CN111861199B - 一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法 - Google Patents

一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法,涉及检测通量设备技术领域。首先建立了定量排放甲烷气体的点源技术，并根据农田生态系统甲烷排放的行为，用60个点源模拟一条60米长度的甲烷排放线源，根据通量观测设备安装高度及历史环境数据，利用足迹模型评估上风向源区贡献率最大点距通量塔之间的距离，将线源布置在通量塔上风向该距离处，并调整方向，线源持续排放纯甲烷气体，排放速率每20秒一次，排放量由定量管体积、甲烷气源压力和排放时间决定。通过通量塔上的检测设备测量以及观测数据的协方差处理，最后通过足迹模型分析，建立数据处理规范，进而对观测数据做质量判别，或对实验方案的设计进行指导。

Description

一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测 方法
技术领域
本发明涉及通量观测检测设备技术领域，尤其涉及一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法。
背景技术
几乎所有的通量观测都是从确定观测对象(生态系统)开始的，然后是寻找合适的森林、草地或农田观测场所。观测场所选择是一个重要问题，它关系到所获得数据的价值，在通量塔的建设过程中需要首先对通量塔的数据质量进行检测，从而防止通量塔所获取的观测数据与实际情况不符从而影响研究成果的准确性，而现有技术中缺少一种能够定量化快速对通量塔获取数据的准确性进行检测的方法。
源区分析是一个检查通量观测数据质量的重要方面。足迹函数表述如下：
其中，F x是通量塔测量的通量，F ij是上风向某点(x，y)的地面源强，Φij则是通量的足迹函数，表示(x，y)处单位下垫面对所测通量F x的贡献率。Δx ij和Δy ij表示模型分辨率，即积分步长。足迹函数与观测高度、以及风速风向、地表粗糙度、大气稳定度等因素有关。因此，方程(1)表示了所有感兴趣“源区”的贡献，而其余“区域”的贡献率则视为零。
对于仅有一个点源时，方程(1)可表示为：
这里，F ij,source是这个点源的通量密度(nmole m-2s-1)，Φij,source是这个点源的足迹函数(m-2)，Δx ij*Δy ij是这个点源的面积(m 2)。假设，f x是这个点源的排放量(nmole s-1)，则有，
F ij，source＝f x/(Δx ij*Δy ij) (3)
同理，对一条线源来说，有：
这里A source是线源面积。
用排放量f source表示，则：
若所有的贡献来自两条线源，则有：
求解足迹函数Φsource，有多种模式，如解析模式(Analytical)KM模型；和拉格朗日随机扩散模式(Lagrangian stochasti)FFP模型。由上述公式可知，无论用哪种模型，都需要稳定排放量的源f source，才能做定量分析。
农田生态系统中，甲烷是扩散型痕量气体。水稻田甲烷的排放是一个气泡、一个气泡均匀排放的，在一段时间内，其排放速率是直线，这也是可用密闭静态箱法检测甲烷排放的缘由。因此，点源和线源的设计首先必须考虑定量且均匀排放。现有技术中存在有通过点源的排放模型验证通量塔数据准确度的方法，但对农田生态系统来说，较为稳定的风向是得到可靠实验数据的必要条件，现实中，湍流的多变使得通量塔的测量数据不能有效反映单个点源的排放。
发明内容
本发明提供一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法，以解决现有技术中缺少一种能够覆盖上风向一定范围、定量排放甲烷的线源，并模拟水稻田甲烷痕量气体的排放行为，以每20秒排放一次定量甲烷气体。即模拟线源排放速率恒定。更换不同体积的定量管，可得到不同的通量。通过足迹函数分析得到模型拟合的数据规范，可有效用于通量塔检测数据的质量判别。
一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法，包括定量点源、线源和控制排放系统及排放实验设计评价方法。通量观测系统数据由甲烷浓度检测设备(Li-7700)、二氧化碳及H 2O检测仪(Li-7500)、三维超声风速仪(CSAT3B)等设备测量得到，但不限于这些观测设备，并由数据采集处理器(CR6)存储。点源由气控元件和自制定量管构成，自制定量管用外径8mm、内径5mm的聚氨酯管和快换接头构建，方便更换不同体积的定量管。线源由多达60个点源以直线方式间隔一米组成，放置在同一高度，形成长达60米的模拟线源，所有点源的甲烷气源接入口用外径4mm的聚氨酯管相连，并通过平衡压力管网连接到甲烷气源的精密调压输出。平衡压力管网确保定量管中的甲烷气体压力基本一致，从而确保所有点源的排放量基本一致。所有点源的气控口用外径4mm的聚氨酯管相连，并接到2只受程序控制的电磁阀输出上，这2只电磁阀的输入是经调压阀调压后的高纯氮气源。这2只电磁阀同时开时，气控管路加压，所有点源排放定量管中的甲烷。这2只电磁阀同时关时，气控管路排空氮气，所有定量管充入甲烷。控制排放系统由数据采集控制器(CR1000)、开关控制器(SDM-CD16AC)、风速风向传感器(Young03002-5)、电源(PS100)、精密调压机构、太阳能板，以及2只SYJ312T电磁阀组成，精密调压机构整体由调压阀、过滤器以及减压阀依次串联而成，甲烷气体经过紧密调压阀后实现气压的精密调节从而使其通过平衡压力管网进行输送(图2)。
如果需要，可控制4条线源的排放。
验证通量塔设备数据质量的方法包括以下步骤：
(一)首先通过三维超声风速仪的主风向位置安置线源。通量塔的位置设为A，一排线源的首端位置设为B，一排线源的末端位置设为C，夹角BAC为60度，即覆盖主风向正负30度范围。BC边垂直于AC边，且垂直距离35米，BC边长60米(图5)。
(二)排放控制程序测量风速风向，自动计算前5分钟的矢量合成风向，并作为对下5分钟执行动作的判定依据。当风速较稳定、风摆角度不大时，5分钟矢量合成风向在主风向正负30度范围内，控制程序就开始控制气控源(高纯氮气)的充压和排放，从而进行60个点源同时排放等量纯甲烷气体。当风速不稳定，风摆较大，5分钟平均风向偶然会超出主风向正负30度范围时，可固定风向传感器朝向主风向，达到持续排放甲烷气体的目的。
(三)排放实验结束后，对通量塔上的数据进行处理，得到排放时期区域甲烷通量5分钟、15分钟和30分钟的数据，剔除排放期间换气源钢瓶时间的数据，剔除水汽压差(VPD)小于0.6千帕的数据，并拼接数据供模型分析。
(四)更换不同体积的定量管，重复排放实验。
(五)调整不同的定量管排放高度，重复排放实验。
(六)将线源按权重分为两段，以评估不同排放距离对模型预测的影响。
(七)最后用FFP模型和KM模型拟合作足迹分析，判定最优实验设计组合，以评价通量塔检测数据质量，及检测设备质量。
(八)一个实验设计组合中，每种实验设计因子都对应一个最优线宽，当组内所有的实验因子都指向相近的最优线宽时，即组内线宽标准差最小，对应的实验组合为最优实验设计组合。
进一步，点源甲烷释放装置(图3)，由定量管和气动元件组成，定量管接到A口，甲烷气源接入P口，当气控压力为零时，甲烷气体充入定量管，当气控压力大于甲烷气源接入口压力时，定量管内甲烷气体将通过R口进行排放。其作用在于，由于甲烷气体易燃，因此甲烷释放装置采用气控方式，避免了电子控制可能产生的火花风险，从而提高了本发明的安全性能。
进一步，60个点源连续以20秒一次的排放等量甲烷气体的速率同时排放，形成一条模拟线源。60米长的模拟线源应当覆盖通量塔主风向至少正负30度的测量范围，得到完整可靠的通量数据。
进一步，单个点源处设置有多个甲烷释放装置，从而使单个点源处的甲烷释放装置聚集形成大排放量的点源，增加了本发明的实验范围。
进一步，本发明中点源的排放高度、排放距离以及排放浓度均能够进行控制调节，因此可以对排放高度、排放距离以及排放浓度的组合因子对模型的影响进行评估，进而找出最优组合，指导未来的线源排放实验。
进一步，因为通量塔的三维超声风速仪(CSAT3B)可同时输出到2台数据采集处理器(CR6)。因此，通量塔上可以安装2台不同型号的甲烷浓度检测设备。用本发明的方法来比较甲烷浓度检测仪的性能是否合格。
进一步，用FFP模型和KM模型分析表明，(1)不同的排放量有不同的最佳线源宽度，排放量与线源宽度呈正线性相关，有等比例缩放的关系(见图4)。也就是说，拟合排放量的大小反映了模拟线源宽度的改变。(2)不同的模型分析会得到不同的线源宽度，模拟计算的排放量与实际排放量等于1时，得到各自模型的最佳线源宽度。(3)最小排放量应当大于区域本底平均通量。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
其一，在现有的农田生态环境甲烷通量观测系统鲜见线源排放足迹分析实验。本发明的足迹分析结果将提供实验规范和数据处理规范。
其二，本发明可以用于比对国产研发甲烷浓度检测设备和国外成熟设备的性能。
其三，本发明将易燃易爆的甲烷气体存储在高压气罐中，本设计通过气动模块驱动甲烷气体的排放，而不是电磁阀控制，避免了电子控制可能产生的火花风险，从而提高了本发明的安全性能。
其四，本发明中通过程序自动控制，根据前5分钟的平均风速、风向及风向标准差预测下个5分钟的风速及方向区间，只有风速大于阈值，风向落入目标观测区域时，即线源排放所在区域，排放才会打开，节约气罐中甲烷气体的无效损耗，提高实验效率。
其五，本发明中点源的排放高度、排放距离以及排放浓度均能够进行控制调节，因此可以对排放高度、排放距离以及排放浓度的组合因子对模型的影响进行评估，进而找出最优组合，指导未来的线源排放实验。
其六，本发明在同一时刻，同一排放量，同一安装高度，同一植被高度等的同环境中，实现对距离因子的评价，分析结果因为背景环境均相同，消除了其它实验中存在的不同设置间的系统误差，结果更加清晰，可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中通量塔实验区的立体结构示意；
图2为本发明中控制排放系统中各部件的位置分布示意图；
图3为本发明中甲烷释放装置的专用动作状态图：
图4为FFP模型和KM模型的最佳线源宽度，即模型预测排放速率等于实际排放速率时对应的线源宽度。
图5为线源位置平面图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种模拟线源排放技术和通量观测数据质量检测方法，通量观测数据观测数据由甲烷浓度检测设备(Li-7700)、二氧化碳及H 2O检测仪(Li-7500)、三维超声风速仪(CSAT3B)等设备测量得到，并由数据采集处理器(CR6)存储。甲烷浓度检测设备能够对上风向空气中的甲烷浓度进行检测，通过在通量塔上设置的三维超声风速仪测量湍流的三维风等参数，并与其它痕量气体测量仪器的高频测量数据一起，进行协方差计算，得到区域排放量等数据。点源由气控元件(SYJA324)和自制定量管构成。模拟线源由60个点源组成，且两个相邻的点源之间的间距为一米。通量塔的位置设为A，一排点源的首端位置设为B，一排点源的末端位置设为C，夹角BAC为60度，BC边垂直于AC边，且垂直距离35米，BC边长60米，通过60个点源同时排放等量纯甲烷气体，从而组成一个模拟线源。
验证通量塔设备数据质量的方法包括以下步骤：
(一)首先通过三维超声风速仪的主风向位置安置线源。通量塔的位置设为A，一排线源的首端位置设为B，一排线源的末端位置设为C，夹角BAC为60度，即覆盖主风向正负30度范围。BC边垂直于AC边，且垂直距离35米，BC边长60米(图5)。
(二)排放控制程序测量风速风向，自动计算前5分钟的矢量合成风向，并作为对下5分钟执行动作的判定依据。当风速较稳定、风摆角度不大时，5分钟矢量合成风向在主风向正负30度范围内，控制程序就开始控制气控源(高纯氮气)的充压和排放，从而进行60个点源同时排放等量纯甲烷气体。当风速不稳定，风摆较大，5分钟矢量合成风向偶然会超出主风向正负30度范围时，可固定风向传感器朝向主风向，达到持续排放甲烷气体的目的。
(三)排放实验结束后，对通量塔上的数据进行处理，得到排放时期区域甲烷通量5分钟、15分钟和30分钟的数据，剔除排放期间换气源钢瓶时间的数据，剔除饱和水汽压差(VPD)小于0.6千帕的数据，并拼接数据供模型分析。
(四)更换不同体积的定量管，重复排放实验。
(五)调整不同的定量管排放高度，重复排放实验。
(六)将线源按权重分为两段，以评估不同排放距离对模型预测的影响。
(七)最后用FFP模型和KM模型拟合作足迹分析，判定最优实验设计组合，以评价通量塔检测数据质量，及检测设备质量。
(八)一个实验设计组合中，每种实验设计因子都对应一个最优线宽，当组内所有的实验因子都指向相近的最优线宽时，即组内线宽标准差最小，对应的实验组合为最优实验设计组合。
优选的，点源处设有甲烷释放装置，甲烷释放装置由气控元件(SYJA324)和定量管组成，定量管接到A口，甲烷气源接入P口，当气控压力为零时，甲烷气体通过甲烷气源接入口P口进入并且充入A口的定量环，当气控压力大于甲烷气源接入口压力时，定量管内甲烷气体将通过排放口R口进行排放。其作用在于，由于甲烷气体易燃，因此甲烷释放装置采用气控方式，避免了电子控制可能产生的火花风险，从而提高了本发明的安全性能。在实验中，选取三种定量体积，分别是2.36mL、4.32mL和6.68mL。甲烷气源压力在0.18-0.2MP范围，按0.19MP压力计算，每次每个点源的排放量分别是4.48mL、8.21mL和12.68mL。排放量的选择除了实验要求外，应当有如下考虑，其下限要大于区域排放本底，以及远大于阀体残留及泄露；其上限要符合气动元件的流量特性。
优选的，单个点源处设置有多个甲烷释放装置，从而使单个点源处的甲烷释放装置聚集形成大排放量的点源，增加了本发明的实验范围，与实验准确度。
优选的，本发明中点源的排放高度、排放距离以及排放浓度均能够进行控制调节，因此可以对排放高度、排放距离以及排放浓度的组合因子对模型的影响进行评估，进而找出最优组合，指导未来的线源排放实验。
本发明中整个线源由60个点源间隔1米组成甲烷气源接入口通过平衡气路管网与甲烷气源相连，气控口分两路串联到2只电磁阀，与气控氮气源相连。这2只电磁阀受控制系统单元控制。控制系统由数据采集器CR1000及相关组件构成，12V电源由太阳能板提供。
10MP8升钢瓶能提供800L纯甲烷气体，在所选排放量情况下，可提供5-10小时的气源。钢瓶输出压力在0.22-0.25MP，再经过过滤和精密调压(0.18-0.2MP)之后，通过平衡气路管网，给每个点源的1(P)口提供压力在0.19MP的甲烷气源，其压力误差小于1％，以确保每个点源的排放量基本一致
同样，10MP8升钢瓶的高纯氮气作为气控源。调压到0.22MP，通过2只12V电磁阀，分2路给60只点源提供气控源。由于气路长短差异，点源之间存在1秒的延迟，但排放时间间隔不变。可以使用多只12V电磁阀来缩短气控时间延迟，但会增加气路长度，消耗更多的氮气。
通常，排放口的高度在地面上5-10厘米处。但当作物冠层较高时，需要调整排放高度。不同高度不同排放量的数据应当分开作模型分析。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种模拟线源排放甲烷技术和通量观测系统数据质量检测方法，其特征在于，用气控元件和定量管构成定量排放点源，并用60个点源按一米间隔直线放置，按每20秒同时排放一次等量的定量管内甲烷气体，每分钟排放3次，构成模拟排放线源，控制程序记录排放时期的排放次数，总的线源排放量等于：定量管体积乘以甲烷气源压力、乘以排放次数、再乘以点源数量，通过通量塔上的检测设备测量以及数据的协方差处理，得到排放时期区域甲烷通量5分钟、15分钟和30分钟的数据，最后通过足迹模型分析，建立数据处理规范，所述通量塔的位置设为A，三维超声风速仪的朝向是主风向，根据通量观测设备安装高度和历史环境数据可确定线源最佳安放位置，并且整个线源应当覆盖主风向至少正负30度夹角，一排多个点源同时排放等量纯甲烷气体组成一个模拟线源；
验证通量塔设备数据质量的方法包括以下步骤：
(一)首先通过三维超声风速仪的主风向位置安置线源，所述通量塔的位置设为A，一排所述线源的首端位置设为B，一排所述线源的末端位置设为C，夹角BAC为60度，即覆盖主风向正负30度范围,BC边垂直于AC边，且垂直距离35米，所述BC边长60米；
(二)排放控制程序测量风速风向，自动计算前5分钟的矢量合成风向，并作为对下5分钟执行动作的判定依据,当风速较稳定、风摆角度不大时，5分钟矢量合成风向在主风向正负30度范围内，控制程序就开始控制气控源的高纯氮气的充压和排放，从而进行60个点源同时排放等量纯甲烷气体，当风速不稳定，风摆较大，5分钟矢量合成风向偶然会超出主风向正负30度范围时，可固定风向传感器朝向主风向，达到持续排放甲烷气体的目的；
(三)排放实验结束后，对通量塔上的数据进行处理，得到排放时期区域甲烷通量5分钟、15分钟和30分钟的数据，剔除排放期间换气源钢瓶时间的数据，剔除饱和水汽压差小于0.6千帕的数据，并拼接数据供模型分析；
(四)更换不同体积的定量管，重复排放实验；
(五)调整不同的定量管排放高度，重复排放实验；
(六)将线源按权重分为两段，以评估不同排放距离对模型预测的影响；
(七)最后用FFP模型和KM模型拟合作足迹分析，判定最优实验设计组合，以评价通量塔检测数据质量，及检测设备质量；
(八)一个实验设计组合中，每种实验设计因子都对应一个最优线宽，当组内所有的实验因子都指向相近的最优线宽时，即组内线宽标准差最小，对应的实验组合为最优实验设计组合。
2.根据权利要求1所述的一种验证通量塔设备数据质量的方法，其特征在于，所述点源处设有甲烷释放装置，所述甲烷释放装置由定量管、甲烷气源接入口和排放口组成，所述甲烷气源接入口连通至定量管，当气控压力为零时，甲烷气体通过甲烷气源接入口进入并且充入定量管，当气控压力大于甲烷气源接入口压力时，定量管内甲烷气体将通过排放口进行排放。
3.根据权利要求1所述的一种验证通量塔设备数据质量的方法，其特征在于，所述线源由60个点源以直线方式间隔一米组成，放置在同一高度，所有点源的甲烷气源接入口相连，所有点源的接头处设有气控口，所有点源的气控口相连，且气控口并接到两只受程序控制的电磁阀输出上，两只电磁阀的输入是调压后的高纯氮气源，所述甲烷接入口处设有精密调压的平衡压力网。
4.根据权利要求1所述的一种验证通量塔设备数据质量的方法，其特征在于，(1)用FFP模型和KM模型拟合作足迹分析时，它们的最佳线源宽度是不同的，但排放量与线源宽度呈正线性相关，有等比例缩放的关系；(2)不同的模型分析会得到不同的线源宽度，模拟计算的排放量与实际排放量等于1时，得到各自模型的最佳线源宽度；(3)中点源的排放高度、排放距离以及排放浓度均能够进行控制调节，因此可以对排放高度、排放距离以及排放浓度的组合因子对模型的影响进行评估，进而找出最优组合，指导未来的线源排放实验；(4)在同一时刻，同一排放量，同一安装高度，同一植被高度等的同环境中，实现对距离因子的评价，分析结果因为背景环境均相同，消除了其它实验中存在的不同设置间的系统误差，结果更加清晰，可靠；(5)最小排放量应当大于区域本底平均通量。
5.根据权利要求1所述的一种验证通量塔设备数据质量的方法，其特征在于，通量塔的三维超声风速仪可同时输出到2台数据采集处理器，因此，通量塔上可以安装2台不同型号的甲烷浓度检测设备，以比对它们的性能。
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