CN102749228B - 浅水湖泊温室气体原位采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅水湖泊温室气体原位采集的方法及装置；由原位采气系统、气体贮存系统、气样采集系统等组成；原位采气系统能固定在湖泊底泥中，其上端连接气体贮存系统，气体贮存系统漂浮在水面上，并通过排水法收集底泥中释放的温室气体，经纯化的温室气体，通过塑料针筒打入真空铝箔袋中保存；该装置结构设计巧妙，操作简单，可以有效采集湖泊底泥中释放的温室气体，且采用排水法收集气体，能够排除装置中空气对采样过程造成的误差，具有较高的精准度。

Description

浅水湖泊温室气体原位采集装置

技术领域

本发明涉及一种浅水湖泊温室气体的原位采集装置，特别涉及了一种能够采集单位体积湖泊底泥内温室气体的装置。

背景技术

在社会不断进步，工业经济的不断发展的同时，人类也同样面临着生态系统破坏的问题。近年来，气候的反常不仅体现在极端天气（极冷和极热）的出现、旱涝灾害增加等问题上，还导致了全球范围内的冰川融化，海平面上升。大气中温室气体（CO₂、CH₄等）的增多，是导致上述问题的决定性因素。温室气体能够吸收太阳光中的长波辐射并再反射回地球，从而减少向外层空间的能量净排放，导致大气层和地球表面温度升高。

我国共有2000多个天然湖泊，大多为浅水湖泊（0-4m深）。研究表明浅水湖泊中的底泥有机质含量较高，在微生物和水体理化性的影响下，成为大气中温室气体的重要自然排放源，具有很好研究价值。已有的研究表明，大部分湖泊中的CO₂和CH₄相对于大气是过饱和的，在冬季，湖泊水体会蓄积大量的CO₂和CH₄，并在春夏季的融冰季节大量释放到大气中。与此同时，近年来，人类对湖泊强烈的干扰行为，导致了水体的严重富营养化和藻类爆发，生物残体累积量沉降速度增加，致使沉积物有机质含量增高和水体浊度增加，局部形成厌氧环境，为CO₂和CH₄的产生提供了条件。因此，分析湖泊沉积物产生、生源要素循环的同时，强化分析底泥中释放的温室气体通量，是全面了解湖泊物质循环规律、获取湖泊气体动力学及其与温室效应现象潜在关系的重要方向。

随着对温室效应的重视，对水田和沉积物中温室气体排放的研究较多。其中主要采用且多采用静态箱装置采集。与土壤-大气界面不同，湖泊界面主要采用底部开口，倒置且漂浮在湖泊上的箱体，“蹲点式”采集从湖泊底泥中上溢的温室气体。这种方式关注的是湖泊水—大气界面，无法原位采集湖泊底泥中的温室气体。温室气体主要由底泥中的微生物代谢产生，然后经过湖泊底泥-上覆水界面交换至水体，再经水体-大气界面交换作用而最终释放到大气中。因此，系统研究和分析温室气体释放的不同阶段特征，将有利于理解底泥中的温室气体特征，为削减自然温室排放提供依据。

采集湖泊底泥中释放的温室气体量有如下难点：1.泥—水界面位于湖泊的底层，无法通过常规的采样方式原位采集气体，且底泥中上溢的温室气体是无规律的扩散，难以采集且易被氧化；2.实验装置中的空气对采集的温室气体样品有很大的影响，如何精确获取释放气体量也是技术上的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够原位采集湖泊底泥温室气体的装置，该装置结构简单，操作方便，能固定在湖泊底泥中，于原位稳定地获取单位面积沉积物-水界面释放的温室气体。

本发明是通过以下技术实现的：

浅水湖泊温室气体原位采集装置，由原位采气系统、气体贮存系统、气样采集系统组成；其特征在于，原位采气系统与气体贮存系统由输气导管相连，原位采气系统固定在湖泊底泥上，气体贮存系统通过漂浮装置漂浮在湖面上；气样采集系统通过抽气管与气体贮存系统顶端相连，气体采集系统安置在采样船上，供实时采集气体样品用。

所述的原位采气系统通过模具制成，由塑料套管、圆柱形箱体、滤网、可伸缩式搅拌器、可伸缩式抓地棒等组成，圆柱形箱体底部开口，顶部与塑料套管相连，其右上部开有出气口；塑料套管内通过固定板装有可伸缩式搅拌器，搅拌器贯穿整个采气系统，下部装有四片搅拌板，需要搅拌时，伸入底泥中搅拌，不需要时，缩回箱体内；固定装置夹在圆柱形箱体底部四周，并连有可伸缩式抓地棒，抓地棒表面均匀刻有刻度，可以定量测量装置插入底泥的深度，其底部为正方形竹板；圆柱形箱体中上部装有滤网，以阻止可能的底泥上浮现象。采集气体样品的过程中，原位采气系统与湖泊底泥组合成一个密封系统，用来聚集从湖泊底泥中释放的温室气体。

所述的气体贮存系统由漂浮装置、集气箱、进气口、进水口、排水管等组成。所述的集气箱为立方体塑料密封箱体，箱体表面均匀刻有刻度，可准确测量排水量，其体积与圆柱形箱体相当，顶部连有进水管，进水管上安有阀门；集气箱顶部右方连有抽气管，供抽气采样用；集气箱底部左侧为进气口，右侧为排水管；整个集气箱安置在漂浮装置上。为防止倒吸，所述的排水管呈双U型。

所述的气体采集系统由抽气管、三通阀、塑料针筒及铝箔真空袋组成。所述的抽气管为透明硅胶管，外径0.4cm，内径0.3cm，一端连接气体贮存系统的集气箱，另一端连接三通阀的阀门1。所述的塑料针筒及铝箔真空袋大小容量根据实际需要而定。

本发明使用原位采气系统直接采集湖泊底泥中的温室气体，使用气体贮存系统收集纯温室气体，并通过三通阀阀门的开启及关闭，采用塑料针筒及真空铝箔袋采集气体样品。本发明的主要优点如下所述：

1.该采样装置通过可伸缩的抓地棒固定在湖泊底泥中，圆柱形箱体的下沿与底泥形成了一个封闭系统，能够有效的原位采集单位体积底泥中上溢的温室气体。

2.采气系统中装有可伸缩式搅拌棒，该搅拌棒能够伸入湖泊底泥内部，对底泥进行扰动搅拌，有利于底泥中温室气体的释放，为防止搅动过程中底泥颗粒上浮影响采气，在箱体中上部装有滤网；若不需要搅拌，可将搅拌棒缩入箱体内。

3.采用排水法纯化并收集温室气体，能够避免集气箱中空气对温室气体的影响。通过漂浮装置使集气箱漂浮在水面上，能有效的防止倒吸，保证通畅的进气及出水效果。

4.集气箱及可伸缩式抓地棒上都刻有刻度，能够定量的描述所测底泥的深度及排水的量，为采样过程提供精确的技术支持。

5.采用塑料针筒定量抽取温室气体，并使用铝箔真空袋保存，能够长时间稳定的保存气体样品，以供带回实验室分析用，提高了实验数据的精确度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是排水集气法水气流动示意图

图3是可伸缩式抓地棒与圆柱形箱体固定方式示意图

图中：1.可伸缩式搅拌器；2.塑料套管；3.固定板；4.圆柱形箱体；5.滤网；6.固定装置；7.可伸缩式抓地棒；8.出气口；9.输气导管；10.集气箱；11.进水口；12.阀门；13.漂浮装置；14.进气口；15阀门；16.阀门；17.排水管；18.抽气管；19.三通阀阀门1；20.三通阀阀门2；21三通阀阀门3；22.塑料针筒；23.铝箔真空袋

具体实施方式

本发明的结构如图1所示，主要由原位采气系统、气体贮存系统、气样采集系统等组成；原位采气系统与气体贮存系统由输气导管（9）相连，原位采气系统固定在湖泊底泥上，气体贮存系统通过漂浮装置（13）漂浮在湖面上；气样采集系统通过抽气管（18）与气体贮存系统顶端相连，气体采集系统安置在采样船上。

原位采气系统由塑料套管(2)、圆柱形箱体(4)、滤网(5)、可伸缩式搅拌器(1)、可伸缩式抓地棒(7)等组成，圆柱形箱体(4)底部开口，顶部与塑料套管(2)相连，其右上部开有出气口(8)；塑料套管(2)内通过固定板(3)装有可伸缩式搅拌器(1)，搅拌器贯穿整个采气系统，下部装有四片搅拌板，固定装置(6)夹在圆柱形箱体(4)底部四周，并连有可伸缩式抓地棒(7)，抓地棒表面刻有刻度，底部为正方形竹板；圆柱形箱体中上部装有滤网（5）。

气体贮存系统由漂浮装置（13）、集气箱（10）、进气口（14）、进水口（11）、排水管（17）等组成。所述的集气箱（10）为立方体塑料密封箱体，顶部连有进水口（11），进水管上安有阀门；集气箱（10）顶部右方连有抽气管（18），供抽气采样用；集气箱（10）底部左侧为进气口（14），右侧为排水管（17）。

气体采集系统由抽气管（18）、三通阀、塑料针筒（22）及铝箔真空袋（23）组成。所述的抽气管（18）为透明硅胶管，外径0.4cm，内径0.3cm，一端连接气体贮存系统的集气箱（10），另一端连接三通阀的阀门（19）。

本发明的排水集气水气流动方式如图2所示，集气箱（10）通过漂浮装置（13）浮在水面上，集气箱（10）顶部设有进水口（11），底部左侧设有进气口（14），右侧设有排水管（17），通过进水口（11）向集气箱（10）注水排尽箱内空气，然后开启阀门，采集到的气体通过进气口（14）进入集气箱（10），将箱内水从排水管（17）排出箱体，从而收集到纯净的温室气体，为防止倒吸，排水管（17）设计成双U型。

本发明的可伸缩式抓地棒与圆柱形箱体固定方式如图3所示，圆柱形箱体（4）和可伸缩式抓地棒（7）通过凹型固定装置（6）接合在一起，该装置共有四片凹形固定装置（6），分列在圆柱形箱体（4）的上下左右四处。

本次采样选择的湖泊是太湖流域,具体的操作步骤如下所示：将原位采气系统插入湖泊中，并缓缓下沉，使可伸缩式抓地棒插入底泥中。将气体贮存系统放置在近船处的水面上，打开进水管阀门，使集气箱中充满水，以排除箱内空气，此时，气体采集系统的三通阀阀门（19、20、21）均处于关闭状态。。

采集气体时，将可伸缩式搅拌器伸入至底泥中，轻轻转动搅拌器，搅拌底泥，此时，底泥中的温室气体慢慢溢出，通过箱体上部的出气口排出，通过输气导管进入集气箱中，气体上浮，慢慢将集气箱中的水从排水管仲排出，待集气箱中液面稳定时，读取液面刻度，并关闭排水管及进水口处的阀门，打开阀门（20）、阀门（21）、关闭阀门（19），用塑料针筒抽取气体样品，抽取完毕后，关闭阀门（21），打开阀门（19）、阀门（20），将塑料针筒中的气体样品转移至铝箔真空袋中，取下铝箔真空袋保存。

集完毕，将原位采气系统取出，通过抓地棒上的泥面读取其刻度，并记录。检查滤网通畅度，若部分被堵，用水冲洗；打开阀门（14）、（15），排出集气箱中的水，并以同样的方法采集下一个点的气体样品。

Claims (2)

1.一种浅水湖泊温室气体原位采集装置，由原位采气系统、气体贮存系统、气样采集系统组成；其特征在于：所述的原位采气系统与气体贮存系统由输气导管（9）相连，原位采气系统固定在湖泊底泥上，气体贮存系统通过漂浮装置（13）漂浮在湖面上；气样采集系统通过抽气管（18）与气体贮存系统顶端相连，气体采集系统安置在采样船上；

所述的原位采气系统由塑料套管（2）、圆柱形箱体（4）、滤网（5）、可伸缩式搅拌器（1）、可伸缩式抓地棒（7）组成，圆柱形箱体（4）底部开口，顶部与塑料套管（2）相连，其右上部开有出气口（8）；塑料套管（2）内通过固定板（3）装有可伸缩式搅拌器（1），搅拌器贯穿整个采气系统，下部装有四片搅拌板，固定装置（6）夹在圆柱形箱体（4）底部四周，并连有可伸缩式抓地棒（7），抓地棒底部为正方形竹板；圆柱形箱体中上部装有滤网（5）；

所述的气体贮存系统由漂浮装置（13）、集气箱（10）、进气口（14）、进水口（11）、排水管（17）组成；集气箱（10）为立方体塑料密封箱体，顶部连有进水口（11），进水管上安有阀门；集气箱（10）顶部右方连有抽气管（18），集气箱（10）底部左侧设有进气口（14），右侧设有排水管（17）；

所述的气体采集系统由抽气管（18）、三通阀（19、20、21）、塑料针筒（22）及铝箔真空袋（23）组成；所述的抽气管（18）一端连接气体贮存系统的集气箱（10），另一端连接三通阀的第一阀门（21），三通阀的第二阀门（19）连接铝箔真空袋（23），三通阀的第三阀门（20）连接塑料针筒（22）。

2.根据权利要求1所述的浅水湖泊温室气体原位采集装置，其特征在于：所述的抽气管（18）采用透明硅胶材料，外径0.4cm，内径0.3cm。

3.根据权利要求1所述的浅水湖泊温室气体原位采集装置，其特征在于：所述的可伸缩式抓地棒（7）及集气箱（10）上均刻有刻度。

4.根据权利要求1所述的浅水湖泊温室气体原位采集装置，其特征在于：所述的排水管（17）呈双U型。

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