CN103018410A - 河道水气界面气体通量在线测量装置 - Google Patents

Abstract

一种河道水气界面气体通量在线测量装置，涉及环境保护与资源综合利用领域。为了提高测量速度及精度，扩大通量箱测量方法的适用范围，本发明将多个通量箱通过挂绳、挂钩按高斯积分点的分布沿水流流向布置，并将通量箱逐个由通气软管、电磁通量阀与气体分析仪相连，同时通过电磁通量阀使各通量箱通气量之比按所在积分点的权重之比分配，可实现河道水气界面气体通量在线快速、准确测量。

Description

河道水气界面气体通量在线测量装置

技术领域

本发明涉及环境保护与资源综合利用领域，尤其涉及一种河道水气界面气体通量在线测量装置。

背景技术

为探明全球变暖条件下，水域中温室气体吸收及排入作用的变化及其对环境的影响，需要对水气界面的气体通量研究进行分析和研究。目前对水域中温室气体排放研究大部分是基于经过水面扩散到大气中的通量，长期以来，人们根据地表系统温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的基本特征和近地层大气中气体传输机制发展了各种温室气体通量监测方法，主要大类包括模型估算法（化学计量法）、通量箱法、微气象法、遥感反演法等，其中通量箱法价位适中，可以快速运输和布置，测试简单、精确，可以连接实时测量系统，是静水水域气体通量监测的常用方法。

在河道中，水流紊动剧烈，水气通量受风速、行船、人为干扰等影响较大，在时空分布上并不均匀，已有测量资料表明，在同一时刻，相邻两点的气体通量瞬时值可相差10倍以上，在湍流环境中，通量箱会上下、左右浮动，改变了气-水界面的湍动，也会影响单个箱体进行测量时的精度。现在有两种技术方案可改善该现象，一是增加通量箱的底面积，使其尽可能覆盖水体运动的影响范围；另一方案是使通量箱自由随湖和河面的水运动时进行测量。但若增大通量箱底面积，则携带不便，不适合长期的野外监测，同时会增加通量箱体积，造成取样时间过长，影响监测效率，再者也会增加通量箱壁和水表面的摩擦，过多人为改变湍流，测得的扩散通量会偏离实际。通量箱自由随湖和河面的水运动时进行测量则不易实现，一是实时在线测量的情况下，仪器笨重，不易和通量箱一起漂移，另外对于人为干扰较多的河道上，漂移方案无法规避行船、货轮等，易对测量人员及测量仪器造成伤害，因此需要采取新的方法及设备，改善河道中动力条件下水气界面通量测量精度的问题。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明克服现有技术的缺点，提供一种河道水气界面气体通量在线测量装置，改善测量精度，提高通量箱测量方法的适用范围。

根据本发明，提供一种河道水气界面气体通量在线测量装置，包括：多个通量箱；通量箱挂载绳，所述多个通量箱分别固定在所述通量箱挂载绳上；分析仪进口混气装置，每个通量箱的出气口分别连接到所述分析仪进口混气装置的分支输入气路，每个分支输入气路上分别设置有通量箱出口调节阀；分析仪出口分散装置，每个通量箱的进气口分别连接到所述分析仪出口分散装置的分支输出气路，每个分支输出气路上分别设置有通量箱进口调节阀；气体分析仪，所述气体分析仪的进气口和出气口分别与所述分析仪进口混气装置的输出气路和所述分析仪出口分散装置的输入气路连通。

优选地，所述通量箱进口调节阀和所述通量箱出口调节阀为电磁阀。

优选地，每个所述分支输入气路和每个所述分支输出气路的通气口径相同。

优选地，每个通量箱在所述通量箱挂载绳上的固定位置是能够调整的。

优选地，每个通量箱能够从所述通量箱挂载绳上拆下。

优选地，所述通量箱挂载绳上设有带夹片的活扣挂钩，所述挂钩通过夹片及螺丝可移动地固定在绳上，所述活扣挂钩可与通量箱通过活扣连接。

优选地，所述分析仪出口分散装置、所述通量箱进口调节阀、所述通量箱出口调节阀、所述分析仪进口混气装置与所述气体分析仪一起置于在监测船中，且置于所述气体分析仪附近。

本发明的有益效果是：沿水流方向布置多点进行实时在线监测，可有效减少水体流动及波动对单点采样结果造成的影响，保证测量精度，同时各装置可模块化组装，可根据实际需要增减通量箱数量，方便携带，易于在野外实时在线监测时实施。

附图说明

图1是本发明装置的模块连接框图；

图2是通量箱连接示意图；

图3是通量箱挂载绳结构示意图。

附图标记说明

1：通量箱2：通量箱挂载绳

3：通量箱进口电磁阀4-通量箱出口电磁阀

5：气体分析仪出口分散装置6：气体分析仪进口混气装置

7：通气软管8：气体分析仪

9：通量箱挂钩环10：夹片

11：活扣挂钩12：螺丝。

具体实施方式

根据本发明的河道水气界面气体通量在线测量装置通过沿水流方向同时布置多个通量箱，减弱单个点水气界面通量瞬时变化对测量精度的影响。为使多个通量箱能同时采样，并与分析仪器相连，该装置还包括通量箱挂载绳、通量箱进口电磁阀，通量箱出口电磁阀，分析仪进口混气装置、分析仪出口分散装置和分析仪，通量箱与调节阀、调节阀与分析仪进口混气装置及分析仪出口分散装置间优选为相同管径的通气软管连接。分析仪的进气口和出气口分别与分析仪进口混气装置的输出气路和分析仪出口分散装置的输入气路连通。调节阀可以采用本领域已知的用于调节气体通量的阀门，例如电磁阀。

通量箱固定在通量箱挂载绳上，优选地，可以采用可拆卸的固定方式和/或可移动的固定方式将通量箱固定在挂载绳上从而可以根据实际需要增减通量箱数量和/或调节通量箱在挂载绳上的固定位置，进而改变通量箱在挂载绳上的布局。所采用的固定方式可以是诸如夹紧、钩挂、绑缚等本领域已知的方式。

连接通量箱的挂载绳可以是一条或多条。通量箱在挂载绳上的排列可以是单列或多列。根据水文环境的需求，通量箱在挂载绳上可以采用串列、并列或者串并列混合的方式来布置。

本发明的使用绳来连接的方式也可以是使用刚性材料或刚性材料与柔性材料组合的方式来连接，以确保满足通量箱在测量过程中不随着水流改变的间距要求。

在实际测量当中，本领域技术人员可以根据水文环境或其他需求，确定所使用的通量箱的数量和布局。

在选择单列串列式通量箱布局时，可采用下述步骤进行河道水气界面气体通量在线测量：

1）为捕捉空间一点通量的随体变化，需要考虑水流输移作用的影响，因此首先测量待测水域水体流速V（以m/s计），再根据气体分析仪采样频率f，计算L1=V/f，其中L1为单个样点采样间隔中水流输移距离。

2）在河道中，由于行船、风、波浪等多种因素的影响，水面波动比较剧烈，相应由于水面波的卷吸、翻滚对水气表面气体通量的空间变化会造成较大的影响，因此，多样点的采集范围应大于水面上波高超过5cm（通量箱淹没在水下的深度）。因此测量前应估算动力条件下水域中小波高超过5cm的优势波的波长分布，确定优势波长λ，比较λ及L1的值，选其中较大值作为测量控制区域的值L，且应为挂载绳应有的最小有效长度。

3）为使通量箱能够在挂载绳上分布开来，通量箱的个数N应满足2≤N<L/D+1，其中D为通量箱直径。N=1时也是可行的，只是此时只有一个通量箱，与传统测量方法的情形一致。优选地，可以采用公式N=L/（5×D）+1结果取整确定所需要的通量箱的个数，若N>5，则取N=5。

4）调整通量箱在绳上的固定位置，使通量箱沿L分布满足高斯积分点的要求，即通量箱沿L分布应满足下表要求：

5）将各个通量箱连接到在线分析仪器的各个分支测量气路之中，从而能够将每个通量箱输出的气体混合之后送入气体分析仪，并且能够将气体分析仪输出的气体分配到每个通量箱中。开启仪器，调整各通量箱中通过的气体通量，使各通量箱中通过的气体通量之比满足上表中规定的权重之比。

6）将通量箱置于水中测量，可将挂载绳一端固定于监测船上，让挂载绳及通量箱在水流作用下自然延展。

下面参考图1-3，描述根据本发明的河道水气界面气体通量在线测量装置的优选实施例，其中通量箱的布置为单列串列方式。

如图1所示，河道水气界面气体通量在线测量装置包括多个通量箱1、通量箱挂载绳2、通量箱进口电磁阀3、通量箱出口电磁阀4、分析仪进口混气装置6、分析仪出口分散装置5，通量箱1与电磁阀2、3、电磁阀2、3与分析仪进口混气装置6及分析仪出口分散装置5间用相同管径的通气软管7连接，分析仪进口混气装置6和分析仪出口分散装置5分别与气体分析仪8的进气口和出气口连通。

如图3所示，通量箱挂载绳2上设有带夹片10的活扣挂钩11，挂钩11可通过夹片10及螺丝12固定在挂载绳2上，并且可以通过调节夹片10和螺丝12来调节挂钩的固定位置，活扣挂钩11可与通量箱通过活扣连接。

分析仪出口分散装置5、通量箱进口电磁阀3、通量箱出口电磁阀4、分析仪进口混气装置6与分析仪8一起，都在监测船中，且置于分析仪8附近。

下面结合上述河道水气界面气体通量在线测量装置，描述根据本发明的河道水气界面气体通量在线测量方法的优选实施例。针对现有技术测量精度不足及携带不便的根本需求，使用该装置在一河道中测量，实施方式如下：

1）测量水体流速得到流速V=1m/s，所用气体分析仪采样频率f＝1Hz，计算L1=2×V/f＝2m；

2）经观察，在测量期间水域水面较为平静，水面多为碎波，波长较小，优势波长λ约为0.5m，比较λ及L1的值，确定测量控制区域的值L=2m，相应绳长在水面上应有2m；

3）所用通量箱1直径D=30cm，为采用公式N=取整（L/（5×D））+1=int(200/150)+1＝3；

4）调整挂钩11在绳2上位置，使通量箱1间距沿L分布满足高斯积分点的要求，即：三个通量箱挂钩3距绳远端的距离依次分别为：1号箱0.2254m，2号箱1m，3号箱1.7746m；

5）从在线分析仪8器出气口依次通过通气软管7连接分析仪出口分散装置5、通量箱进口电磁阀3、通量箱1进口、通量箱1出口、通量箱出口电磁阀4、分析仪进口混气装置6及分析仪8进气口，将各通量箱1与分析仪8相连；

6）将各通量箱1分别挂到相应挂钩11，启动分析仪8，并调整电磁阀3、4，使各箱进出口电磁阀通量3、4相等，且各箱气体通量之比为：1号：2号：3号=0.55556：0.88889：0.55556；

7）将各通量箱1依次放入水中，使其沿水流分布，待平稳后即可测量读数。

结果表明，该测量装置和方法的测量结果快速、稳定、准确，且方便运输和布置，测试简单，可以连接实时测量系统，能有效改善测量精度，提高通量箱测量方法的适用范围。

除上述实施例外，本发明还可用于静水断面的快速测量及其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，包括：

多个通量箱（1）；

通量箱挂载绳（2），所述多个通量箱（1）分别固定在所述通量箱挂载绳（2）上；

分析仪进口混气装置（6），每个通量箱（1）的出气口分别连接到所述分析仪进口混气装置（6）的分支输入气路，每个分支输入气路上分别设置有通量箱出口调节阀；

分析仪出口分散装置（5），每个通量箱（1）的进气口分别连接到所述分析仪出口分散装置（5）的分支输出气路，每个分支输出气路上分别设置有通量箱进口调节阀；

气体分析仪（8），所述气体分析仪（8）的进气口和出气口分别与所述分析仪进口混气装置（6）的输出气路和所述分析仪出口分散装置（5）的输入气路连通。

2.如权利要求1所述的河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，所述通量箱进口调节阀和所述通量箱出口调节阀为电磁阀。

3.如权利要求2所述的河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，每个所述分支输入气路和每个所述分支输出气路的通气口径相同。

4.如权利要求1所述的河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，每个通量箱在所述通量箱挂载绳（2）上的固定位置是能够调整的。

5.如权利要求1所述的河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，每个通量箱能够从所述通量箱挂载绳（2）上拆下。

6.如权利要求4或5所述的河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，所述通量箱挂载绳（2）上设有带夹片（10）的活扣挂钩（11），所述挂钩（11）通过夹片（10）及螺丝（12）可移动地固定在绳上，所述活扣挂钩（11）可与通量箱通过活扣连接。

7.如权利要求1所述的河道水气界面气体通量在线测量装置，其特征在于，所述分析仪出口分散装置（5）、所述通量箱进口调节阀（3）、所述通量箱出口调节阀（4）、所述分析仪进口混气装置（6）与所述气体分析仪（8）一起置于在监测船中，且置于所述气体分析仪（8）附近。

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