CN102841039B - 水库水面温室气体通量多点同步测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水面气体排放测量的水库水面温室气体通量多点同步测量方法及相应装置，该方法通过分散布置多个测量点，以聚类抽样的原理进行预测量以评估测量区域的特征，切换相应的测量模式；通过多点同步取样，得到代表性较好的样本，经仪器测量结果传入数据处理单元，数据处理单元可通过控制混合装置控制气体样本的混合方式，实现快速测量与精确测量模式的转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种水面气体排放通量监测方法和装置，尤其适用于在水库等缓流状态下的水-气界面的温室气体排放或吸收的快捷测量。
背景技术
静态箱法是一种原理简单、方便操作的水气界面气体通量观测方法。该方法在水体表面放置一个顶部密封、底部中通的箱体, 收集表层水体以扩散方式排放的二氧化碳和甲烷等待测气体, 每隔一段时间测量箱体中待测气体的浓度,根据浓度随时间的变化率来计算被覆盖水域待测气体的排放通量。静态箱法由于成本低、便携性好、与在线分析仪器联接便利而得到广泛应用。但目前静态箱法都采用单点采样的方法，一般使用一个薄金属圆筒，放置在一个汽车内胎大小的轮胎浮在水面上，箱体的大小并没有统一标准。而箱体尺寸过大或过小都会对准确测量造成干扰：采用大体积的箱体对观测对象扰动较明显，尤其是改变了观测水面上方的压力，易影响水体与大气之间的气体交换过程，从而使测量结果偏离真实；采用小体积箱体测量，由于其质量小，在波浪作用下容易发生漂移或颠簸漏气从而影响测量结果的准确性。
由于温室气体排放有着极大的空间不均匀性，测量结果的代表性必须加以重视，尤其是根据短时间箱法散点观测的结果推算区域时更应慎重，而目前所见的静态箱法只能获得单点的数据，其覆盖面积很小，所得到的测量空间分布特征的随机性很大。例如，温室气体甲烷的释放量和水深有关，一般靠近岸边浅水处甲烷释放通量较大。 Rosa 等研究发现在Samuel 水库，水深小于5m 的地方甲烷通过气泡的排放量在60-70 mg/(m2·h)之间变化，而水深大于5m 的地方排放量是2mg/(m2·h)，深水处甲烷排放量远远低于浅水处。原因是细菌在缺氧环境中分解有机物会产生甲烷，在浅水处，当CH4 浓度超过其溶解度时直接通过鼓泡排入大气；在深水处，由于沉积物-水界面以上氧气浓度明显增加，库底产生的甲烷在上升过程中通过鼓泡或者扩散排放的有一部分在氧跃层和含氧-缺氧界面会被CH4 氧化菌氧化成二氧化碳而迅速减少。浅水区特别是水陆交接带的地理环境通常比较复杂，温室气体排放空间不均匀性尤为突出，使用箱法测量估计区域温室气体排放时，除了加密测量点多次测量目前尚无很好的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可准确测量水面，特别是河流、湖泊、水库等流速较缓的水体水面温室气体通量，操作便捷、灵活性好的水库水面温室气体通量多点同步测量方法和装置，尤其适用于岸边浅水区等温室气体排放空间差异性比较高的水域。
为实现上述目的，本发明提供了一种水库水面温室气体通量多点同步测量方法，该方法包括：由测量单元分组取样，气样送入混合装置经混合后送入气体分析仪器，测量结果由数据处理单元计算处理。
优选地，可对目标区域进行预测量，测量时分两组取样，由数据处理单元对两组数据进行对比，通过分析其差异性选取相应测量模式。上述预测量的过程是这样的，对两个测量组分别取样并读取相应的温室气体浓度，运行判别程序比较两组测量结果的值（以CO2的浓度为准），计算其标准差σ，与设定的允许误差ε（ε=5%）比较，选择适合的测量模式，并对目标区域定义一个特征值标示其均一性。其原理如下表所示：
| 目标区域均一性 | 标准差σ | 测量模式 | 定义特征值 |
| 好 | <ε | 快速测量 | 0 |
| 较好 | =ε | 快速测量 | 1 |
| 较差 | >ε | 精确测量 | σ/ε |
快速测量模式下认为测量对象的均一性较好，对两个测量组交替取样测量，作为该时刻测量区域的温室气体通量值，此时两组气样有很好的一致性，既有充分的时间达到均匀混合，又可节约测量时间；精确测量模式下认为测量对象的均一性较差，对所有测点同时取样测量均值，取样间隔为快速测量模式的两倍。
特征值表示了测点区域温室气体排放空间均匀性的好坏，可以通过计算机的分析为合理布点提供参考：比如，若几个相邻测量点特征值较大，可以在中间加密测一个点；若几个测点特征值为0，可以考虑减小布点密度，降低测量成本。
优选地，测量时采用多点同步取样的方式抽取气样。
本发明还提供一种实现上述的水库水面温室气体通量多点同步测量方法的装置，包括测量箱体、辅助浮架和混合装置，其特征在于，测量箱体为密闭结构，上表面设置气样孔，测量管线的一端通过气样孔与测量箱体相连，另一端与测量仪器相连；测量箱体固定于辅助浮架上；混合装置由带有电磁阀通道、、气样缓冲腔和控制电磁阀开关的控制器组成，带有电磁阀的通道、在一端相通，并与气样缓冲腔连通，气样缓冲腔另一端设有出口通道，由出口通道引出导气管线与气体分析仪器的进、出气口连接。
优选地，包括多个测量箱体，通过连接装置组合连接，使得多个箱体形成一个测量组。
优选地，多个测量箱体经过测量管线连接到混合器，再连接到气体分析仪器。
本发明还提供利用上述装置多点同步测量水库水面温室气体通量的方法，该方法包括如下步骤：
㈠将不少于个的测量箱体用辅助浮架连接好，放置在目标水面上将多个测量箱体根据聚类抽样原则均匀的分成两个测量组；
㈡将塑料导气管即测量管线与箱体完全密闭连接，多条测量管线连接到混合装置的两组进口上，待测量单元稳定后，连接好测量管线，保持混合装置在三通道都不连通状态，预读取过程，使用自动监测仪分别读取两个测量组的温室气体浓度，选择对应的测量模式并记录目标区域的特征值，然后由数据处理单元控制混合装置切换通道从而完成正式测量过程；
㈢测量结果传入数据处理单元进行计算和处理，温室气体分析仪现场实时观测浓度变化，可以获得箱内温室气体浓度随时间的变化，温室气体扩散通量可利用线性回归的方法得到。
优选地，上述方法步骤㈡中，若采用快速测量模式，预测量所得数据的平均值作为第一组测量数据，控制混合装置分别连通通道、或通道，对两个测量组交替取样测量，使用自动监测仪间隔取样，每组测量结果均作为本次测量数据。
优选地，上述方法步骤㈡中，若采用精确测量模式，控制混合装置连通三个通道，对所有测点同时取样测量均值。
优选地，上述方法步骤㈢中，所述数据处理单元是一台计算机，计算机内安装有温室气体监测软件，和预测量的判断程序，负责计算并记录测量数据，并配有与控制器配对的无线信号发射装置，以控制气样通路。
使用上述装置测量方法是：①将若干个测量箱用辅助浮架连接好，放置在目标水面上；②将多个测量箱均匀的分为两组，分别与混合装置的两组接口连通；③对目标水域进行预测量，并对目标区域定义一个特征值，记录在数据处理单元；④通过计算机自动控制气体通路，开始正式测量；⑤计算温室气体排放通量并显示。
本发明的有益效果是：①采用小容积测量箱体，有利于箱体内气体易在短时间内混合均匀，每次气体取样的时间间隔较短；②考虑到温室气体排放的时空不均匀性，多点采样覆盖面积大，使多点气样混合后取样更接近自然状态，使得测量结果更有代表性，从而可以减少布点密度；③使用快速测量和精确测量两种模式，适应不同的测量环境。经过预测量过程的判断，在保证测量精度的前提下节约测量时间，降低工作强度；④使用辅助浮架相比传统方法中使用的泡沫板对水面扰动更小，避免了与表面水体摩擦而导致额外的温室气体释放，同时亦可有效保持装置的整体性和稳定性，布置方便灵活。
附图说明
图1为本发明的工作原理框图。
图2为测量单元的实施组装图。
图3为测量箱体和混合装置的结构示意图。
图4为采用本发明对长江中游某支流河道进行温室气体排放监测的温室气体CO2的24小时通量变化图。
图5为采用本发明对长江中游某支流河道进行温室气体排放监测的温室气体CH4的24小时通量变化图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种水库水面温室气体通量多点同步测量装置，结构如图3所示，包括测量箱体1，箱体外设有辅助浮架2，多个测量箱体1可以通过助浮架2的联结形成一个测量组，箱体与测量仪器通过测量管3线连接，其中：测量箱体为一底面直径25cm，高20cm的塑料材料的圆桶，筒壁厚度为2mm左右，其表面完全覆盖锡箔反光材料层，箱体上设有两个直径4mm的气样孔6。测量箱体1外部设有辅助浮架2，其中心部分为内径35cm，厚约2cm的塑料材质的环状结构，四个支脚为可调节的直径约2cm的空心塑料杆，长度约35cm；箱体通过螺钉固定在辅助浮架中心，浮架固定的高度一般在距离箱体下沿约3cm处；相邻浮架之间通过有弹性的橡胶管或者固定夹等连接装置联结起来，使得多个测量箱形成一组。测量管线3通过气样孔6与测量箱体1连通，测量管线3是可连接在气样孔6上的塑料导气管，多条测量管线通过混合装,4并联，引出一条总管线连接到仪表。
混合装置4由带有电磁阀的通道13、14和一个直径12mm，长20mm的塑料腔组成。用电磁阀控制通路，气样在气体缓冲腔11里均匀混合，装置的出口通道12引出一条总线与气体分析仪器的进、出气口连接。电磁阀由与之相连的控制器供给电信号控制。控制器5内置无线信号接收装置和D/A转换器，将无线信号转换为电信号。控制器接受数据处理单元的无线电控制，控制器装有电池作为电源。数据处理单元可以是一台计算机，计算机内安装有温室气体监测软件，和预测量的判断程序，负责计算并记录测量数据，并配有与控制器配对的无线信号发射装置，以控制气样通路。
使用水库水面温室气体通量多点同步测量装置的方法：首先将测量单元的若干个测量箱体1用辅助浮架2连接好，放置在目标水面上，辅助浮架上绑一根长10m的用于固定箱体1与监测船舶的细绳；测量单元包括多个测量箱体1，箱体数量不少于4个。将多个测量箱体均匀的分成两个测量组，分组方法遵循聚类抽样的原则,即距离相近的箱体分到相异组。将塑料导气管即测量管线3与箱体完全密闭连接，多条测量管线连接到混合装置4的两组进口上。待测量单元稳定后，连接好测量管线，保持混合装置在三通道都不连通状态，静置15分钟后开始预读取过程，使用自动监测仪分别读取两个测量组的室气体浓度，选择对应的测量模式并记录目标区域的特征值。然后由数据处理单元控制混合装置切换通道从而完成正式测量过程。若采用快速测量模式，预测量所得数据的平均值作为第一组测量数据，控制混合装置分别连通通道12、13或通道12、14，对两个测量组交替取样测量，使用自动监测仪(NDIR 或FTIR )取样间隔约10秒，每组测量结果均作为本次测量数据；若采用精确测量模式，控制混合装置连通三个通道，对所有测点同时取样测量均值，取样间隔为模式1的两倍。测量结果传入数据处理单元进行计算和处理，温室气体分析仪现场实时观测浓度变化，可以获得箱内温室气体浓度随时间的变化，温室气体扩散通量可利用线性回归的方法得到，计算公式如下：
式中，F为气体通量，mg/( m2·d)；K为时间浓度关系图中的浓度斜率, 10-6/min；F1为10-6与μg·m3的转换系数(CO2为1798.45； CH4为655.47，N2O为1798.56)；F2为分钟与天的转换系数,F2=1440；V为进入浮箱的空气体积,m3；S为水上部分浮箱的表面积( 包括浮箱的顶面、侧面),m3；F3为μg与mg的转换系数,F3=1000。
测量箱体1为一底面直径25cm，高20cm的塑料材料的圆桶，筒壁厚度为2mm左右，其表面完全覆盖锡箔反光材料层；箱体外部设有辅助浮架2，其中心部分为内径35cm，厚约2cm的塑料材质的环状结构，四个支脚为可调节的直径约2cm的空心塑料杆，长度约35cm；箱体通过螺钉固定在辅助浮架中心，浮架固定的高度一般在距离箱体下沿约3cm处；相邻浮架之间通过有弹性的橡胶管或者固定夹即连接装置7联结起来，使得多个测量箱形成一组；在箱体1上部开设有直径4mm的圆孔即气样孔6；测量管线3是可连接在气孔6上的塑料导气管。
混合装置由带有电磁阀的通道13，带有电磁阀的通道14（或者用一个四位三通电磁阀代替），出口通道12和一个直径12mm，长20mm的塑料空腔11组成。装置的出口通道12引出一条总线与气体分析仪器的进、出气口连接。控制器5内置无线信号接收装置和D/A转换器，将无线信号转换为电信号，控制混合装置中的电磁阀。控制器装有电池作为电源。数据处理单元可以是一台计算机，计算机内安装有温室气体监测软件，和预测量的判断程序，负责计算并记录测量数据，并配有与控制器配对的无线信号发射装置，以控制气样通路。
本发明的实验：使用本发明方法和装置测量长江中游某支流河道的温室气体排放：
选取长江中游某支流河道一小块区域进行监测，共使用6个通量箱成两排布置，监测从上午11:00到次日早上11:00，同时监测CO2与CH4排放情况。12:00之前为阴天后天气转晴，太阳辐射变强，当日平均气温为29.6℃。得到24小时内 CO2和CH4通量值变化图，如图4和图5所示。正值表示气体从水体向大气排放，负值表示水体吸收大气中气体。
可以看出该监测点昼间吸收大气中的CO2，夜间向大气排放，昼间水体的平均吸收通量为1.31mg/(m2·h)，夜间的平均排放通量为2.63mg/(m2·h)，日变化通量为6.62mg/(m2·h)；全天均释放甲烷，水体为大气甲烷的源，从上午10:00 开始甲烷通量呈上升趋势，到下午15:00 达到最大值0.24mg/(m2·h)，之后随着时间的变化呈现降低趋势，白天甲烷释放通量维持在0.08-0.24mg/(m2·h)，夜晚甲烷释放通量维持在0.05-0.1mg/(m2·h)，一天平均释放通量为0.098mg/(m2·h)。
应当说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明的范围，凡在本发明的精神和原则之内所作出的任何修改、等同的替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种水库水面温室气体通量多点同步测量装置，该装置为实现水库水面温室气体通量多点同步测量方法的装置，所述水库水面温室气体通量多点同步测量方法包括：由测量单元分组取样，测量单元包括多个测量箱体，气样送入混合装置经混合后送入气体分析仪器，测量结果由数据处理单元计算处理；对目标区域进行预测量，测量时分两组取样，由数据处理单元对两组数据进行对比，通过分析其差异性选取相应测量模式；测量时采用多点同步取样的方式抽取气样；
该水库水面温室气体通量多点同步测量装置包括测量箱体（1）、辅助浮架（2）和混合装置（4）；
其特征在于，测量箱体（1）为密闭结构，上表面设置气样孔（6），测量管线的一端通过气样孔（6）与测量箱体（1）相连，另一端与测量仪器相连；测量箱体（1）固定于辅助浮架（2）上；混合装置（4）由带有电磁阀的通道、气样缓冲腔（11）和控制电磁阀开关的控制器（5）组成，带有电磁阀的通道在一端相通，并与气样缓冲腔（11）连通，气样缓冲腔（11）另一端设有出口通道（12），由出口通道（12）引出导气管线与气体分析仪器的进、出气口连接。
2.根据权利要求1所述的水库水面温室气体通量多点同步测量装置，其特征在于：包括多个测量箱体（1），通过连接装置组合连接，使得多个测量箱体形成一个测量组。
3.根据权利要求2所述的水库水面温室气体通量多点同步测量装置，其特征在于，多个测量箱体（1）经过测量管线连接到混合装置，再连接到气体分析仪器。
4.使用权利要求1～3中任一项所述的装置多点同步测量水库水面温室气体通量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
㈠将不少于4个的测量箱体（1）用辅助浮架（2）连接好，放置在目标水面上，将多个测量箱体根据聚类抽样原则均匀的分成两个测量组；
㈡将塑料导气管即测量管线（3）与测量箱体完全密闭连接，多条测量管线连接到混合装置（4）的两组进口上，待测量单元稳定后，连接好测量管线，保持混合装置在三通道都不连通状态，预读取过程，使用自动监测仪分别读取两个测量组的温室气体浓度，选择对应的测量模式并记录目标区域的特征值，然后由数据处理单元控制混合装置切换通道从而完成正式测量过程；
㈢测量结果传入数据处理单元进行计算和处理，气体分析仪器现场实时观测浓度变化，获得箱内温室气体浓度随时间的变化，温室气体扩散通量利用线性回归的方法得到。
5.根据权利要求4所述的多点同步测量水库水面温室气体通量的方法，其特征在于，步骤㈡中，若采用精确测量模式，控制混合装置连通三个通道，对所有测点同时取样测量均值。
6.根据权利要求4所述的多点同步测量水库水面温室气体通量的方法，其特征在于，步骤㈢中，所述数据处理单元是一台计算机，计算机内安装有温室气体监测软件，和预测量的判断程序，负责计算并记录测量数据，并配有与控制器配对的无线信号发射装置，以控制气样通路。
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Legal Events
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Owner name: CHINA THREE GORGES CORPORATION Free format text: FORMER OWNER: DAI HUICHAO Effective date: 20150114 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 210098 NANJING, JIANGSU PROVINCE TO: 443002 YICHANG, HUBEI PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150114 Address after: 443002 Jianshe Road, Hubei, No. 1, Applicant after: CHINA THREE GORGES Corp. Address before: Xikang Road 210098 Jiangsu city of Nanjing province No. 1 Office of the president of Hohai University Applicant before: Dai Huichao |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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