CN103901177A

CN103901177A - 一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱及测定方法

Info

Publication number: CN103901177A
Application number: CN201410056078.5A
Authority: CN
Inventors: 王守全; 袁旭音; 韩磊; 马智杰; 赵云; 汪群; 查同刚; 陈英义
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明公开了一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱及其测定方法，包括箱体、矩形泡沫漂浮装置，抽气导管、三通阀、抽气针筒和固定绳，所述的箱体为中空半圆柱体，其下底面为矩形且敞口，两侧面为半圆形，顶面为弧形；所述的矩形泡沫漂浮装置设在所述的箱体的外部四周，所述的箱体悬挂在所述的矩形泡沫漂浮装置上；所述的箱体的顶面上设有气体采样孔，所述的气体采样孔分别位于箱体两侧面的中部和弧形顶面的中心处；所述的抽气导管的一端分别与所述的气体采样孔相连，另一端分别与所述的三通阀的一端相连；所述的三通阀的另一端分别与所述的抽气针筒相连。本发明结构合理，体积小便于携带，稳定性高，可缩短采样时间，保证采样精度。

Description

一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱及测定方法

技术领域

本发明属于环境监测领域，具体而言涉及一种用于测定河流、湖、库水体水-气界面温室气体释放通量的装置测定方法。

背景技术

大气中温室气体浓度不断增加以及由此引发的全球变暖等一系列问题引起人们对温室气体“源－汇”效应的广泛关注。湖泊、水库、河流等水体作为人类活动对大气温室气体浓度影响的一个重要方面，越来越受到关注。相关研究的关键就在于对湖泊、水库、河流等水体水气界面上的温室气体通量进行测定和计算。

与本发明最接近的同类技术应用是目前针对河流、湖泊、水库等水体的水-气界面温室气体排放测量用通量箱，其设计基本是以一个底面直径40cm，高50cm的薄金属桶或者有机玻璃桶作为箱体。箱体内采用风扇来使得箱内被测气体混合均匀。然后将该圆桶放置在一个汽车内胎大小的轮胎上以便于浮在水面。对于这样的浮箱设计存在如下几个方面的应用缺陷从而导致测量精度不高:

1.存在箱体容积较大，容积与底面面积比大，箱内温室气体浓度变化慢，混合所需时间较长，混合不均匀的可能，且存在每次取样的间隔较长的缺点；

2.由于箱体较大，高度较高，箱体在流动水体水面平衡稳定性较差，易受风力作用影响；

3.风扇持续的运行中产生的气流将在一定程度上对浮箱覆盖的水表面形成干扰，可能使水-气界面温室气体排放受到较大影响；

4.目前的通量测定箱抽取气体时大多需要将箱体拖曳到岸边或者船边用针筒抽样，但是通量测定大多需要抽取系列样品（1h内抽取4-6次），来回往复拖动箱体，使得其准确性大大降低。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种结构合理，测定准确，能够适应不同水体的便携水面温室气体通量测定箱及其测定方法。

本发明的目的是这样实现的：提供了一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，包括箱体、矩形泡沫漂浮装置、抽气导管、三通阀、抽气针筒和固定绳，箱体为中空半圆柱体，其下底面为矩形且敞口，两侧面为半圆形，顶面为弧形；矩形泡沫漂浮装置设在箱体的外部四周，箱体悬挂在所述矩形泡沫漂浮装置上；箱体的顶面上设有气体采样孔，气体采样孔分别位于箱体两侧面的中部和弧形顶面的中心处；抽气导管的一端分别与气体采样孔相连，另一端分别与所述三通阀的一端相连；三通阀的另一端分别与抽气针筒相连；固定绳的一端连接在箱体的一端。

优选的，箱体和泡沫漂浮装置之间用挂钩相连结。

优选的，气体采样孔的孔径为4mm；

优选的，抽气导管为透明塑料管。

优选的，抽气导管分别通过所述气体采样孔伸入箱体箱内约5cm。

优选的，抽气导管与气体采样孔）之间的间隙用硅胶密封。

优选的，箱体用有机玻璃材质制作。

优选的，固定绳的另一端连接有密度大于水密度的重物。

本发明还提供了一种利用上述的水面温室气体排放通量测定箱进行的用于水面温室气体排放通量的测定方法，所利用的测定箱还包括密度大于水密度的重物，包括以下步骤：

1）先用固定绳系住重物放入水中测定水深，然后缩放固定绳长度使其稍大于水深，将系在固定绳上的铅块沉入水底来固定箱体，使其不能大范围移动；

2）将箱体充满测定点空气后小心置于水面上的矩形泡沫漂浮装置，将箱体）悬挂在泡沫漂浮装置的内部四周；

3）取下抽气针筒，打开三通阀，使箱体的内部气压与外部气压平衡后，然后关闭三通阀，连接抽气针筒，抽取初始气体样品；

4）通过温室气体浓度时间变化斜率和箱体体积参数可求得温室气体排放通量。

优选的，每次抽取气体样品前，预抽取2倍于抽气导管内部容积的气体量来排除抽气导管内的积存气体；每次抽取气体样品后，关闭三通阀，取下针筒并迅速将抽取气体注入真空样品瓶中，然后重新将抽气针筒连接好，打开三通阀；每次采样抽取3个抽气导管获得3个平行样，完成温室气体浓度测定后取平均值用于计算温室气体排放通量；通过每个抽气导管连续采集5次样品，采样间隔时间为6分钟。

本发明的有益效果：

与同半径高度尺寸圆柱箱体相比，本设计箱体体积减小一半，底面与水接触面积大，箱内温室气体浓度变化快，气体取样间隔时间大大降低，避免了采样时间长导致箱内温度压强等性质变化过大的影响；

箱体容积大大减小，顶面全部为弧形，箱内气体混合过程中气体不易滞留“死角”，混合更为均匀，过程更迅速；

克服了气体抽取的难点，使用抽气导管实现在岸边或者船上抽取，可实现多次重复抽取，避免来回拖动箱体产生的影响，也避免了直接抽气可能面临的“船（岸）高箱低”实际问题；

底面面积增大，高度低，箱体在流动水体水面上的平衡性及稳定性更好；

采用箱内多点采集气体代替风扇转动混匀，避免了风扇转动过程中扰动水-气界面对温室气体排放造成影响，箱内不同部位多点同时采样也保证了准确性。

本发明在实际测量中，对于不同水体条件的适应性更好，其在测量便捷性和精度上有较大的提高，同时体积小更为便携和成本也得到有效控制。

附图说明

图1 为本发明的水面温室气体排放通量测定箱的结构示意图

图2位本发明的矩形泡沫漂浮装置-箱体剖面图

图中：1.箱体；2.矩形泡沫漂浮装置；3.气体采样孔；6.抽气导管；9.三通阀；12.抽气针筒；15.铅块；16.固定绳

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外。

本发明中所述“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1和图2所示，本发明的水面温室气体排放通量测定箱包括箱体1、矩形泡沫漂浮装置2、抽气导管6、三通阀9、抽气针筒12和固定绳16，箱体1为中空半圆柱体，其下底面为矩形且敞口，两侧面为半圆形，顶面为弧形；矩形泡沫漂浮装置2设在箱体1的外部四周，箱体1悬挂在矩形泡沫漂浮装置2上，箱体1的下底面与水面之间保持通畅，没有任何遮挡；箱体1的顶面上设有气体采样孔3，气体采样孔3分别位于箱体两侧面的中部和弧形顶面的中心处；抽气导管6的一端分别与气体采样孔3相连，另一端分别与三通阀9的一端相连；三通阀9的另一端分别与抽气针筒12相连；固定绳16的一端连接在箱体1的一端。箱体1和泡沫漂浮装置2之间用挂钩相连结。气体采样孔3的孔径为4mm；抽气导管6为透明塑料管。抽气导管6分别通过所述气体采样孔3伸入箱体1箱内约5cm。抽气导管6与气体采样孔3之间的间隙用硅胶密封。箱体1用有机玻璃材质制作。固定绳16的另一端连接有密度大于水密度的重物例如铅块。

箱体1可以为一底面直径为30cm，高40cm圆柱体的一半，圆筒壁厚3mm；在箱体1外部安装矩形泡沫漂浮装置2，漂浮装置2使箱体置于水中时箱体1下边缘浸入水中约3cm；在半圆柱体的一个侧面连接固定绳16，绳子长度8m，可视水深或者具体情况更换绳子长度。

采样时，先用固定绳16系铅块放入水中测定水深，然后缩放固定绳16长度使其稍大于水深，使箱体1充满测定点空气后小心置于水面上，将系在固定绳16上的铅块沉入水底，固定箱体1，使其不能大范围移动，抽气导管6一段置于岸边或者监测船上，先将抽气针筒12取下，三通阀9打开，使箱体内外气压平衡后，关闭三通阀9，连接抽气针筒12，抽取初始气体样品；

抽取气体样品要求：每次抽取前，预抽取2倍于抽气导管6内部容积的气体量，排除抽气导管6积存气体的影响，确保准确性，每次抽取完成后，关闭三通阀9，取下抽气针筒12并迅速将抽取气体注入真空样品瓶中，完毕后重新将抽气针筒12连接好，打开三通阀9。每次采样抽取3个抽气导管6获得3个平行样，完成温室气体浓度测定后取平均值用于计算通量，每个序列需连续采集5次样品，采样间隔时间6分钟，通过温室气体浓度时间变化斜率和箱体体积等参数可求得温室气体排放通量。

待测气体排放通量的计算公式：

式中 F为待测气体通量，单位为m mol／(m²·d)；S为由观测时间段内不同时刻的气体浓度进行归分析得到的曲线斜率，表示待测气体浓度随时间的变化速率，单位为10^-6／s；V为静态箱水面以上部分体积，单位为m³；A为静态箱覆盖水面面积，单位为m²； F₁为到μL L^-1到μg m^-3的转化系数，计算的物质为CO₂时是1798.45，计算的物质为CH₄时是655.47；F₂为秒到天的转化系数，为86400；F3为μg到mg的转化系数，为1000；M为温室气体（CO₂，CH₄）的相对分子质量，单位为g/mol。

在针对流速较快的水体采样时，可不用铅块固定，将采用若干箱体1用固定绳16两两相连，固定绳16一段系于监测船上或由人牵引，随箱体1慢慢移动，仍使用抽气导管6采样无需将箱体拖曳至岸边。在监测过程中，需要同步测定水域的风速、气温、水文、大气压力、光照度以及水体的物理化学指标，以分析温室气体通量和温室气体排放的影响因素。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，包括箱体（1）、矩形泡沫漂浮装置（2）、抽气导管（6）、三通阀（9）、抽气针筒（12）和固定绳（16），其特征在于，所述箱体（1）为中空半圆柱体，其下底面为矩形且敞口，两侧面为半圆形，顶面为弧形；所述矩形泡沫漂浮装置（2）设在所述箱体（1）的外部四周，所述箱体（1）悬挂在所述矩形泡沫漂浮装置（2）上；所述箱体（1）的顶面上设有气体采样孔（3），所述气体采样孔（3）分别位于箱体两侧面的中部和弧形顶面的中心处；所述抽气导管（6）的一端分别与所述气体采样孔（3）相连，另一端分别与所述三通阀（9）的一端相连；所述三通阀（9）的另一端分别与所述抽气针筒（12）相连；所述固定绳（16）的一端连接在所述箱体（1）的一端。

2.根据权利要求1所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述箱体（1）和泡沫漂浮装置（2）之间用挂钩相连结。

3.根据权利要求1所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述气体采样孔（3）的孔径为4mm。

4.根据权利要求3所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述抽气导管（6）为透明塑料管。

5.根据权利要求4所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述抽气导管（6）分别通过所述气体采样孔（3）伸入箱体（1）箱内约5cm。

6.根据权利要求3或4或5所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述抽气导管（6）与气体采样孔（3）之间的间隙用硅胶密封。

7.根据权利要求1所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述箱体（1）用有机玻璃材质制作。

8.根据权利要求1所述一种用于测量水面温室气体排放通量的测定箱，其特征在于，所述固定绳（16）的另一端连接有密度大于水密度的重物。

9.一种利用如权利要求1-8中任一项所述用于测量水面温室气体排放通量的测定箱进行的测量水面温室气体排放通量的测定方法，所利用的测定箱还包括密度大于水密度的重物，其特征在于，包括以下步骤：

1）先用固定绳（16）系住重物放入水中测定水深，然后缩放固定绳（16）长度使其稍大于水深，将系在固定绳（16）上的铅块沉入水底来固定箱体（1），使其不能大范围移动；

2）将箱体（1）充满测定点空气后小心置于水面上的矩形泡沫漂浮装置（2），将箱体（1）悬挂在泡沫漂浮装置（2）的内部四周；

3）取下抽气针筒（12），打开三通阀（9），使箱体（1）的内部气压与外部气压平衡后，然后关闭三通阀（9），连接抽气针筒（12），抽取初始气体样品；

4）通过温室气体浓度时间变化斜率和箱体（1）体积参数可求得温室气体排放通量。

10.根据权利要求9所述一种测量水面温室气体排放通量的测定方法，其特征在于，每次抽取气体样品前，预抽取2倍于抽气导管（6）内部容积的气体量来排除抽气导管（6）内的积存气体；每次抽取气体样品后，关闭三通阀（9），取下针筒并迅速将抽取气体注入真空样品瓶中，然后重新将抽气针筒连接好，打开三通阀（9）；每次采样抽取3个抽气导管（6）获得3个平行样，完成温室气体浓度测定后取平均值用于计算温室气体排放通量；通过每个抽气导管（6）连续采集5次样品，采样间隔时间为6分钟。