CN107764607B - 一种水库消落带温室气体监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种水库消落带温室气体监测系统及监测方法，涉及温室气体监测技术领域。该监测系统包括供电电源、电缆、枯水期温室气体监测装置和丰水期温室气体监测装置，其中，供电电源置于库岸最高水位线以上的平台上，枯水期温室气体监测装置半埋于水库最高水位线和最低水位线之间的消落带上，呈等距分布，并与水‑气界面上的丰水期温室气体监测装置通过电缆连接供电电源。本发明提供的水库消落带温室气体监测系统及其监测方法，布设简单，监测精度高，能够长期无人定点实时监测水库消落带温室气体排放情况，监测数据可实时回传，可安装在任意消落带，能搭载其他监测设备于温室气体监测装置的位置，从而实现多角度监测数据的定点采集。
Description
技术领域
本发明涉及温室气体监测技术领域，具体涉及一种水库消落带温室气体监测的设备和方法。
背景技术
消落带是介于水体和陆地间的过渡区，是温室气体排放的热点区域。水库消落带的温室气体排放和其它湿地一样，具有单位面积排放量大的特点。目前，针对水库消落带温室气体的研究成果较少，对其排放量和排放机理的理解多是借鉴沼泽、湿地及湖泊、河流的研究成果，缺乏大量的实测数据，远远不能揭示水库消落带温室气体通量变化规律，致使全球水库温室气体通量评估工作必须以其他研究的结果作参考，得出结果存在较大不确定性。因此，提供一种水库消落带温室气体排放监测装置，能够实测水库消落带的温室气体通量，并实现长期无人定点实时监测，对于全球水库温室气体通量实现准确评估以及揭示消落带温室气体变化规律都具有重要意义。
目前针对水库消落带温室气体排放情况的研究多采用静态箱/气相色谱法，即采用静态暗箱法进行气体采集，然后采用气相色谱仪进行分析测定。静态箱/气相色谱法需要定期定时去水库消落带采集气体样品，耗费大量的人力、物力以及时间，且在消落带丰水期是无法采集样品的，缺乏丰水期的实测数据，之后大量样品带回实验室采用气相色谱仪进行分析测定也需要较长时间。因此，此方法成本高，效率低，且得出的数据结果会随采集时间不同而异，具有较强的随机性，也存在较大误差，在时间尺度上也不具有连续性，无法进行水库消落带温室气体通量变化规律等方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水库消落带温室气体监测系统及其监测方法，以达到布设简单、监测精度高、可实现长期无人定点实时监测水库消落带温室气体排放情况且监测数据可实时回传的目的。
为实现发明目的，本发明提供了一种高坝水库消落带温室气体监测系统，包括供电电源、电缆、枯水期温室气体监测装置和丰水期温室气体监测装置。其中，供电电源置于库岸最高水位线以上的平台上，枯水期温室气体监测装置半埋于水库最高水位线和最低水位线之间的消落带上，呈等距分布，并与水-气界面上的丰水期温室气体监测装置通过电缆连接供电电源。所述供电电源可以为充电电池或充电电池与太阳能板的结合，枯水期温室气体监测装置及丰水期温室气体监测装置表面皆为防水材料制成。
枯水期温室气体监测装置半埋于土壤中，捆绑于电缆上，用于实时监测消落带枯水期温室气体的排放情况并防止水位涨落过程中发生仪器移动或丢失的情况。丰水期温室气体监测装置漂浮于水面之上，连接于电缆末端，使其在消落带丰水期水位变化较大的情况下能够稳定于水面之上监测温室气体的排放情况。根据水库消落带的高度范围的不同，可设置多个枯水期温室气体监测装置，进行定点观测，提供整个消落带不同高度温室气体排放数据，用于进行消落带温室气体排放变化规律的研究。
温室气体检测仪(即枯水期温室气体监测装置)包括样气采集模块、样气控制模块、温室气体分析模块、数据采集存储模块和GPRS-4G模块。其中，样气采集模块包括采样头、防雨罩、防虫网、过滤器，防虫网用于过滤落叶、虫子和较大的颗粒，过滤器用于过滤大于7um以上的灰尘，防雨罩用于保护过滤器，采样头辅助采样泵实时从不同高度采集样气；样气控制模块包括多路控制器、汇流排气通道，多路控制器主要由两位三通阀组成，按照预制程序，只有一路样气送入分析仪进行分析，其余气体通过汇流排排出，目的是缩短采样周期，同时保证气流不断冲刷管路，避免颗粒物沉积，系统最多可接入7层气体；温室气体分析模块包括采样泵、干燥器、分析仪，多路控制器中的电磁阀组切换其中一路气体进行分析，被选择的某路样气在采样泵的作用下经过低流量的干燥器进入高精度温室气体分析仪，分析仪采用基于时间域第四代波长扫描光腔衰荡光谱技术(WS-CRDS)，可自动连续计算和比较空腔或充满目标气体的衰荡时间，而这个时间差便是目标气体吸收激光而导致的衰减时间差，同种气体不同浓度的衰减时间差是不一样，通过将待测气体的浓度与被测气体特征波长在气室中衰减的时间建立一线性关系，测量气体的浓度；温室气体分析模块得出的数据结果存储于数据采集存储模块之中，通过GPRS-4G模块实现远程数据传输，进行实时监控。
丰水期温室气体监测装置包括圆柱形套箱、集气管、排气管、连接扣、平衡装置、温室气体检测仪、漂浮板和半球形空腔。其中，圆柱形套箱是由PVC材料制成的圆柱形结构，外覆镀铝膜，可以有效阻止太阳辐射对箱内温度的影响，保证温室气体的正常收集和排放；在套箱上部设有2个集气管，同时在集气管附近的套箱内部安装集气扇，提高装置采集气体样品的效率，更好的混合箱内空气；将温室气体检测仪通过螺丝固定在套箱底部，套箱与漂浮板通过螺丝连接；在套箱下部设有1个排气管，温室气体检测仪排放的气体从排气管导出；漂浮板也是由PVC材料制成的平板结构，上有2个连接扣连接平衡装置；平衡装置和半球形空腔的设置都是为了防止因为风力和水流运动造成温室气体检测仪颠簸，影响数据结果，使装置能够在水-气界面可以平稳运行；丰水期温室气体监测装置也是由电缆连接的供电电源供电。
本发明同时提供了一种使用如上所述系统监测水库消落带温室气体的方法，其特征在于包括以下步骤：
①查询资料确定水库最低水位值和最高水位值，选择每年消落带水位接近最低时，安设水库消落带温室气体监测系统；
②根据水库运行造成的植被裸露地带或气压计确定消落带高度范围，选择等间隔的高程值，将枯水期温室气体监测装置半埋于消落带土壤中，各装置之间用电缆连接并固定，在电缆末端，连接丰水期温室气体监测装置，使其漂浮于最低水位线以下的水面上，供电电源放置于最高水位线以上平台；
③安装水库消落带温室气体监测系统后，水库水位在最低水位线和最高水位线之间变动，夏季水位较低，消落带处于枯水期，这时枯水期温室气体监测装置提供的数据为水库消落带枯水期温室气体排放的确切数据，而丰水期温室气体监测装置得出的数据可为研究水库温室气体排放情况提供数据参考，冬季水位上升过程中，水体依次淹没消落带，消落带处于丰水期，这时丰水期温室气体监测装置提供的数据为水库消落带丰水期温室气体排放的确切数据，所有监测数据存储于监测装置的数据采集存储模块，并通过GPRS-4G模块将数据实时回传；
④次年夏季的水库水位到达最低处，可根据需求，前往视察水库消落带温室气体监测系统的各仪器整体情况，更换电源或回收系统。
本发明所提供的水库消落带温室气体监测系统及监测方法，结构设计合理、实用性强，通过根据水库消落带的高度范围等距布设温室气体监测装置，并用电缆连接各装置至供电电源，使得本监测系统具有布设简单、方便的特点，解决了水库消落带温室气体排放长期无人监测的问题，且得到的监测数据精度较高，可实时回传，在时间和空间尺度上都具有连续性，为研究水库消落带温室气体通量变化规律和全球水库温室气体通量评估工作提供切实依据。此外，在消落带枯水期，丰水期温室气体监测装置所测得的数据可为研究水库温室气体排放情况提供参考。本监测系统可安装在任意消落带，能够搭载其他监测设备于枯水期温室气体监测装置相应节点位置，如土壤水分监测仪、GPRS定位仪等，从而实现多角度监测数据的定点采集。
附图说明
为突出本发明特点，附图中仅表示出了与本发明内容密切相关的必要组件。
图1为本发明水库消落带温室气体监测系统示意图
图2为本发明枯水期温室气体监测装置示意图
图3为本发明丰水期温室气体监测装置示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实例中，供电电源1采用充电蓄电池。温室气体检测仪46(即枯水期温室气体监测装置3)的样气采集模块采用TN-SAMPLE型采样头，样气控制模块采用MC-01多路控制器，温室气体分析模块采用CO2\CH4\H2O高精度温室气体分析仪。丰水期温室气体监测装置4的圆柱形套箱41采用PVC防水材料制成，外覆镀铝膜，其顶部和底部直径为0.5m，高0.5m；集气管42和排气管43均为直径7mm的透明硅胶管；漂浮板47采用PVC防水材料制成，长为1m，宽0.5m，高0.25m；半球型空腔48采用PVC防水材料制成，直径0.5m，高0.5m。
水库最低水位线为155m，最高水位线为180m，消落带高度范围为25m，以5m的高程为间隔，即分别在160m、165m、170m、175m、180m处分别埋入5个枯水期温室气体监测装置3，供电电源1置于最高水位线180m以上，枯水期温室气体监测装置3并联后通过电缆2连接于供电电源1，同时电缆2末端连接丰水期温室气体监测装置4，使装置4漂浮于最低水位线155m之下的水体表面。
使用如上所述系统监测水库消落带温室气体的方法是：
①查询资料确定水库最低水位值和最高水位值，选择每年消落带水位接近最低时，安设水库消落带温室气体监测系统；
②根据水库运行造成的植被裸露地带或气压计确定消落带高度范围，选择等间隔的高程值，将枯水期温室气体监测装置半埋于消落带土壤中，各装置之间用电缆连接并固定，在电缆末端，连接丰水期温室气体监测装置，使其漂浮于最低水位线以下的水面上，供电电源放置于最高水位线以上平台；
③安装水库消落带温室气体监测系统后，水库水位在最低水位线和最高水位线之间变动，夏季水位较低，消落带处于枯水期，这时枯水期温室气体监测装置提供的数据为水库消落带枯水期温室气体排放的确切数据，而丰水期温室气体监测装置得出的数据可为研究水库温室气体排放情况提供数据参考，冬季水位上升过程中，水体依次淹没消落带，消落带处于丰水期，这时丰水期温室气体监测装置提供的数据为水库消落带丰水期温室气体排放的确切数据，所有监测数据存储于监测装置的数据采集存储模块，并通过GPRS-4G模块将数据实时回传；
④次年夏季的水库水位到达最低处，可根据需求，前往视察水库消落带温室气体监测系统的各仪器整体情况，更换电源或回收系统。
Claims (7)
1.一种水库消落带温室气体监测系统，包括供电电源(1)、电缆(2)和温室气体检测仪(46)，所述温室气体检测仪(46)包括样气采集模块、样气控制模块、温室气体分析模块、数据采集存储模块和GPRS-4G模块，其特征在于：供电电源(1)置于库岸最高水位线以上的平台上，温室气体检测仪(46)作为枯水期温室气体监测装置(3)半埋于水库最高水位线和最低水位线之间的消落带上，呈等距分布，并与水-气界面上的丰水期温室气体监测装置(4)通过电缆(2)连接供电电源(1)；所述丰水期温室气体监测装置(4)包括圆柱形套箱(41)、集气管(42)、排气管(43)、连接扣(44)、平衡装置(45)、温室气体检测仪(46)、漂浮板(47)和半球形空腔(48)，在圆柱形套箱(41)上部设有2个集气管(42)，温室气体检测仪(46)通过螺丝固定在圆柱形套箱(41)底部，圆柱形套箱(41)与漂浮板(47)通过螺丝连接，在圆柱形套箱(41)下部设有1个排气管(43)，温室气体检测仪(46)排放的气体从排气管(43)导出，漂浮板(47)是由PVC材料制成的平板结构，上有2个连接扣(44)连接平衡装置(45)；
样气采集模块包括采样头、防雨罩、防虫网、过滤器，防虫网用于过滤落叶、虫子和较大的颗粒，过滤器用于过滤大于7um的灰尘，防雨罩用于保护过滤器，采样头辅助采样泵实时从不同高度采集样气；样气控制模块包括多路控制器、汇流排气通道，多路控制器由两位三通阀组成，按照预制程序，只有一路样气送入分析仪进行分析，其余气体通过汇流排气通道排出；温室气体分析模块包括采样泵、干燥器、分析仪，多路控制器中的电磁阀组切换其中一路气体进行分析，被选择的某路样气在采样泵的作用下经过低流量的干燥器进入高精度温室气体分析仪，分析仪采用基于时间域第四代波长扫描光腔衰荡光谱技术，自动连续计算和比较空腔或充满目标气体的衰荡时间，而这个时间差便是目标气体吸收激光而导致的衰减时间差，同种气体不同浓度的衰减时间差是不一样，通过将待测气体的浓度与被测气体特征波长在气室中衰减的时间建立一线性关系，测量气体的浓度；温室气体分析模块得出的数据结果存储于数据采集存储模块之中，通过GPRS-4G模块实现远程数据传输，进行实时监控。
2.如权利要求1所述的水库消落带温室气体监测系统，其特征在于：所述供电电源(1)为充电电池或充电电池与太阳能板的结合。
3.如权利要求1所述的水库消落带温室气体监测系统，其特征在于：所述枯水期温室气体监测装置(3)和丰水期温室气体监测装置(4)表面皆为防水材料制成。
4.如权利要求1所述的水库消落带温室气体监测系统，其特征在于：所述圆柱形套箱(41)由PVC材料制成，外覆镀铝膜。
5.如权利要求1所述的水库消落带温室气体监测系统，其特征在于：在集气管(42)附近的圆柱形套箱(41)内部安装有集气扇。
6.如权利要求1所述的水库消落带温室气体监测系统，其特征在于：可搭载其他监测设备于枯水期温室气体监测装置(3)相应节点位置，以实现多角度监测数据的定点采集。
7.一种使用如权利要求1～6中任一项所述系统监测水库消落带温室气体的方法，其特征在于包括以下步骤：
①查询资料确定水库最低水位值和最高水位值，选择每年消落带水位接近最低时，安设水库消落带温室气体监测系统；
②根据水库运行造成的植被裸露地带或气压计确定消落带高度范围，选择等间隔的高程值，将枯水期温室气体监测装置(3)半埋于消落带土壤中，各装置之间用电缆(2)连接并固定，在电缆末端，连接丰水期温室气体监测装置(4)，使其漂浮于最低水位线以下的水面上，供电电源放置于最高水位线以上平台；
③安装水库消落带温室气体监测系统后，水库水位在最低水位线和最高水位线之间变动，夏季水位较低，消落带处于枯水期，这时枯水期温室气体监测装置(3)提供的数据为水库消落带枯水期温室气体排放的确切数据，而丰水期温室气体监测装置(4)得出的数据可为研究水库温室气体排放情况提供数据参考，冬季水位上升过程中，水体依次淹没消落带，消落带处于丰水期，这时丰水期温室气体监测装置(4)提供的数据为水库消落带丰水期温室气体排放的确切数据，所有监测数据存储于监测装置的数据采集存储模块，并通过GPRS-4G模块将数据实时回传；
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