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技术

本发明专利技术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：

Measurement of Quantitative Index of Surface Water-Groundwater Interaction in Permafrost Region

The invention discloses a method for measuring the quantitative index of the interaction between surface water and groundwater in permafrost region. The method comprises the following steps: using a temperature measuring device to measure the temperature value at sampling points of different depths at the bottom of the river bed, obtaining the temperature-time variation data; estimating the heat front velocity V based on the formula:

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于水文测量
，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。
技术介绍
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。Gotoetal.(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(md-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，为本专利技术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(Hatchetal.,2006,Keeryetal.,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(Hatchetal.,2006,Keeryetal.,2007，McCallumetal.,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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(md-1)，Δz表示深度差(m)，P表示步长(d)，Ar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；其中，q表示达西速度(md-1)，即地表水与地下水相互作用量化指标，v表示热锋速度(md-1)，n表示孔隙度，ρw表示水体密度(kgm3)，ρs表示固体密度，cw表示水体热容量，cs表示固体热容量。优选地，在步骤(1)中，沿河道横剖面内选择若干采样点，在采样点的地下选定深度处设定监测点A和监测点B，采集各采样点在监测点A和监测点B处的温度时间变化数据。优选地，所述采样点的数量为3～5个；所述监测点A在该采样点的地下20cm处，所述监测点B在该采样点的地下50cm处。相比于现有技术的缺点和不足，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术对装置依赖度低，成本低，仪器携带、安装方便；(2)本专利技术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。附图说明图1是本专利技术实施例中河床底部不同深度采样点的布设示意图；图2是本专利技术实施例中河床温度观测示意图；图3是本专利技术实施例中河床达西速度示意图；图4是本专利技术实施例中河床有效热扩散系数示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术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(md-1)，Δz表示深度差(m)，P表示步长(d)，Ar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；其中，q表示达西速度(md-1)，即地表水与地下水相互作用量化指标，v表示热锋速度(md-1)，n表示孔隙度，ρw表示水体密度(kgm3)，ρs表示固体密度，cw表示水体热容量，cs表示固体热容量。在步骤(1)中，如图1所示，沿河道横剖面放置3～5个钢管，每个钢管直径5cm，长80cm，其中地下部分50cm，地上部分30cm，每个钢管在地下20cm和地下50cm处各放置一个温度探测器。每个监测点的温度数据将计算两个关键数值：温度正弦曲线的振幅比和相位差。在步骤(2)中，将温度正弦曲线的振幅比和相位差代入公式(4)和公式(5)，从而计算出热锋速度v。热锋速度为正，则表示地下水补给地表水；反正，则表示地表水补给地下水。达西速度q则表示补给强度。基于结合正弦曲线振幅比和相位差的热锋速度(v)和有效热扩散系数(D)的表达函数：其中，v表示热锋速度(md-1)，Δz表示深度差(m)，P表示步长(d)，Ar表示振幅(-)，ΔФ表示t2-t1，即相位差(d)，D表示有效热扩散系数(m2d-1)。更具体的，以黑河上游多年冻土区的检测为例：2015年夏季，共设置7个河床温度观测点(S1～S7)，其中S1，S2，S4位于季节冻土区，S4，S5，S6，S7位于多年冻土区。每个河床温度观测点设置3层，距离河床深度分别为0m，0.2m和0.5m。每一层安装一个Hobo(U22watertempproV2logger,OnsetComputerCorp)温度计，精度为±0.44℃。由于寒区较为严酷的自然条件和河床的变化，目前仅有S1，S3，S5和S6四个点的数据可用，观测的时间范围为2015年6月28日至10月2日。表1观测点描述备注*：水深和河宽均为10月1日观测数据；一维热量偏导方程的计算结果显示了达西速度在多年冻土区(S3，S5和S6)和季节冻土区(S1)的差异，S3，S5和S6达西速度主要是负值，而S1则主要是正值(图3)，这说明在多年冻土区地表水补给地下水，而在季节冻土区地下水补给地表水。多年冻土区与季节冻土区并没有表现出数量上的差异，反而是多年冻土区的观测点，不同地点的热量传导速度表现出较大的空间差异，尤其是在S3处，其达西速度要比其余3个监测点大一个数量级。而海拔最高，且距离分水岭最近的S6，其达西速度最低。季节冻土区S1，7～9月主要的径流事件表现为达西速度降低，随之而后是强烈的升高，最高可达1.32md-1。即在洪水事件数日之后，地下水开始强烈补给地表水。这一是反映了河岸对于河流的储水作用，二是反映了含水层对于河流水位变化的迟滞效应。对于多年冻土区而言，径流时间仅表现为达西速度的轻微降低。达西速度的变化对降水时间以及下游洪峰事件的响应很小。河床有效热扩散进一步显示出了热量在河床界面的传输的变化(图4)。在数量上来看，多年冻土本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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：

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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(md-1)，Δz表示深度差(m)，P表示步长(d)，Ar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；其中，q表示达西速度(md-1)，即地表水与地下水相互作用量化指标，v表示热锋速度(m...

【专利技术属性】
技术研发人员：高坛光，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62