胡婧娟，樊貴盛

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

日光溫室農(nóng)作物生長發(fā)育離不開適宜的光、溫、濕等小氣候條件[1]。在光、溫、濕等眾多小氣候因素中，除光照外，溫度是對作物生長影響最大的因素[2]。在高海拔低溫地區(qū)，越冬期間日光溫室農(nóng)作物種植的一大難題是灌溉水水溫偏低。一般而言，在高海拔的山丘區(qū)，地下水埋藏較深，開發(fā)難度大、成本高，日光溫室農(nóng)業(yè)灌溉主要利用的是出露的泉水或河流的細(xì)小地表水。在整個越冬期內(nèi)，研究區(qū)出露的泉水或河流地表水溫度一般在-3～6 ℃之間。越冬期灌溉水水溫的高低直接影響著設(shè)施大棚的灌溉問題，因為灌溉水溫和日光溫室地表土壤溫度的協(xié)調(diào)平衡溫度必須滿足農(nóng)作物根系正常生長對環(huán)境溫度的要求。在灌溉水溫與日光溫室地表土壤溫度的協(xié)調(diào)平衡過程中，因為水的比熱大，灌溉水溫度在一定程度上對水土協(xié)調(diào)平衡溫度的影響大。根系環(huán)境溫度的改變，會影響農(nóng)作物根系對土壤礦物質(zhì)營養(yǎng)積累分解和轉(zhuǎn)化，以及對土壤水分和養(yǎng)分的吸收[3]。但是在越冬期間，作為日光溫室灌溉水源的河水溫度偏低，不能滿足日光溫室農(nóng)作物對灌溉水水溫的要求[4-6]。所以，探求越冬期間河流地表水溫度的變化特性成為一種客觀需要。

河流地表水水溫與氣象條件、水文過程和人類活動等因素直接相關(guān)，同時水體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)和水生生物的分布也受水溫變化影響[7-9]。Caissie[10]認(rèn)為氣溫和徑流的變化與河流地表水水溫的熱變化呈顯著相關(guān)性；夏依木拉提[11]通過對伊犁河流域研究指出:氣溫的明顯升高以及熱量條件的變化是引起水溫升高的主要原因；蒲靈[12]等通過對河流干流及主要支流河道水溫的觀測，認(rèn)為水電站運行方式是影響下游河道水溫變化的重要因素。在河流地表水水溫預(yù)測方面，劉少文[13]在對河流環(huán)境傳熱分析的基礎(chǔ)上，從理論上推導(dǎo)出一個一維河流地表水水溫的計算公式；王濤[14]對模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報河流冰期水溫進行了比較研究，認(rèn)為自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理系統(tǒng)預(yù)報結(jié)果均比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)報結(jié)果好。當(dāng)前針對河流地表水水溫影響的研究主要集中在氣溫、徑流、水壩建設(shè)對庫水溫及下泄水溫的影響分析和水庫水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫變化引起的環(huán)境影響研究兩個方面[14-16]，而針對我國北方細(xì)小河流地表水溫度的研究并不多見。本文以山西省呂梁市離石區(qū)日光溫室灌溉水源——小東川河河流地表水為研究對象，基于越冬期間河流地表水溫度、室外氣溫的跟蹤監(jiān)測，以傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，探求河流地表水溫度變化特性與影響因素，為高海拔低溫區(qū)日光溫室越冬期間灌溉水水溫的管理和調(diào)控提供理論依據(jù)，對越冬期間日光溫室的正常運行與管理具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)及河流概況

本文日光溫室工業(yè)園區(qū)位于山西省呂梁市離石區(qū)信義鎮(zhèn)小神頭村。該地區(qū)屬典型的高海拔低溫山區(qū)，海拔在1 300 m以上，年平均氣溫為8.9 ℃，最高氣溫35 ℃，最低氣溫-18 ℃，冬季寒冷少雪，春季較濕潤且多風(fēng)，夏季炎熱，雨量集中，全區(qū)光能資源充足。

日光溫室群供水水源為小東川河河流水。小東川河屬東川河的一級支流，發(fā)源于信義鎮(zhèn)的骨脊山，全長38.3 km，河道縱坡18%，流域面積424.3 km2，河床糙率0.025～0.029，河床較穩(wěn)定。小東川河河流寬度在10～20 m之間，平均流量為0.5 m3/s 。

1.2 試驗方案

本文所基于的試驗開始于2013年11月，2014年3月底結(jié)束越冬期跟蹤監(jiān)測。

監(jiān)測內(nèi)容：河流地表水溫度、河床基底介質(zhì)溫度、當(dāng)?shù)貧鉁?、溫室室?nèi)外氣溫在整個越冬期內(nèi)的變化過程。

監(jiān)測頻次：在歷時5個月的越冬期內(nèi)，每隔7～10 d測試一次；在每個監(jiān)測日，每2 h監(jiān)測一次，其測試時間點分別為0∶00，2∶00，4∶00，6∶00，8∶00，10∶00，12∶00，14∶00，16∶00，18∶00，20∶00，22∶00和24∶00。

監(jiān)測方法與儀器設(shè)備：氣溫、河流地表水溫度均采用溫度計直接測定。在河流表面未形成冰蓋之前，溫度計直插河流水體表表面下0.05 m處；在河流表面形成冰蓋之后，首先打破冰蓋，其次將溫度計插入河流水體表表面下0.05 m處進行測定。河床介質(zhì)的溫度測定采用熱敏電阻法，將熱敏電阻預(yù)先埋設(shè)到河床介質(zhì)中，用數(shù)字萬用表測定電阻值后，采用公式(1)換算成溫度值。UT-56型數(shù)字萬用表測量電阻時量程為200 歐～20 M歐，其測量精度為±(0.8%+5)，精確值達(dá)到0.02 ℃，完全能滿足本實驗的研究要求。

(1)

式中：Rx，R25為實時實測電阻和溫度為25 ℃時的電阻值，Ω；x為實時溫度值，℃；B為常數(shù)，一般取3 000。

2 結(jié)果與分析

2.1 越冬期河流地表水溫度的日變化特性

對于中國北方地區(qū)的河流，越冬期可分為非結(jié)冰期和結(jié)冰期兩個階段。非結(jié)冰期：當(dāng)氣溫變化時，河流水面不結(jié)冰或部分結(jié)冰，河流水面的大部分與大氣接觸，地面水溫會隨之發(fā)生相應(yīng)變化；結(jié)冰期:河流表面全部結(jié)冰，形成一定厚度和連續(xù)的冰層，稱這個時期為結(jié)冰期。監(jiān)測年越冬期間，小東川河河流表面在12月上旬開始結(jié)冰，到1月底河流表面冰層解凍。根據(jù)實測資料可知，2013.12.10-2014.1.31河流水表面凍結(jié)，形成一定厚度的冰層，為結(jié)冰期?，F(xiàn)在測試周期中，分別選取非結(jié)冰期和結(jié)冰期具有代表性的一天，作水溫與氣溫的日變化過程圖，如圖1和圖2所示。

圖1 非結(jié)冰期河流地表水水溫、氣溫日變化過程圖Fig.1 The diurnal variation of air temperature and surface river temperature during non-freezing period

圖2 結(jié)冰期河流地表水水溫、氣溫日變化過程圖Fig.2 The diurnal variation of air temperature and surface river temperature during freezing period

由圖1和2可以看出：

(1)無論結(jié)冰期還是非結(jié)冰期，水溫也呈余弦形式變化，但其日變化幅度遠(yuǎn)小于氣溫的變化幅度。擬合非結(jié)冰期和結(jié)冰期河流地面水水溫隨時間變化的規(guī)律，如式(2)、(3)所示：

非結(jié)冰期：

T=5.6+2.1cos(πt/43 200-4/3π)R2=0.91

(2)

結(jié)冰期：

T=-3.00+0.60cos(πt/43 200-17/12π)R2=0.87

(3)

式中：T為河流地面水水溫，℃；t為時間，s，以0∶00點為起始時間。

非結(jié)冰期內(nèi)，氣溫的日變化幅度是水溫的3.17倍；結(jié)冰期內(nèi)，氣溫的日變化幅度是水溫的5.58倍。分析認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于水、氣物質(zhì)比熱的不同。當(dāng)溫度為0 ℃，大氣壓為1個大氣壓時，水的比熱為4.2 kJ/(kg·℃)，空氣的比熱為1.005 kJ/(kg·℃)，水的比熱為空氣的4.18倍。在接受或釋放相同熱量的情況下，水的比熱大，溫度變化范圍小，且溫度變化速度慢，而空氣反之。這就導(dǎo)致了無論是在結(jié)冰期還是非結(jié)冰期，水溫的日變化幅度都小于氣溫的日變化幅度。

(2)非結(jié)冰期，水溫的變化趨勢與室外氣溫的變化趨勢一致，但略有滯后。氣溫從夜間0∶00開始，持續(xù)下降，在凌晨4∶00左右達(dá)到最低值；水溫也隨氣溫呈持續(xù)下降的趨勢變化，而水溫達(dá)到最低值比氣溫滯后4 h，在8∶00才達(dá)到最低值。4∶00之后，氣溫持續(xù)上升，在中午14∶00左右達(dá)到最高值，水溫也隨氣溫持續(xù)上升，水溫達(dá)到最高值比氣溫滯后2 h，在16∶00達(dá)到最高值。之后，水溫和氣溫持續(xù)降低，以此以日為單位循環(huán)往復(fù)。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因主要在以下3個方面：在夜間0∶00到4∶00之間，河流地表水水溫高于氣溫。由于在夜間，無太陽輻射，水體與空氣之間的主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)。水溫高于氣溫，導(dǎo)致了熱量由水體向空氣傳遞。氣溫在4∶00左右達(dá)到最低值，隨后迅速上升。但此時，氣溫仍舊低于水溫，水體依舊在向空氣釋放熱量，水體溫度持續(xù)下降，在8∶00才達(dá)到最低值，比氣溫達(dá)到最低值的時間滯后了4 h。在早晨7∶00左右時，水溫曲線和空氣溫度曲線相交，說明此時氣溫與水溫相等，溫度梯度為0，水體與空氣之間無熱量交換。早晨7∶00之后，氣溫高于水溫，溫度梯度的方向改變，水體從空氣吸收熱量。氣溫在14∶00左右達(dá)到最高值之后開始下降，但此時氣溫仍舊高于水溫，空氣依舊向水體釋放熱量，水體溫度得以持續(xù)上升，在16∶00左右達(dá)到最高值，比氣溫達(dá)到最高值的時間滯后了2 h。所以，出現(xiàn)了水溫達(dá)到極值的時間都要落后于氣溫達(dá)到極值時間的滯后現(xiàn)象。另一方面，在當(dāng)?shù)貧鉁亟档阶畹椭抵埃瑴囟冉档偷乃俾蕿?.28 ℃/h；而在氣溫上升到最大值之前，氣溫上升的速率為1.26 ℃/h。根據(jù)傳熱學(xué)可知，傳遞熱量的多少取決于導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度的大小。在導(dǎo)熱系數(shù)一定的情況下，溫度梯度的大小決定了單位時間傳熱量的多少。溫度變化速率越大，溫度梯度增大速度越快，單位時間通過單位面積的傳遞熱量越多，溫度變化幅度越大。氣溫上升的速率為氣溫下降速率的4.5倍，隨著氣溫的逐步升高，溫度梯度也逐步增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣溫降低時氣溫與水溫的梯度，所以水溫達(dá)到最低值的時間比達(dá)到最高值得時間要長。

此外，白天和夜間的傳遞熱量的方式也是出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因之一。熱能的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流傳熱以及熱輻射。而當(dāng)兩個物體之間溫差不大時，可以忽略熱輻射，在此忽略水體和氣體之間的熱輻射。對于對流傳熱，本文研究的是熱量在垂直方向的傳遞，與水體流動方向垂直，認(rèn)為可以忽略對流換熱的影響。在夜間沒有太陽輻射，傳熱的方式僅僅有熱傳導(dǎo)，所以溫度下降幅度和速度都較小，而在白天，太陽輻射是空氣和水體熱量的主要來源，傳熱的方式也由熱傳導(dǎo)和對流換熱增加為太陽輻射和熱傳導(dǎo)，熱量傳遞方式的增多導(dǎo)致了熱量來源明顯增大。這就導(dǎo)致了與之直接接觸的河流淺層地表水在凌晨氣溫達(dá)到最低值之后，依然在緩慢下降，4 h之后才降到了最低值；而中午時刻氣溫迅速升高，水溫也隨之升高，由于氣溫升溫的速率和幅度都很大，所以與之接觸的河水也迅速升溫，在氣溫達(dá)到最高值之后僅僅2 h水溫就達(dá)到了最大值。

(3)結(jié)冰期河流地表水溫度在整日內(nèi)都高于當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁兀诜墙Y(jié)冰期，日間8∶00-18∶00約10 h的時間內(nèi)，氣溫是大于河流地表水溫度的，其余時間則相反；結(jié)冰期，水溫的變化趨勢與室外氣溫的變化趨勢一致，但水溫處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，基本維持在-3.6 ℃左右。氣溫和水溫在早晨8∶00左右達(dá)到最低值，在中午12∶00左右同時達(dá)到最高值。水溫在整日內(nèi)維持比較穩(wěn)定的狀態(tài)，日變幅僅為1.2 ℃；而在結(jié)冰期，日變幅為4.2 ℃，為非結(jié)冰期的3.5倍。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有以下兩點：

(1)結(jié)冰期的氣溫低于非結(jié)冰期的氣溫，雖然水溫會受氣溫的影響，但是水的比熱較大，儲熱能力強，所以在結(jié)冰期，水溫較非結(jié)冰期沒有大幅度下降。

(2)與河流地表水接觸的河床介質(zhì)熱量源源不斷的供給和冰蓋及其下部薄層空氣隔熱作用是結(jié)冰期水溫維持穩(wěn)定，水溫大于氣溫的關(guān)鍵因素。圖3為越冬期間凍結(jié)期河流斷面介質(zhì)分層與溫度圖。在結(jié)冰期，河流斷面介質(zhì)從上到下可以分為5個層次：第一層是河流表面冰層以上的空氣，其下是河流表面形成的一定厚度的冰層、冰層下一定厚度的薄層空氣、河流地表水，河流地表水下部是河床砂卵石介質(zhì)。如圖3所示，這5個層次的溫度分布為：空氣<冰蓋<冰層下薄層空氣<河流地表水<河床介質(zhì)，溫度依次增高。溫度梯度的方向決定熱量傳遞的方向，熱量傳遞的方向是河床介質(zhì)→河流地表水→冰層下薄層空氣→冰蓋→空氣。結(jié)冰期河床介質(zhì)的溫度和水溫都維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可以認(rèn)為溫度梯度是一定的，且河床飽和多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)也是一定的。在溫度梯度和導(dǎo)熱系數(shù)都維持不變的狀況下，導(dǎo)致了單位時間內(nèi)，單位河床介質(zhì)面積補給河流地表水水體的熱量維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即河床介質(zhì)源源不斷地補給河流地表水水體熱量。

圖3 結(jié)冰期河流地表水分層與溫度示意圖Fig.3 Surface river stratification and temperature in freezing period

為了更方便分析河床介質(zhì)對河流水體熱量的補給，把上述5層介質(zhì)之間的熱量傳遞過程簡化為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。由導(dǎo)熱的基本定律傅里葉定律[17]可知：

(4)

在溫度為0 ℃時，冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.22 W/(m·K)，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.55 W/(m·K)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W/(m·K)。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，可以計算單位時間單位面積上，河床介質(zhì)對河流水體的熱量補給為50.6 W/m2；河流水體向冰層下薄層空氣的熱量傳遞值為1.4 W/m2；冰層下薄層空氣向冰蓋的熱量傳遞值為133.2 W/m2；冰蓋向空氣的熱量傳遞值為2.0 W/m2。河流水體向冰層下薄層空氣的熱量傳遞值最小，起到了隔熱的作用，而河床介質(zhì)對河流水體的補給量較大，起到了為河流水體提供熱量補給的作用，水體向上的熱量散失小，從河床介質(zhì)吸收熱量大，使得水體溫度能一直維持在-3.6 ℃左右。

2.2 越冬期典型日河流地表水水溫與氣溫的相關(guān)模型

為進一步探求河流地表水水溫與當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁刂g的關(guān)系，作測試周期內(nèi)所有測試日期內(nèi)水溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系圖如圖4和圖5。

圖4 非結(jié)冰期河流地表水溫度與氣溫相關(guān)關(guān)系圖Fig.4 The relationship between surface river temperature and air temperature in non-freezing period

圖5 結(jié)冰期河流地表水溫度與氣溫相關(guān)關(guān)系圖Fig.5 The relationship between surface river temperature and air temperature in freezing period

無論是在非結(jié)冰期還是結(jié)冰期，河水水溫與氣溫呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)分別為0.958和0.931，相關(guān)系數(shù)都在0.9以上，相關(guān)關(guān)系密切?？梢杂卯?dāng)?shù)匾蝗諆?nèi)某個時刻的氣溫預(yù)測研究區(qū)同時刻的河水溫度。

2.3 河流地表水溫度季節(jié)變化特性

河流地表水溫度除了有明顯的日變化之外，還有明顯的季節(jié)變化。圖6為越冬期間河流地表水溫度、氣溫的季節(jié)變化示意圖。

由圖6可以看出：

(1)在整個越冬期內(nèi)，水溫的日平均值均大于氣溫的日平均值，而且，隨著氣溫的降低，溫差逐漸增大。整個越冬期，河流地表水水溫維持在-3.5～2.6 ℃之間，平均溫度為-0.9 ℃。氣溫維持在-16.0～-3.5 ℃之間，平均溫度為-10.1 ℃。在結(jié)冰期，整日內(nèi)水溫均大于氣溫，水溫日均值必然大于氣溫日均值。而在非結(jié)冰期，水溫在夜間大于氣溫，在白天小于氣溫，但是水溫大于氣溫的幅度大于水溫小于氣溫的幅度，選取非結(jié)冰期內(nèi)的一個典型日，如表1所示。水溫與氣溫之差，正值表示水溫大于氣溫，負(fù)值表示氣溫大于水溫，水溫與氣溫之差的均值為1.7 ℃。所以總體來說非凍結(jié)期水溫日均值大于氣溫日均值。

圖6 河流地表水日平均水溫、氣溫的季節(jié)變化圖Fig.6 The seasonal variation of daily average water temperature and air temperature

圖7 不同時期河流地表水日平均水溫、氣溫相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 The relationship between daily average river temperature and air temperature

表1 非凍結(jié)期水溫與氣溫的比較 ℃Tab.1 Comparison of water temperature and air temperature in non-freezing period

河流地表水的熱量來源主要是太陽輻射空氣熱交換以及河床介質(zhì)的熱量補給。在非結(jié)冰期，河流地表水溫度變化在較大程度上受太陽輻射以及氣溫變化的影響。但是在結(jié)冰期，由于河流地表水表面以上冰蓋的形成，河流地表水水溫在受太陽輻射的同時，河床介質(zhì)熱量補給作用成為主導(dǎo)。

(2)地表水溫度與氣溫間具有較好的直線相關(guān)關(guān)系。作測試周期內(nèi)日均值水溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系圖，如圖7所示，河流地表水溫度與氣溫具有較密切的線性相關(guān)關(guān)系。令河流地表水溫度為T水，當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁貫門氣，其擬合方程如式(7)所示，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.933。因此可見，在越冬期間，可以利用當(dāng)?shù)厥彝鈿鉁亟乒浪愫恿魉吹?---河流地表水溫度。

T水=0.458T氣+3.696，R2=0.933

(5)

3 結(jié) 論

(1)無論是在非結(jié)冰期還是非結(jié)冰期，河流地表水溫度遵循隨以零點為起始時間的余弦函數(shù)日規(guī)律變化過程，但其幅度遠(yuǎn)小于氣溫的變化幅度。在非結(jié)冰期，水溫的變化趨勢與室外氣溫的變化趨勢一致，但高低溫度峰值略有滯后；而在結(jié)冰期，水溫的變化趨勢也與室外氣溫的變化趨勢一致，但水溫處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，峰值滯后狀態(tài)不明顯。在越冬期不同時期，河床砂卵石介質(zhì)對河流地表水的熱量補給作用、河流表面冰蓋及薄層空氣的隔熱作用和不同介質(zhì)比熱的差異是以上河流地表水水溫變化特性產(chǎn)生的關(guān)鍵原因。

(2)無論在結(jié)冰期還是非結(jié)冰期，氣溫是影響河流地表水溫度日變化的主要因素。氣溫日變化與河流地表水溫度日變化具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，擬合出了不同狀況下水溫與氣溫之間的線性模型，非結(jié)冰期和結(jié)冰期水溫和氣溫的線性相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.9以上，非結(jié)冰期的相關(guān)系數(shù)略大于結(jié)冰期。用所建立的越冬期非結(jié)冰期和結(jié)冰期經(jīng)驗?zāi)Ｐ停阅硞€時刻的氣溫預(yù)測同時刻的河水溫度是可行的。

(3)河流地表水溫度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，與氣溫的變化趨勢一致，呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)達(dá)到了0.933。因此，可用越冬期日平均氣溫預(yù)測河流地表水溫度，為日光溫室灌溉水取用、管理提供理論依據(jù)。

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