CN103675230B

CN103675230B - 模拟温室气体泄漏对地表环境影响的实验装置和方法

Info

Publication number: CN103675230B
Application number: CN201310586020.7A
Authority: CN
Inventors: 蒋金豹; 迈克尔·D·斯蒂芬; 陈云浩
Original assignee: Beijing Normal University; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: Beijing Normal University; China University of Mining and Technology CUMT; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103675230A

Abstract

本发明提供了一种模拟地下储存温室气体（CO₂）泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置和方法，该装置包括：气体储存装置，计算机远程控制装置，气体分流装置，气体流量控制器。从气体流量控制器引出的管道连接至多个实验地块，多个实验地块之间间隔设置，且设置有多个对照实验地块。通过安装在实验地块的土壤CO₂气体监测管连接气体成分分析仪，用于测量土壤中CO₂气体的浓度。本发明的实验方法通过该装置测量实验地块的不同位置、不同深度土壤中的CO₂气体浓度，重复设置区的同一位置、同一深度测量结果取均值，然后通过差分方法，绘制出不同深度土壤中CO₂气体浓度分布图，进行仿真、定量模拟地下储存的CO₂气体泄漏对地表生态环境的影响。

Description

模拟温室气体泄漏对地表环境影响的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种模拟温室气体泄漏对地表环境影响的实验装置和方法，尤其是涉及一种模拟地下储存CO₂泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置和方法。

背景技术

随着全球气候变暖的不断加剧，人们逐渐认识到过量排放温室气体（CO₂）会引起气候变化。由于人类大规模使用化石燃料，大气中CO₂的浓度从工业革命前280ppm逐步上升到现在的384ppm，每年平均升幅达到1.9%。为了减缓全球气候变暖的速度，科学家提议采用碳捕捉和存储（CCS）技术把工厂、电厂等排放的CO₂气体进行捕捉、液化后储存到地下，以减少排放到大气中的CO₂量。但是把CO₂封存在地下具有泄漏的风险，CO₂通过裂缝、地质断层、埋藏井等泄漏进入地表土壤层，会对地表的土壤、植被、生态、环境造成影响。CO₂泄漏究竟会对地表土壤、植被、生态、环境造成什么程度的影响，需要进行模拟实验研究。2006年英国诺丁汉大学研究团队建立了一套模拟地下CO₂泄漏对地表植被影响的实验装置，在2008年Al-Traboulsi（Environmental and ExperimentalBotany，2012）以及蒋金豹（光谱学与光谱分析，2012；农业工程学报，2013）共同在实验装置上做了CO₂泄漏实验，但在实验过程中存在以下问题：（1）原装置气瓶直接通过管道与气体控制器连接，更换气瓶必须中断实验，无法确保泄漏实验24小时持续进行；（2）原装置泄漏管在实验田块内且距离北边缘中央60cm处，斜着向下插入地下，泄漏口位于实验田块中心地面以下60cm处，通气后大量CO₂气体沿着泄漏管外壁溢出，致使土壤中CO₂浓度分布不均匀，为地面测量点布设带来困难；（3）原装置仅测量地下15-30cm范围内土壤中CO₂浓度，但是由于CO₂气体密度大于空气，不同深度土壤中CO₂浓度分布会有变化，不能反映土壤中CO₂浓度的空间立体分布。

本发明提供了一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置和方法，克服了现有技术中存在的以上问题，可以人工控制模拟地下封存的CO₂气体泄漏速率、测量地表土壤中CO₂气体的浓度、了解CO₂泄漏在土壤中的传播规律以及其立体空间分布、评估对地表土壤环境、植被的影响等。

发明内容

本发明提供了一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置，该装置包括：气体储存装置，其采用多个气瓶用于储存气体，多个气瓶采用并联方式进行连接；计算机远程控制装置，其与所述气瓶的管道开关相连接，用于监测所述气瓶中的气体压力，控制所述气瓶的管道开关的开启和关闭；气体分流装置，其一端与所述气瓶的管道出口连接，一端与气体流量控制器连接；气体流量控制器，其与所述计算机远程控制装置连接，所述计算机远程控制装置通过所述气体流量控制器控制管道的气体流量。从气体流量控制器引出的管道连接至多个实验地块。通过安装在实验地块的土壤CO₂气体浓度监测管连接气体成分分析仪，用于测量土壤中CO₂气体的浓度。

本发明还提供了一种模拟地下储存温室气体（CO₂）泄漏对地表生态环境影响的控制实验方法，该方法包括：

采用多个并联连接的气瓶储存CO₂；

采用计算机远程控制装置控制多个气瓶的管道开关，当一个气瓶内的CO₂的气压小于一定的大气压，自动开启另外一个气瓶的管道开关，同时自动关闭该气瓶的管道开关，使气体泄漏24小时不间断且泄漏速率不变；

CO₂气体在计算机远程控制装置的控制下从气瓶经气体分流装置和气体流量控制器，再经管道连接至多个实验地块，多个实验地块间隔设置，且设置有多个对照实验地块；通过安装在实验地块的CO₂气体浓度监测管连接气体成分分析仪，用于测量土壤中CO₂气体的浓度。

测量所述实验地块的不同位置、不同深度土壤中的CO₂浓度，重复设置区的同一位置、同一深度测量结果取均值，然后通过差分方法，绘制出不同深度土壤中CO₂浓度分布图。

附图说明

图1是模拟地下储存CO₂气体泄漏对地表生态环境影响的实验原理图；

图2是实验装置、管线与场地布局图；

图3是实验地块CO₂泄漏点与土壤中气体浓度测量点分布图；

图4是CO₂浓度测量管道装置设计图；

图5a是CO₂管道泄漏孔设计图；将输气管顶端用软橡胶塞堵住，在靠顶端向下1cm处绕管壁均匀开6个直径5mm、与管道夹角为30°的泄漏孔。图5b是CO₂管道泄漏孔防堵塞装置设计图；将地下输气管道的泄漏孔用纱网罩起来，防止土壤颗粒阻塞泄漏孔。

图6a是土壤中CO₂气体浓度监测管底端气体交换孔设计图；将土壤CO₂浓度监测管底端用软橡胶塞堵住，在靠底端15cm范围内在管壁均匀开10-12个直径5mm的气体交换孔，以便使土壤中的CO₂气体自由进入监测管。

图6b是土壤中CO₂气体浓度监测管底端气体交换孔防堵塞装置设计图；将土壤CO₂浓度监测管下端开孔部位用纱网包裹起来，防止土壤颗粒阻塞气体交换孔，确保土壤中CO₂浓度与监测管中CO₂气体浓度一致。

图6c是土壤中CO₂气体浓度监测管顶端设计图；将土壤CO₂浓度监测管顶端用软橡胶塞堵住，为方便测量监测管中CO₂浓度，在软橡胶塞上安装一个开关，平时开关处于关闭状态，防止外界CO₂气体进入监测管，测量时打开开关，测量结束开关及时关闭。

图7是地表下15-30cm土壤中CO₂浓度空间分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

A.气体储存装置

参见图1和图2，本发明的实施例采用2个300-500L气瓶A和气瓶B作为本系统的CO₂储存装置，2个气瓶A和B采用并联方式进行连接。通过计算机远程控制装置1控制气瓶连接管道2的开关，当其中一瓶CO₂气体用完，即气压小于1.2倍大气压时，自动开启另外一瓶；无CO₂的气瓶，即当一个气瓶内的CO₂的气压小于等于1.2倍大气压时，开关自动关闭，可使泄漏实验24小时不间断，且空的气瓶可以再次灌装CO₂气体。

B.计算机远程控制装置

参见图1和图2，计算机远程控制装置1主要完成两个方面的工作：一是监测气瓶A和B中的气体压力并控制开关切换；二是通过气体分流装置3和气流流量控制器4来控制每根通气管道5的气体流量。为了使CO₂气体的泄漏速率保持不变，当气瓶中气压小于1.2倍标准气压时，电子开关自动切换气源。

C.气体分流器和气体流量控制器及管道设计

参见图1和图2，通往泄漏实验区8的每根气体管道6都装有独立的气体流量控制器4，通过计算机远程控制装置1控制，使每个气体流量控制器4输出的CO₂速率与实验设计一致。

CO₂由液态转化为气体时要吸收大量热量，为避免管道损伤，气瓶A和B与气体分流装置3的通气管道5之间的连接管采用外径10-12mm的铜质无缝管道，气体开关同样采用铜质开关；气体分流装置3与气体流量控制器4之间采用的管道5为外径6-8mm的铜质无缝管道，从气体流量控制器4引出的管道6仍旧采用铜质管道（约2m长），再接不锈钢钢管（外径8mm）一直连接到泄漏实验区8边缘，进入地下部分则为外径16mm的PVC管道。

参见图3和图4，PVC管道水平埋入离地面80cm深处，在泄漏实验区8中心点通过直角弯管61使管道口62垂直向上，管道口62离地面70cm。如图5a和图5b所示，管道口62用软橡胶塞63封上，在离管道口62距离1cm处周围均匀钻6个直径约为5mm的泄漏孔64，泄漏孔64的轴线与垂直向上方向的夹角为30度，然后用纱网65把管道口62及泄漏孔64包裹起来，防止土壤颗粒通过泄漏孔64进入管道。

参见图2和图3，泄漏实验区8设计为边长为2.5-3m的正方形实验地块81，各个实验地块81之间的间隔为1m。距离CO₂泄漏区5m的地方设置有对照实验区9，布置同样数量、规格、布局的对照实验地块91，作对照实验使用。

D、实验地块的土壤中CO₂浓度测量

为了测量不同区域、不同土壤深度CO₂气体的浓度，提供了土壤中CO₂气体的测量方案如下：参见图3和图4，把一定长度的监测管道7（硬质橡胶管、外径10mm、内径8mm）插入实验田块不同位置以及不同深度。如图6a所示，监测管道7底部用软橡胶塞63严密封上，在离底部15cm的距离内在监测管道7周围均匀钻10-12个5mm气体交换孔71，以便使监测管道7内外气体进行自由交换。如图6b所示，为了防止土壤颗粒堵住气体交换孔71，在监测管道打孔部分用纱网65包裹起来，这样土壤中气体与管道中气体可以自由交换，从而达到监测管道内外气体浓度一致。如图6c所示，管道7顶端同样采用软橡胶塞63封堵，通过软橡胶塞63插入一个开关72，平时开关72是关闭的，在测量管道内气体含量时开关72打开。将气体成分分析仪（未示出）与开关72进行连接，打开管道开关，就可以测量出管道内气体的各成分含量，测量完毕，关闭开关。

管道根据要测量土壤深度确定其长度，为方便测量，地面以上部分保留80cm为宜，可以通过土钻打孔的方法把管道插入需要测量的深度，然后再把土壤压实。

1.实验流程：

（1）CO₂气体存储与交替使用

把液化后的CO₂灌入两个300-500L的气瓶A和B中，两个气瓶都有独立的连接管道2与气体分流装置3连接，且在连接管道2上都安装有气压传感器的电控开关，并与计算机远程控制装置1连接。

在实验开始后，首先打开连接一个气瓶A的开关，一直使用该瓶CO₂气体，待该气瓶A气压小于1.2大气压时，该气瓶的电控开关自动关闭，另外一个气瓶B的电控开关自动打开，启用另外一瓶CO₂气体，空瓶可以再次灌装CO₂气体，本方法可以保持泄漏实验24小时不间断，能够更好的模拟地下储存CO₂泄漏状态。

（2）气体流量定量控制

与气体分流装置3相连接的是气体流量控制器4，每个实验地块81配备一个独立的气体流量控制器4（根据实验小区个数确定气体流量控制器的数量），通过计算机远程控制装置1控制气体流量，根据实验方案设计，设定每个气体流量控制器4的流量。在实验过程中，设定每个气体流量控制器4的流量均为1L/秒。

（3）管道输送CO₂与地下泄漏

每个气体流量控制器4都连接一根独立的管道6，该管道6按照一定的排列方式直接把CO₂气体输送到实验地块81中，管道口62垂直向上，管道口62周围的泄漏孔64均匀把CO₂气体泄漏进入土壤。

（4）实验重复设计

为了避免测量误差以及外界不确定因素的影响，实验需要重复进行，具体根据实验方案设计重复实验地块81的个数。

（5）土壤中CO₂气体浓度测量

使用本发明设计的土壤CO₂气体浓度测量测量方法，测量每个实验地块81不同位置、不同深度土壤中的CO₂气体浓度，重复设置区的同一位置、同一深度测量结果取均值，然后通过差分方法，绘制出不同深度土壤中CO₂气体浓度分布图。

根据不同位置管道测量CO₂气体浓度数值，利用空间差分技术，可以绘制出不同深度土壤中CO₂气体浓度分布图，结合地表植被根系生长情况以及种植的位置，可以观察、采样分析在不同CO₂气体浓度胁迫下植被的生长、发育情况以及对应的土壤信息。

2.实测土壤中CO₂气体浓度，差分绘制其分布图结果

CO₂气体以1L/秒的速度泄漏进入土壤，泄漏孔64距地表70cm，通过实测不同位置在地表下15-30cm土壤中CO₂气体的平均浓度，利用Surfer软件差分绘制其空间分布图。从图7可见，土壤中CO₂气体浓度的空间分布基本呈同心圆形状分布，在中心区土壤中CO₂气体浓度最大（>45%），当土壤中CO₂气体浓度大于35%时，地表植被会有显著的反应，地表植被在该区域甚至会出现枯死现象；在土壤中CO₂气体浓度为15-35%时，植被会有一定的反应，但肉眼直观特征不显著，但光谱特征、生化参数会发生变化；当土壤中CO₂气体浓度为小于15%时，肉眼基本上观察不出地表植被的变化，但光谱、生化参数会发生轻微变化。由于实验田块间隔为1m，实验田块之间的相互影响甚微。

本发明主要有以下3点创新：

1.本发明将多个储气瓶并联设置，并分布加装电子控制开关，首先使用一个气瓶中的CO₂气体，当该瓶气压小于1.2倍大气压时，连接该气瓶的控制开关自动关闭，同时另外一个气瓶的开关自动开启，这样可以确保泄漏实验24小时持续进行。

2.为了使土壤中CO₂浓度呈同心圆分布，一方面可以更真实地模拟CO₂气体泄漏情况，另外一方面也方便地面各类参数测量点的布置。本发明把泄漏管改为水平埋入地下，延伸到实验地块中心，然后利用90度弯管使泄漏口竖直向上。但泄漏口竖直向上土壤中泥块、雨水易进入管道，从而堵塞泄漏口，本发明把泄漏口用软橡胶塞堵住，在泄漏口下1cm处管壁周围均匀开6个直径5mm的泄漏孔，泄漏孔与管道轴线夹角为30度，可以使泄漏的CO₂在360度范围内均匀分布，为防止泥水、土壤颗粒堵塞泄漏孔，泄漏口及泄漏孔用细纱网包裹起来。

3.为了便于研究土壤中CO₂浓度的空间立体分布，本发明设计了在同一位置安装多根土壤CO₂浓度测量管，可以测量同一位置不同深度土壤中CO₂浓度，以便能够在模拟实验中绘制CO₂浓度在土壤中的立体空间分布图。原装置仅设计安装土壤CO₂浓度测量管空间分布及数量都不足，不能够全面掌握CO₂浓度在土壤中的实际空间分布，为了更好地掌握不同位置土壤中CO₂浓度分布，本发明设计了16根测量管呈均匀对称分布，可以测量不同位置土壤中CO₂浓度，通过差分技术可以得出其空间分布图。

采用本发明提供的控制实验装置和方法可以进行仿真、定量模拟地下储存的CO₂气体泄漏对地表生态环境的影响。

Claims

1.一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置，该装置包括：

气体储存装置，其采用多个气瓶用于储存气体，多个气瓶采用并联方式进行连接；

计算机远程控制装置，其与所述气瓶的管道开关相连接，用于监测所述气瓶中的气体压力，控制所述气瓶的管道开关的开启和关闭；

气体分流装置，其一端与所述气瓶的管道出口连接，一端与气体流量控制器连接；

气体流量控制器，其与所述计算机远程控制装置连接，所述计算机远程控制装置通过所述气体流量控制器控制管道的气体流量,从气体流量控制器引出的管道连接至多个实验地块；

通过安装在所述多个实验地块的多个气体浓度监测管连接气体成分分析仪，用于测量土壤中CO₂气体的浓度；

其特征在于：所述气体浓度监测管插入所述实验地块的深度不同且均匀对称分布，所述气体浓度监测管上均匀设置有气体交换孔,用于测量不同深度土壤中CO₂气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置，其特征在于：在实验地块中心点通过直角弯管使所述管道的管道口垂直向上。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置，其特征在于：所述管道口用软橡胶塞封上，在所述管道口周围均匀设置多个泄漏孔。

4.根据权利要求3所述的一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置，其特征在于：所述管道的管道口和所述泄漏口用纱网包裹。

5.根据权利要求3所述的一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验装置，其特征在于：所述泄漏孔的轴线与垂直向上方向的夹角为30度。

6.一种模拟地下储存温室气体泄漏对地表生态环境影响的控制实验方法，该方法包括：

采用多个并联连接的气瓶储存CO₂；

采用计算机远程控制装置控制多个气瓶的管道开关，当一个气瓶内的CO₂的气压小于一定的大气压，自动开启另外一个气瓶的管道开关，自动关闭该气瓶的管道开关，使气体泄漏24小时不间断且泄漏速率不变；

CO₂气体在计算机远程控制装置的控制下从气瓶经气体分流装置和气体流量控制计，再经管道连接至多个实验地块；

通过安装在实验地块的土壤CO₂气体浓度监测管连接气体成分分析仪，用于测量土壤中CO₂的浓度；

所述多个实验地块间隔设置，且设置有多个对照实验地块；

其特征在于：测量所述实验地块的不同位置、不同深度土壤中的CO₂浓度，重复设置区的同一位置、同一深度测量结果取均值，然后通过差分方法，绘制出不同深度土壤中CO₂浓度立体空间分布图。