CN111413469A - 一种测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法。该静态箱法包括如下步骤：将静态箱的箱体插入至待测的畜牧场开放源的地面并静置；然后配合箱盖密闭；通过出气口采集气体进行检测；静态箱包括两端开口的箱体；箱盖上设有出气口和T形通气管，其竖臂延伸至箱体内；箱体内设有混流风扇。本发明采用的静态箱设置T型通气孔，可以平衡箱体内外压强，减小了文丘里效应造成的影响；同时还设置混流风扇，有利于箱体内气体的混合，进而提高静态箱法测量气体排放通量的准确性。本发明改进了气体排放通量的计算方法，通过引入正态分布随机数来修正静态箱所测气体浓度，并引入排放量理论低估率来降低计算方法对静态箱检测气体排放通量准确的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法，属于畜牧养殖业技术领域。
背景技术
联合国粮农组织在2013年8月发表的报告中指出，农业领域是温室气体的重要排放源，其中畜牧业温室气体排放量占全球人为温室气体排放总量的18％。全球畜禽养殖业所产生的甲烷、氧化亚氮以及二氧化碳占人类活动排放总量的37％、65％和9％。为测算畜牧业中的温室气体排放量、评估其对生态环境的影响，需要对畜牧生产过程中产生的甲烷和氧化亚氮气体排放通量进行检测。
理论上示踪气体法和微气象法是检测气体排放量较为理想的方法，但此类方法对检测环境的稳定性和仪器设备的要求较高，且操作复杂，对于畜牧养殖业其实际使用难度很大。微气象法适用于较大范围开放源的温室气体排放通量检测，对自然条件下检测地土壤情况、空气流动、动物习性及其周边环境不会产生影响，测试结果理论上很准确；但需要大量精密仪器，成本高，操作复杂，且要求检测系统的空气环境具有较高的稳定性，对风速、风向的稳定性要求很高。示踪法同样适用于不同空间大小的温室气体排放检测，与微气象法相比操作较为简单；但需要稳定释放大量示踪气体，在示踪气体与被检测的目标气体充分混合后，要求能够实时精确检测示踪气体及目标气体浓度，同时也对检测对象的风度、风向的稳定要求较高。
静态箱法简单、经济、便捷，能同时测定分析多种气体成分，因此是现场检测温室气体排放量的首选，运用广泛。但由于箱体大小限制，静态箱法形成的密闭环境会对检测表面的小气候环境造成干扰，使用环境、操作步骤等因素都给箱法带来一定的不确定度。现有静态箱法运用的静态箱无统一标准，因此需要提供一种高精度的检测气体排放通量的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法，该方法可以提高现场检测精度，且在排放源表面风速低于2m/s的情况下的检测稳定性较好，解决现有静态箱检测精度受限、无标准操作方法的问题。
本发明所提供的测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法，包括如下步骤：
将静态箱的箱体插入至待测的畜牧场开放源的地面并静置；然后配合箱盖进行密闭；通过所述出气口采集气体进行检测；
所述静态箱包括两端开口的所述箱体，所述箱体的一端开口能与所述箱盖密封配合；
所述箱盖上设有出气口，通过所述出气口进行采样，可进行短时间监测；
所述箱盖上设有一T形通气管，所述T形通气管的竖臂延伸至所述箱体内，所述T形通气管可以平衡箱体内外压强，减小了文丘里效应造成的影响；
所述箱体内设有一混流风扇；测定时，启动所述混流风扇以使所述箱体的内外压差为零。
本发明静态箱法中，所述箱体优选圆柱筒体。
本发明静态箱法中，所述箱体和所述箱盖均采用有机玻璃材料，具有良好的耐冲击性以及耐久性，使用寿命长；且外表面均涂有防水隔热漆。
本发明静态箱法中，所述箱盖上设有进气口，将所述出气口和所述进气口均与气体检测设备连接，可实现持续性监测。
本发明静态箱法中，所述T形通气管设于与所述进气口和所述出气口连线的垂直方向上；
所述进气口、所述出气口与所述T形通气管与所述箱盖中心的距离相等，可使进气、出气以及外界风速通过所述T形通气管对所述箱体内部产生的这三部分影响均分分布与箱内，不会造成某一部分的影响过大或过小，影响箱内气体分布的均匀性和箱内气流的稳定性。
本发明静态箱法中，位于所述箱体内的所述T形通气管的所述竖臂的长度与箱体高度之比为1：15～20；位于所述箱盖上部的所述T形通气管的所述竖臂的长度没有要求，只要伸出即可；
所述T形通气管的横臂的长度与箱体直径之比为1：1.5～2；如D300 mm×H300 mm(直径×高度)的箱体，所述T型通气孔伸入所述箱体内的竖臂的长度为20mm，位于所述箱体上部的竖臂的长度为20mm；
横臂的长度为150mm，两侧各75mm。
本发明静态箱法中，启动所述混流风扇，使所述箱体内距地面至少50mm处的风速不大于1m/s，此时可保证所述箱体内外的压差为零，保证测定的准确性。
本发明静态箱法中，所述箱体与所述箱盖之间通过螺栓连接，配合处设有橡胶垫圈以保证其气密性。
本发明静态箱法中，所述箱体插入地面的深度至少为50mm；
所述静置的时间至少为24h，以防止所述箱体与排放源交界处微环境的影响。
本发明静态箱法中，至少设置3个等时间梯度进行采样；根据采样时间和所述箱体内的气体浓度，得到排放源目标气体的排放通量；具体按照如下公式得到：
按照式(1)对所述箱体内的气体浓度进行修正：
CC＝C+ζ 式(1)
式(1)中，Cc表示修正后箱体内气体浓度，mg/m2；C表示箱体内气体浓度，mg/m2；ζ表示从平均值为0、标准差为σ的正态分布中任取的随机数；
其中，σ按照式(2)得到：
式(2)中，CV表示变异系数，取值为1.5％；
以密闭时间为横坐标，以修正后箱体内气体浓度为纵坐标，绘制曲线，添加趋势线对其进行二次多项式拟合为式(3)，则得到系数x、y和z：
CC＝xt2+yt+z 式(3)
式(3)中，t表示密闭时间(总密闭时间)，min；
根据式(5)得到目标气体排放量：
式(5)中，F表示目标气体排放量，mg/(m2·min)；TFU表示排放量理论低估率，％，由式(6)得到：
式(6)中，E1表示关于箱体有效高度以及密闭时间的系数，由式(7)得到：
式(7)中，H表示箱体的有效高度，即所述箱体的高度与插入至地面深度的差值，cm；
E2表示关于排放源性质的系数，由式(8)得到：
E2＝[φ+θ(βK-1)]Dφ2(1-θ/φ)(2+3/b) 式(8)
式(8)中，φ表示排放源总孔隙度，％；θ表示体积含水量，％；β表示pH修正因子，对于氧化亚氮及甲烷气体取1，对于二氧化碳气体当pH值小于约5.0时取1；K表示微量气体亨利定律气液分配系数；D表示空气中微量气体的差异系数，cm2/h；b表示排放源孔径分布参数，一般采用b＝13.6CF+3.5来估算，CF表示粘土的分数；
其中D由式(9)得到：
式(9)中，D25表示25℃时空气中微量气体的差异系数，氧化亚氮为511.7cm2/h，甲烷为781cm2/h，二氧化碳为652.3cm2/h；Ts表示环境温度；
式(10)中，K表示指定温度下的亨利常数；K25表示25℃时的亨利常数；χ表示温度响应因子；氧化亚氮的K25和χ的值分别为0.6116和2600K；甲烷的K25和χ的值分别为0.488和1700K；二氧化碳的K25和χ的值分别为0.8318和2400K。
优选地，所述箱体密闭40～50min后再进行采样；
相邻两次采用的时间间隔为5～10min。
本发明方法适用于监测环境为甲烷、氧化亚氮以及二氧化碳排放量分别低于12.40mg/(m2·h)、2.40mg/(m2·h)和6 795.20mg/(m2·h)的排放源。
相比于现有技术，本发明具有如下优势：
本发明采用的静态箱设置T型通气孔，可以平衡箱体内外压强，减小了文丘里效应造成的影响；同时还设置混流风扇，有利于箱体内气体的混合，进而提高静态箱法测量气体排放通量的准确性。本发明改进了气体排放通量的计算方法，通过引入正态分布随机数来修正静态箱所测气体浓度，并引入排放量理论低估率来降低计算方法对静态箱检测气体排放通量准确的影响。
附图说明
图1为本发明方法采用的静态箱的总体示意图。
图2为本发明方法采用的静态箱的正视结构示意图。
图3为本发明方法采用的静态箱的俯视结构示意图。
图4为本发明采用静态箱法监测时的示意图。
图5为北京某奶牛场监测的表面风速分布图。
图中标号说明：
1-箱体、2-箱盖、3-T型通气孔、4-混流风扇、5-螺栓孔、6-进气口、7-出气口、8-橡胶垫圈、9-混流风扇电源、10-检测设备。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1和图2所示，本发明测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法采用的静态箱，包括两端开口的箱体1和箱盖2，箱体1为圆柱体，两者由螺栓穿过螺栓孔5连接，为保证气密性配合处增设橡胶垫圈8。箱盖2上设有T型通气孔3、向下延伸、与箱盖平面平行的混流风扇4以及进气口6和出气口7。采用该静态箱进行监测时，按照图3所示与检测设备10连接，监测时将箱体1扣至地表，插入地面50mm，在箱体1上方放置橡胶垫圈8，盖上静态箱盖子2，拧紧螺丝，保证静态箱密闭，通过出气口7以及进气口6进行采样。
具体地，本发明实施例采用的静态箱的规格如下：箱体1为D300 mm×H300 mm(直径×高度)的无底圆柱；箱盖2的圆心处设有混流风扇4，外径为110mm，混流风扇4底部距箱盖2约150mm；距箱盖2中心两侧75mm处设有进气口6和出气口7，以便连接内径为3mm的硅胶采样管和特氟龙采样管；在于进出气口连线垂直的方向上，距箱盖2的中心75mm处安装由有机玻璃制成的T型通气孔3，向下深入箱体20mm，向上伸出20mm，顶端向两边分别伸出75mm，通气孔外径为2mm。
本发明实施例中，静态箱的箱体1以及箱盖2均采用有机玻璃材料，有良好的耐冲击性以及耐久性，使用寿命长；箱体1和箱盖2外表面涂有防水隔热漆；进气口6以及出气口7与检测设备相连的管路均选用特氟龙管，其耐腐蚀性高，耐湿耐晒，可在露天环境下使用；有一定的耐热耐寒性，在不同地区的不同天气条件下均可以使用。
本发明实施例中，所述混流风扇可使用电池供电，电池电压为12V，避免在畜禽场等场所检测时无电源插座而影响检测，也避免了畜禽场内插电使用带来的安全隐患；如需长时间检测，必要情况下也可采用电源供电。
如果需要进行一个时间段的持续性检测，则出气口7连接检测设备10的进气口，进气口6连接检测设备10的出气口，根据设定的时间间隔进行采样和检测，通过出气口7抽取静态箱内的气体样本，考虑到检测的准确性，气体样本应在检测完成后通过进气口6流回静态箱体内。需要注意的是，连续采样得到的多组数据应列入同一表格进行式(3)拟合，带入公式的时间为检测时得到最后一组数据时静态箱的密闭时间。
如果需要进行等时间梯度采样，可以封闭静态箱的进气口6，仅将静态箱的出气口7与检测设备10进气口相连，密闭静态箱，至预定的检测时间进行检测，通过出气口7抽取静态箱内的气体样本，由检测设备10进行检测，检测完成后可直接由检测设备10排出，不再通过进气口6流回静态箱体内。需要注意的是，由于要将得到的静态箱内测量的气体浓度与检测时间进行式(3)的拟合，所以至少设置3个等时间梯度进行采样。
如果检测场地没有气体浓度检测设备，或设备过大，不易搬运，可采取抽取气体样本，之后统一送检的方式进行采样和检测。此时封闭静态箱的进气口6，仅将静态箱的出气口7与集气袋或其它气体保存装置相连。考虑到检测的准确性，推荐采用在若干时间点采样的方式进行采样，而非持续性采样方式。需要注意的是，由于要将得到的静态箱内测量的气体浓度与检测时间进行式(3)的拟合，所以至少设置3个等时间梯度进行采样。
监测前需将静态箱的箱体1插入排放源的地面至少50mm，并静置24h，以防止箱体与排放源交界处微环境的影响。
分别采用本发明静态箱法、现有方法一和现有方法二对已知气体排放通量的模拟排放源氧化亚氮的排放通量进行检测，排放源表面风速分别为1.0m/s、1.5m/s和2.0m/s；箱体1插入排放源的地面50mm，静置24h；静态箱密闭时间为50min，采样间隔为10min，启动混流风扇4使箱体1内距地面50mm处的风速为1m/s，通过上述三种方法对氧化亚氮排放通量进行测定。
本发明静态箱法按照式(1)-式(10)得到排放源目标气体的排放通量F。
现有技术方法一按照式(3)-式(10)得到放源目标气体的排放通量F。
现有技术方法二按照式(11)得到放源目标气体的排放通量F。
式(11)中，V表示静态箱体积，m3；A表示静态箱体插入排放源的截面面积，m2；
表示静态箱内气体浓度随密闭时间增长的变化率，mg/(m3·min)。
三种测定方法的测定值与实际气体排放通量的偏差率如表1中所示。
表1三种方法得到的不同风速下氧化亚氮排放通量与实际值的偏差率(％)
由表1中的数据可以看出，在各种排放源表面风速下，本发明测定方法的准确率均最高，与本发明静态箱的配合性最好。在不同排放源表面风速下，当排放源表面风速为1.0m/s时的测定结果的准确率最高。经长期监测，畜牧场开放源表面风速全年92.97％的平均风速在2.0m/s以下(图5所示为北京某奶牛场监测的表面风速分布图)，说明本发明静态箱法适用于畜牧场开放源温室气体排放通量的测定。
采用四种不同的静态箱，按照本发明方法在已知气体排放通量的排放源表面风速分别为0.0m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s的环境下对氧化亚氮排放通量进行检测，静态箱密闭时间为50min，采样间隔为10min。
四种静态箱的箱体1的规格均为D300mm×H300mm，箱盖2上的设置不同，其中，T型通气孔和混流风扇的规格均与上述实施例中的特征相同：
静态箱a：未设置T型通气孔3和混流风扇4；
静态箱b：设置T型通气孔3，未设置混流风扇4；
静态箱c：设置混流风扇4，未设置T型通气孔3；
静态箱d：设置T型通气孔3和混流风扇4，即本发明方法采用的静态箱。
对比采用四种静态箱测得的氧化亚氮排放通量与实际气体排放通量的偏差率，如表2所示。由表2中的数据可以看出，由于畜牧场开放源表面风速不会大于2m/s，采用设置T型通气孔3和混流风扇4的静态箱时的测定准确率更高。
表2四种静态箱测定的氧化亚氮排放通量与实际值的偏差率(％)
上述各实施例均仅用于说明本发明，其中各个部件的材料、制作工艺以及供电方式等均可根据实际情况和需要进行改变。凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种测定畜牧场开放源温室气体排放通量的静态箱法，包括如下步骤：
将静态箱的箱体插入至待测的畜牧场开放源的地面并静置；然后配合箱盖进行密闭；通过所述出气口采集气体进行检测；
所述静态箱包括两端开口的所述箱体，所述箱体的一端开口能与所述箱盖密封配合；
所述箱盖上设有出气口；
所述箱盖上设有一T形通气管，所述T形通气管的竖臂延伸至所述箱体内；
所述箱体内设有一混流风扇；测定时，启动所述混流风扇以使所述箱体的内外压差为零。
2.根据权利要求1所述的静态箱法，其特征在于：所述箱盖上设有进气口。
3.根据权利要求2所述的静态箱法，其特征在于：所述T形通气管设于与所述进气口和所述出气口连线的垂直方向上。
4.根据权利要求3所述的静态箱法，其特征在于：所述进气口、所述出气口与所述T形通气管与所述箱盖中心的距离相等。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的静态箱法，其特征在于：位于所述箱体内的所述T形通气管的所述竖臂的长度为与箱体高度之比为1：15～20；
所述T形通气管的横臂的长度与箱体直径之比为1：1.5～2。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的静态箱法，其特征在于：启动所述混流风扇，使所述箱体内距地面至少50mm处的风速不大于1m/s；
所述箱体与所述箱盖之间通过螺栓连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的静态箱法，其特征在于：所述箱体插入地面的深度至少为50mm；
所述静置的时间至少为24h。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的测定方法，其特征在于：至少设置3个等时间梯度进行采样；根据采样时间和所述箱体内的气体浓度，得到排放源目标气体的排放通量；具体按照如下公式得到：
按照式(1)对所述箱体内的气体浓度进行修正：
CC＝C+ζ 式(1)
式(1)中，Cc表示修正后箱体内气体浓度，mg/m2；C表示箱体内气体浓度，mg/m2；ζ表示从平均值为0、标准差为σ的正态分布中任取的随机数；其中，σ按照式(2)得到：
式(2)中，CV表示变异系数，取值为1.5％；
以密闭时间为横坐标，以修正后箱体内气体浓度为纵坐标，绘制曲线，添加趋势线对其进行二次多项式拟合为式(3)，则得到系数x、y和z：
CC＝xt2+yt+z 式(3)
式(3)中，t表示密闭时间，min；
根据式(5)得到目标气体排放量：
式(5)中，F表示目标气体排放量，mg/(m2·min)；TFU表示排放量理论低估率，％，由式(6)得到：
式(6)中，E1表示关于箱体有效高度以及密闭时间的系数，由式(7)得到：
式(7)中，H表示箱体的有效高度，cm；
E2表示关于排放源性质的系数，由式(8)得到：
E2＝[φ+θ(βK-1)]Dφ2(1-θ/φ)(2+3/b) 式(8)
式(8)中，φ表示排放源总孔隙度，％；θ表示体积含水量，％；β表示pH修正因子，对于氧化亚氮及甲烷气体取1，对于二氧化碳气体当pH值小于约5.0时取1；K表示微量气体亨利定律气液分配系数；D表示空气中微量气体的差异系数，cm2/h；b表示排放源孔径分布参数，一般采用b＝13.6CF+3.5来估算，CF表示粘土的分数；
其中D由式(9)得到：
式(9)中，D25表示25℃时空气中微量气体的差异系数，氧化亚氮为511.7cm2/h，甲烷为781cm2/h，二氧化碳为652.3cm2/h；Ts表示环境温度；
式(10)中，K表示指定温度下的亨利常数；K25表示25℃时的亨利常数；χ表示温度响应因子；氧化亚氮的K25和χ的值分别为0.6116和2600K；甲烷的K25和χ的值分别为0.488和1700K；二氧化碳的K25和χ的值分别为0.8318和2400K。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的测定方法，其特征在于：所述箱体密闭40～50min后再进行采样；
相邻两次采用的时间间隔为5～10min。
10.根据权利要求2-8中任一项所述的测定方法，其特征在于：将所述出气口和所述进气口均与气体检测设备连接，实现持续性检测。
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