水库气泡监测方法设计及应用研究

来源 :三峡大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jonquil1981
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河流多元化特性使得原位气泡监测困难,从而形成了国内外气泡监测方法研究均处于起步发展阶段的不利局面。其中水库气泡相关研究更少,特别是气泡原位监测方法和估算方法鲜有人提及。但气泡作为温室气体排放主要方式之一,其相关研究又有着深远的科学意义和重要的应用价值,这就使得愈来愈多的研究人员和相关学者投入该研究工作,去探究气泡机制问题,包括气泡排放模式和时空特征等,以求进一步预测氧化亚氮、甲烷和二氧化碳等温室气体排放总量和气体成分。但由于方法的局限,使得很多研究工作举步维艰。基于此研究背景,本文展开的定点气泡监测方法研究工作具备极其重要的工程应用价值。然而气泡又存在时空异质性,定点监测不足以代表流域整体水平,因此,还需进行空间测量的补充。而EY60设备本是专用于鱼类声学领域,但本文开发了测定气泡的方法,该方法阐明了气泡声学与深度的响应关系;也阐述了气泡数据处理方法等内容。本文进一步通过统计学方法,基于原位水域监测和室内实验的气泡研究成果,估算了水库气泡逃逸的总量,以期使气泡监测方法具有更深的科学研究意义,并且为制定科学流域污染治理措施,以及深入认识水库对生态环境的影响提供科技支撑。本文得到下述结论:(1)本文设计、开发并应用的定点气泡监测装置具有普适性特征,该装置坚固耐用,建造经济,并且能够长期部署在野外环境,并精确测量气泡的体积。气泡装置构建过程包括装置硬件、检测算法、软件校核、原始数据校核与平滑算法校核。对于其数据输出与后处理过程,本文阐述了详细的数据处理方法,并进一步阐明了理论拓展研究的方向和思路,供后续研究人员和学者进行深入研究。(2)本文基于超声探测技术的走航监测方法能够有效补充空间尺度的气泡数据。该方法具体操作过程相对简单,但重难点在于数据后处理过程,因此本文开发运用Echoview软件去处理气泡声学数据的方法,结合相关声学理论,经过走航验证,证明了该方法的可行性。其中气泡数据后处理方法,包括目标强度法和速度换算法。(3)对澜沧江与香溪河野外定点气泡数据进行分析后可将冒泡现象筛选为五类。这五类对应气泡体积、冒泡时间与半径等都截然不同。并且当水深超过35.8m,温度低于24.5℃,非人为挤压情况下不会发生气泡逃逸现象;当温度低于25℃,气泡逃逸量急剧减小。走航气泡逃逸速率与水深拟合后存在负相关关系;而时间与气泡累积量数据拟合后为非线性关系。当水深大于40米时,气泡体积分布除个别异常值外,分布范围均在0-2m L。但当水深小于30米时,气泡体积分布区间范围增大,而大体积气泡分布区间在20-25m L之间。深水与浅水相比,小气泡数目明显增多,且深水气泡小于0.1m L的体积占到气泡总体积69%;个数占到总个数82%。并且进一步分析发现气泡个数与深度符合深度下的正态分布,气泡个数的最大值位于该走航水体断面40m处。(4)本文提出了水库的气泡估算数学模型,并重新定义相关物理概念。通过该模型,将已有的定点和走航数据进一步进行统计学分析,研究结果表明传统平均法计算得出的香溪河定点年释放气泡量为3.274×108L,释放通量为0.156L/(m2·a);走航平均气泡通量为0.0124L/(m2·a),流域整体估算为3.85×107L气泡;而本文首创的气泡生长周期理论,结合定点和走航相互校核计算得出气泡平均通量为458.44L/(m2·a),气泡体积为1.42×1012L。
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