫的日變化產生一定的影響。Golosov和Kirillin（2010）在對Krasnoye湖和Muggelsee湖進行水溫數值模擬中發現，夏季考慮沉積物熱庫影響時，湖底水溫低於不考慮沉積物熱庫作用的溫度，而在冬季考慮沉積物熱庫影響，湖底水溫高於不考慮沉積物熱庫的溫度，可見沉積物熱庫對湖泊水溫分布具有直接影響。

技術實現要素：

實用新型人經過深入研究後發現：目前，在水體溫熱模擬中一般忽略水體和底部沉積層的熱交換作用。對於典型的淺水湖泊，其湖底對輻射的反射和水-沉積物界面熱通量必將對湖泊水溫變化產生影響。

本實用新型旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本實用新型的一個目的在於提出一種湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置。

根據本實用新型的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置包括：本體，所述本體為杆狀；多個安裝部，多個所述安裝部沿所述本體的長度方向間隔開地設在所述本體上；和多個溫度檢測器，多個所述溫度檢測器一一對應地設在多個所述安裝部上。

根據本實用新型的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置具有結構簡單、使用範圍廣、便於使用、測量準確、製造成本低、方便製作、布設簡便，可以有效地測量水體和沉積物層的溫度的垂向變化（溫度垂向梯度），為研究水-沉積物的熱量交換提供基礎數據，適用於水體熱力學過程的觀測研究。

另外，根據本實用新型的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置還可以具有如下附加的技術特徵：

所述本體上設有多個第一安裝孔，多個所述第一安裝孔沿所述本體的長度方向間隔開地設置，多個所述安裝部一一對應地安裝在多個所述第一安裝孔處。

多個所述第一安裝孔等間距地設置。

每個所述第一安裝孔沿第一方向貫通所述本體，所述第一方向垂直於所述本體的長度方向，每個所述安裝部的第一端部的周面上形成有螺紋，多個所述安裝部的第一端部的一部分一一對應地穿過多個所述第一安裝孔，其中每個所述安裝部的第一端部上設有第一緊固螺母和第二緊固螺母，所述第一緊固螺母和所述第二緊固螺母相對地抵靠在所述本體上以便所述本體夾持在所述第一緊固螺母和所述第二緊固螺母之間。

所述本體為金屬管，每個所述安裝部為金屬管或金屬杆。

至少一個所述溫度檢測器位於沉積物層內，至少一個所述溫度檢測器位於水體內，優選地，一個所述溫度檢測器位於所述水體與所述沉積物層的界面處。

每個所述安裝部的第二端部上設有第二安裝孔，每個所述溫度檢測器上設有第三安裝孔，其中所述溫度檢測器通過穿過所述第三安裝孔以及相應的所述安裝部的第二安裝孔的繩索安裝在相應的所述安裝部上，優選地，所述繩索為尼龍扎帶。

所述本體的底部設有配重塊。

所述本體包括多個節，相鄰兩個所述節的端部可拆卸地相連，優選地，相鄰兩個所述節的端部可拆卸地套裝在一起。

附圖說明

本實用新型的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置的結構示意圖；

圖2是根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置的本體的結構示意圖；

圖3是根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置的局部結構示意圖；

圖4是根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置的局部結構示意圖；

圖5是根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置的局部結構示意圖；

圖6是根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置的使用狀態圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本實用新型的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

下面參考圖1-圖6描述根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10。如圖1-圖6所示，根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10包括本體20、多個安裝部30和多個溫度檢測器40。

本體20為杆狀。多個安裝部30沿本體20的長度方向間隔開地設在本體20上，多個溫度檢測器40一一對應地設在多個安裝部30上。換言之，安裝部30的數量與溫度檢測器40的數量相同，且一個溫度檢測器40設在一個安裝部30上。如圖6所示，當根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10處於使用狀態時，本體20的長度方向與上下方向大體一致。

下面描述利用根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10實施的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測方法，根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測方法包括：

A）確定目標區域的水體的深度以及沉積物層的厚度。

B）根據溫度檢測器40的分層間距和數量，將多個安裝部30安裝在本體20上，進而將多個溫度檢測器40一一對應地安裝在多個安裝部30上。

C）利用多個溫度檢測器40測量該水體、該沉積物層以及該水體與該沉積物層的界面處的溫度。其中，該水體與該沉積物層的界面處可以是水土界面60（如圖6所示）。

根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10通過根據目標區域的水體的深度以及沉積物層的厚度，來改變本體20的長度以及相鄰兩個安裝部30的間距，從而可以滿足不同的觀測需求，即可以滿足不同水深的水體的水-沉積物溫度垂向分布觀測要求。

而且，通過利用多個溫度檢測器40同時測量該水體的水溫和該沉積物層的間隙水的水溫，從而可以準確地測量該水體和該沉積物層的溫度分布，以便計算湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴散係數，探討不同類型沉積物與上覆水之間的熱交換量。

因此，根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10具有結構簡單、使用範圍廣、便於使用、測量準確、製造成本低、方便製作、布設簡便，可以有效地測量水體和沉積物層的溫度的垂向變化（溫度垂向梯度），為研究湖泊水-沉積物的熱量交換提供基礎數據，適用於湖泊水的水體熱力學過程的觀測研究。

如圖1-圖6所示，根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10包括本體20、多個安裝部30和多個溫度檢測器40。如圖1和圖2所示，本體20可以是金屬管。其中，溫度檢測器40可以是HOBO溫度探頭。

在本實用新型的一些實施例中，如圖1和圖2所示，本體20上設有多個第一安裝孔201，多個第一安裝孔201沿本體20的長度方向間隔開地設置，多個安裝部30一一對應地安裝在多個第一安裝孔201處。由此可以更加方便地、穩固地將多個安裝部30安裝在本體20上，可以使湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10的結構更加合理。

有利地，多個第一安裝孔201等間距地設置。由此可以使湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10的結構更加合理。具體而言，第一安裝孔201為圓孔，第一安裝孔201的直徑為10mm，相鄰兩個第一安裝孔201的間距為10cm。

如圖2、圖3和圖5所示，在本實用新型的一個實施例中，每個第一安裝孔201沿第一方向貫通本體20，該第一方向垂直於本體20的長度方向。也就是說，當根據本實用新型實施例的湖泊水-沉積物熱量交換原位觀測裝置10處於使用狀態時，本體20的長度方向與上下方向一致，該第一方向與水平方向一致，即該第一方向為水平方向。

每個安裝部30的第一端部的周面上形成有螺紋301，多個安裝部30的第一端部的一部分一一對應地穿過多個第一安裝孔201。換言之，安裝部30的第一端部從兩端伸出第一安裝孔201。其中，每個安裝部30的第一端部上設有第一緊固螺母303和第二緊固螺母304，第一緊固螺母303和第二緊固螺母304相對地抵靠在本體20上以便本體20夾持在第一緊固螺母303和第二緊固螺母304之間。由此可以更加方便地、穩固地將多個安裝部30安裝在本體20上。

如圖3和圖5所示，每個安裝部30為金屬管或金屬杆。

在本實用新型的一些示例中，如圖4和圖5所示，每個安裝部30的第二端部上設有第二安裝孔302，每個溫度檢測器40上設有第三安裝孔401。其中，溫度檢測器40通過穿過第三安裝孔401以及相應的安裝部30的第二安裝孔302的繩索402安裝在相應的安裝部30上。由此可以方便地、穩固地將溫度檢測器40安裝在安裝部30上。

有利地，繩索402為尼龍扎帶。第二安裝孔302為圓孔，第二安裝孔302的直徑為5mm。

如圖6所示，至少一個溫度檢測器40位於沉積物層內，至少一個溫度檢測器40位於水體內（圖6示出了水體的水面50）。由此可以更加準確地測量該水體的水溫和該沉積物層的間隙水的水溫，進而更加準確地測量溫度分布，以便得到水體和沉積物層的溫度的垂向變化（溫度垂向梯度）和湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴散係數。

有利地，一個溫度檢測器40位於該水體與該沉積物層的界面處，即一個溫度檢測器40位於水土界面60。由此可以更加準確地測量該水體、該沉積物層以及該水體與該沉積物層的界面處的溫度分布，以便得到水體和沉積物層的溫度的垂向變化（溫度垂向梯度）和湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴散係數。

在本實用新型的一個示例中，本體20的底部設有配重塊。由此在使用時，可以使本體20不受水流和風力影響而處於豎直狀態，從而可以更加準確地測量水體和沉積物層的溫度的垂向變化（溫度垂向梯度）。

有利地，本體20包括多個節，相鄰兩個該節的端部可拆卸地相連。由此可以根據目標區域的水體的深度以及沉積物層的厚度，來選取適當數量的該節以便得到適當長度的本體20。

相鄰兩個該節的端部可拆卸地套裝在一起。換言之，相鄰兩個該節的一個的端部可拆卸地插入相鄰兩個該節的另一個的端部。由此可以更加方便地將相鄰兩個該節連接在一起。

在本實用新型的一個具體示例中，水面50距水土界面60約1.4m，底泥厚度（沉積物層）約0.3m，因此本體20的長度為2m，相鄰兩個第一安裝孔201的間隔為10cm，共有17個溫度檢測器40。其中，3個溫度檢測器40位於沉積物層內，1個溫度檢測器40位於水土界面60，另外14個溫度檢測器40位於水體中。17個溫度檢測器40記錄了水體——水土界面——沉積物層在垂直方向上的溫度數據，進而為分析水土界面通量提供了必要的基礎數據。

在本實用新型的一個示例中，湖泊水-沉積物界面的溫度垂直擴散係數λ（m2/d）通過垂直方向上的擴散方程表達；

其中，Z為垂直方向上的距離（m），T為溫度檢測器40的測量值，即T為溫度檢測器40測量的垂直方向上的水體的水溫（℃）、沉積物層的間隙水的水溫（℃）。

在本實用新型的一個具體示例中，

Tw為一個溫度檢測器40測量的垂直方向上的水體的水溫（℃），即該溫度檢測器40的測量值。Ts為另一個溫度檢測器40測量的垂直方向上的沉積物層的間隙水的水溫（℃），即該溫度檢測器40的測量值。Zw-Zs為上述兩個溫度檢測器40在垂直方向上的距離（m）。

有利地，利用設在該水體與該沉積物層的界面處的溫度檢測器40測量該水體與該沉積物層的界面處的溫度，從而計算從該沉積物層到該界面處的溫度垂直擴散係數。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示意性實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的範圍由權利要求及其等同物限定。