CN109387453A - 一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置及方法，其中装置主要包括控制腔、气量记录轴和倒置漏斗；倒置漏斗的敞口置于气量记录轴下方，气量记录轴位于倒置漏斗上方，控制腔下方；气量记录轴与控制腔、倒置漏斗相互连通且对外部密封吻合。甲烷气泡通过倒置漏斗收集后，在气量记录轴内聚集，通过浮动装置的变化控制甲烷气泡的收集，通过控制腔内压力变化计算甲烷气泡的释放速率。本发明提供的新型装置，将漏斗倒置于湖库水体，通过漂浮装置控制可随水位涨落自由波动，用于收集甲烷气泡，气量记录轴与控制腔协作控制甲烷气泡的收集与测量，实现了连续自动监测甲烷气泡释放的功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续自动测定水体甲烷气泡释放速率的装置及方法，属于水体甲烷气泡释放速率测定领域。
背景技术
近年来，气候变暖导致了干旱、洪涝、飓风等极端天气事件频发。甲烷气泡作为第二大甲烷气泡对温室效应的贡献达20％。天然水体被认为是甲烷气泡释放的主要来源之一。以湖泊为例，甲烷气泡排放量为8～48Tg/yr，占全球释放总量的6～16％。目前，关于水体甲烷气泡释放相关领域已成为了国内外的研究热点。
甲烷气泡在水体中的溶解度较低，当水温为20℃时，溶解度仅为1.6mol m-3。因此，当沉积物产生大量甲烷气泡时，其除了可以通过扩散这一常规途径外，还可以通过气泡这一特殊途经释放进入大气中。甲烷气泡释放途径不同，所产生的影响存在差异。甲烷气泡若以扩散形式释放，其产生的影响相对较小，这是因为扩散型甲烷气泡在途经上覆水体过程中，易被甲烷气泡氧化氧化消耗。因此，对扩散型和气泡型甲烷气泡进行区分研究具有重要意义。
水体气泡型甲烷气泡释放通量通常采用倒置漏斗法测定：将漏斗倒置于水面下，收集沉积物释放的气泡，通过分析收集气体中甲烷气泡量，得出气泡型甲烷气泡释放通量。扩散型甲烷气泡释放通量通常采用气箱法：在水表面放置一个顶部中空且密封的箱体，通过定时取样、分析，获取箱体内甲烷气泡浓度变化速率，从而得知甲烷气泡释放速率。在实际应用中，气箱法采集时间较短，气体分析时受到其他气体的干扰较强，不易获得湖库甲烷气泡的实际释放速率，严重影响力相关研究进展，需要开发一种长期监测甲烷气泡释放的装置，一是可以得到更符合自然状况的甲烷气泡释放速率，一是可以进行长期监测，获得不同工况时段下甲烷气泡释放速率的变化。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置及方法，通过浮动装置控制甲烷气泡的收集，通过气量记录仪测定甲烷气泡释放的速率，达到连续自动监测的目的。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，包括控制腔、气量记录轴和倒置漏斗；所述倒置漏斗的敞口置于气量记录轴下方，所述气量记录轴底部位于倒置漏斗上部，顶部位于控制腔底部；所述气量记录轴与控制腔、倒置漏斗相互连通且对外部密封吻合；所述气量记录轴内部设有浮动装置，所述控制腔上设有气量记录仪和气量控制阀，所述浮动装置位于气量记录轴内浮动范围底部时，所述气量控制阀开启，所述浮动装置位于气量记录轴内浮动范围顶部时，所述气量控制阀关闭。
作为优选，所述倒置漏斗的敞口底部边缘与气量记录轴的底部边缘的垂直距离为0.4～0.6m，漏斗敞口直径为1.0～1.2m。
作为优选，所述气量记录轴为圆筒形状，气量记录轴与控制腔、倒置漏斗的中轴轴线完全重合。
作为优选，所述气量记录轴制作材料为光滑有机玻璃，气量记录轴长度为0.3～0.5m，直径为3.0～3.2cm。
作为优选，所述气量记录轴内浮动装置的浮动范围顶部设有上部垫片，底部设有下部垫片，所述上部垫片和下部垫片分别与所述气量控制阀电连接，所述浮动装置上设有能够使上部垫片或下部垫片上电路闭合的导电装置。
作为优选，所述控制腔为圆柱状，直径约为0.1～0.2m，高度为5～6cm。
作为优选，所述浮动装置的浮动路线由若干非导电丝线控制。
作为优选，所述控制腔上方设有漂浮装置。
作为优选，所述倒置漏斗的敞口与控制腔、气量记录轴之间沿周向均匀设置若干固定柱。
一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置的使用方法，包括如下步骤：
(1)将监测装置放于水体中，打开气量控制阀排出气量记录轴中原有气体后关闭气量控制阀；
(2)在倒置漏斗下部充入植物油，使浮动装置位于浮动范围顶部；
(3)倒置漏斗收集湖库中释放的甲烷气泡，随着气体的收集，水量不断从装置中排出，浮动装置随水位逐渐下降，待水位下降至倒置漏斗上部时，浮动装置到达浮动范围底部，气量控制阀开启，气量记录轴中的气量被排出，浮动装置随水位上升，到达浮动范围顶部，气量控制阀关闭，进行下一轮气体收集；
(4)气量记录仪完成一个采集周期的采集记录，得到甲烷气体释放速率＝甲烷气体收集量/(收集时间×倒置漏斗敞口面积)。
有益效果：本发明提供的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，在原有倒置漏斗收集装置的基础上，设计了浮动控制装置，使甲烷气泡的收集随气量变化自动调控，实现了甲烷气泡的长期自动连续收集。
附图说明
图1为本发明实施例的装置剖面结构示意图。
图中，1-漂浮装置，2-气量控制阀(气阀)，3-气量记录仪，4-控制腔，51、52-垫片，6-气量记录轴，7-浮动装置，8-倒置漏斗。
图2为本发明实施例的垫片装置俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例公开的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，将漏斗8垂直倒置于气量记录轴6下方，倒置漏斗8主要用于收集湖库中释放的甲烷气泡，垂直高度0.4～0.6m，敞口直径约1m，收集气体时，倒置漏斗8的底部水平放置于湖库实验区域；气量记录轴6位于倒置漏斗8上方，控制腔4下方，气量记录轴6主要用于释放的甲烷气泡的定量收集，长度一般为0.3～0.5m，直径约3cm，安装时，内部安装浮动装置7，浮动装置7的浮动范围由垫片51、52控制，浮动装置7的浮动路线由3根非导电光滑细丝控制，保证浮动装置7不倾斜，浮动装置7上部安装导电材料，保证导电材料在浮动过程中不与水体接触；垫片51置于控制腔与气量记录轴、垫片52置于气量记录轴与倒置漏斗之间，垫片除有密封外部环境功能外，还装有导电装置，随着浮动装置7的浮动控制外部开关进行气体的收集与释放；控制腔4置于气量记录轴6上部，圆柱状，直径约0.1m，高度约5cm。控制腔4主要用于气量收集过程的调控和记录，上部安装有漂浮装置1(如浮球)、气量记录仪3、气量控制阀2，漂浮装置1可保证整个装置随时随着水库水位的上涨下落进行浮动，气量记录仪3自身配备内置电源，可随时监控气量记录轴里和水体环境中的气体压强变化，通过气量记录轴6内部与外部水体气压之间的差值可以计算气量记录轴6里收集气体的体积，通过气量记录轴6内部气压的瞬间变化可以得知一个气体收集周期的时长；气量控制阀2包括电源装置和阀门装置，电源不断提供电量保证阀门开启闭合所需能量，气量控制阀2采用双控三位电磁开关，活塞的位置受浮动装置7两端的信号控制，当浮动装置7上浮至上部垫片51时，电信号控制阀门关闭，并保持阀门关闭状态，当气体不断收集，浮动装置7不断下降至下部垫片52时，电信号控制阀门打开并保持该状态，由于气量记录轴6长度一定，浮动装置7活动范围固定，因此每个周期的气体采集体量是固定的；为防止翻斗，倒置漏斗8顶部边缘与控制腔4、气量记录轴6四周均匀设置若干固定柱。本实施例的装置在测定扩散型甲烷气泡释放通量时，通过浮动装置定量收集甲烷气体，并可记录收集时长，达到了长时间连续自动监测甲烷气体释放的目的。
使用本实施例进行湖库甲烷气泡释放连续自动监测的方法主要如下：
将本实施例的新型装置放于湖库实验区域水体中，打开气阀缓慢排出气量记录轴6中原有气体后关闭气阀2，在倒置漏斗8下部不断充入植物油，充入植物油的体积是气量记录轴6体积的1.2倍，使浮动装置刚好触碰到气量记录轴6的上部垫片51，完成装置的安置。随着甲烷气泡的释放，在倒置漏斗8下部不断充入气体，由于气体的收集，水量不断从装置中排出，浮动装置7随水位逐渐下降，待水位下降至倒置漏斗8上部时，浮动装置7上的导电装置触碰到下部垫片52的导电部分，气阀开启，气量记录轴6中的气量被排出，浮动装置7随气量装置中的水位上升，待水位上升至上部垫片51时，浮动装置7上的导电材料触碰上部垫片51的导电部分，气阀2电路连通，气阀关闭，进行下一轮气体收集，气量记录仪3完成一个采集周期的采集记录，甲烷气体释放速率＝甲烷气体收集量/(收集时间×倒置漏斗敞口面积)。
综上，本发明提供的新型装置，将漏斗倒置于湖库水体，通过漂浮装置可随水位涨落自由波动，用于收集甲烷气泡；气量记录轴与控制腔协作控制甲烷气泡的收集与测量，实现了连续自动监测甲烷气泡释放的功效。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，包括控制腔、气量记录轴和倒置漏斗；所述倒置漏斗的敞口置于气量记录轴下方，所述气量记录轴底部位于倒置漏斗上部，顶部位于控制腔底部；所述气量记录轴与控制腔、倒置漏斗相互连通且对外部密封吻合；所述气量记录轴内部设有浮动装置，所述控制腔上设有气量记录仪和气量控制阀，所述浮动装置位于气量记录轴内浮动范围底部时，所述气量控制阀开启，所述浮动装置位于气量记录轴内浮动范围顶部时，所述气量控制阀关闭。
2.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述倒置漏斗的敞口底部边缘与气量记录轴的底部边缘的垂直距离为0.4~0.6m，漏斗敞口直径为1.0~1.2m。
3.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述气量记录轴为圆筒形状，气量记录轴与控制腔、倒置漏斗的中轴轴线完全重合。
4.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述气量记录轴制作材料为光滑有机玻璃，气量记录轴长度为0.3~0.5m，直径为3.0~3.2cm。
5.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述气量记录轴内浮动装置的浮动范围顶部设有上部垫片，底部设有下部垫片，所述上部垫片和下部垫片分别与所述气量控制阀电连接，所述浮动装置上设有能够使上部垫片或下部垫片上电路闭合的导电装置。
6.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述控制腔为圆柱状，直径为0.1~0.2m，高度为5~6cm。
7.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述浮动装置的浮动路线由若干非导电丝线控制。
8.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述控制腔上方设有漂浮装置。
9.根据权利要求1所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置，其特征在于，所述倒置漏斗的敞口与控制腔、气量记录轴之间沿周向均匀设置若干固定柱。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种用于湖库甲烷气泡释放连续自动监测装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将监测装置放于水体中，打开气量控制阀排出气量记录轴中原有气体后关闭气量控制阀；
（2）在倒置漏斗下部充入植物油，使浮动装置位于浮动范围顶部；
（3）倒置漏斗收集湖库中释放的甲烷气泡，随着气体的收集，水量不断从装置中排出，浮动装置随水位逐渐下降，待水位下降至倒置漏斗上部时，浮动装置到达浮动范围底部，气量控制阀开启，气量记录轴中的气量被排出，浮动装置随水位上升，到达浮动范围顶部，气量控制阀关闭，进行下一轮气体收集；
（4）气量记录仪完成一个采集周期的采集记录，得到甲烷气体释放速率=甲烷气体收集量/（收集时间×倒置漏斗敞口面积）。
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| 刘新红;高岩;郭俊尧;严少华;: "一种分层收集自然水体释放气体装置的应用效果", 江苏农业科学, no. 05 * |
| 胡茂俊;刘新红;易能;张力;张振华;严少华;高岩;: "一种底泥释放气体收集装置的设计", 江苏农业科学, no. 09 * |
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