一種水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法
2023-08-10 20:15:31 3
專利名稱：一種水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體通量測量方法，特別是關於一種水體-大氣界面甲烷氣體通 量的原位監測方法。
背景技術：
甲烷屬於主要溫室氣體之一，是一種長生命周期的溫室氣體。甲烷的輻射強迫值 和對全球氣候變化的貢獻、影響僅次於二氧化碳，尺度涉及到全球空間範圍，近年來被人們 普遍關注(文獻 1 :IPCC,2007, Climate Change 2007 :the physical sciencebasis，世界 環境，13-22)。為了提高人們對溫室氣體的認識，應對全球氣候變化，需要進行全球、區域 尺度的甲烷氣體通量估算和評價，而進行科學地估算和評價，必須首先進行甲烷氣體通量 的實地觀測。現有的水體-大氣甲烷氣體通量測定方法，基本上都採用氣箱收集、遠距離 送樣、進氣相色譜的測定來代替(文獻2 陳玉芬等，1996，氣相色譜法測定稻田甲烷排放通 量，環境科學研究，⑷21-24;文獻3:仝川等，2008，閩江河口感潮溼地入侵種互花米草甲 烷通量及影響因子，地理科學，28 (6) 826-832)，但上述裝置和方法存在間接、操作複雜、成 本高的問題，很少考慮取樣瞬間的溫度和氣壓，難以達到實時監測的目的。目前未見有專門 用於觀測水體_大氣甲烷氣體通量方法和裝置方面的報導。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種結構簡單，操作容易，測量結果準確的水 體_大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種水體-大氣界面甲烷氣體通量 的原位監測方法，其特徵在於包括以下步驟1)在一底部敞口的箱體的敞口處設置一圈狀 的氣囊，將該氣囊通過一繩索連接一錨，並將氣囊充滿氣；2)將錨投擲到觀測點，待箱體穩 定後，將箱體中的氣體通過氣管與甲烷濃度測量儀相連；3)開啟甲烷濃度測量儀，測定並 記錄水體-大氣界面甲烷氣體濃度XI，並記錄此測定時刻tl ；4)測定並記錄步驟1)中箱 體內的水位h和箱體的實際高度H ;5)至取樣結束，測定並記錄水體-大氣界面甲烷氣體濃 度X2、溫度T2和氣體壓強P2，並記錄此測定時刻t2 ；6)利用步驟3)、4)和5)中記錄的甲 烷氣體濃度Xl和X2、時刻tl和t2、箱體內水位h和箱體的實際高度H、溫度T2以及氣體壓 強P2，計算水體和大氣之間甲烷氣體的通量；其中，水體和大氣之間甲烷氣體的通量計算 公式
廠,,{H-K) {X2-XV) , 273 、rP2.F = Mx---χ---χ(-)χ(——)χ 3600
V (t2-tl) 273+ Γ2 P式中F是甲烷氣體在水體和大氣之間的通量，M是甲烷氣體的摩爾質量，V是標準 狀況下甲烷氣體的體積，P是標準狀況下的大氣壓強。在所述步驟1)中，在所述氣囊上設置一氣嘴和一連接繩索的連接環。在所述步驟2)中，在所述箱體上設置一個連接甲烷濃度測量儀上進氣嘴的出氣嘴，同時設置一個連接甲烷濃度測量儀上出氣嘴的進氣嘴。將所述出氣嘴伸入所述箱體中的長度大於所述進氣嘴伸入的長度。在所述步驟4)中，在所述箱體的內側壁上設置一兩端敞口的圓筒，並在所述圓筒 中設置一液位計。在所述步驟5)中，在所述箱體中插設一溫度傳感器和一氣壓傳感器。將位於所述箱體中的溫度傳感器的探測頭與所述箱體中出氣嘴位於同一水平面 上。在所述步驟6)中，將水體和大氣之間甲烷氣體通量的計算公式預先設置在一數 據處理單元中，再將所述甲烷濃度測量儀的輸出端電連接所述數據處理單元的輸入端，將 所述液位計、溫度傳感器和氣壓傳感器的輸出端通過一數據採集單元電連接所述數據處理 單元的輸入端。在所述步驟2)中，在所述箱體內的頂部設置串聯的一電機和一風扇，所述電機電 連接一電源。在 所述箱體上通過支撐件設置一傘體，使所述傘體能夠遮住所述箱體。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於設置了氣箱、測量 與控制裝置和錨，檢測時只需要利用繩將錨投擲到觀測水面的下方，將氣箱位置固定在一 個較小範圍內，然後原位取樣，實時進行監測，因此結構簡單，操作容易，測量結果準確。2、 本發明由於設置了一傘體，而且傘體的直徑略大於充滿氣體的氣囊的直徑，因此，避免光照 幹擾，以及下雨時雨水順著傘體流入水體中，減小對氣箱等測定環境的影響，延長了氣箱的 使用壽命。3、本發明由於測量與控制裝置還包括存儲單元，因此可以通過存儲單元將每一 時刻對應的甲烷濃度、溫度、氣壓和氣箱內的水深信息以及甲烷氣體在水體和大氣之間的 通量轉存至其他的存儲設備，以作為歷史資料進行記錄和備份。4、本發明由於測量與控制 裝置還包括顯示單元，其可以作為輸出設備實時顯示每一個時刻對應的甲烷濃度、溫度、氣 壓和氣箱內的水深信息以及甲烷氣體在水體和大氣之間的通量。5、本發明由於氣囊上設置 有氣嘴，因此非使用狀態時可以將氣囊中的氣體排出，減小體積，收取和攜帶方便。6、本發 明由於箱體中出氣嘴的長度長於進氣嘴，且與箱體中的溫度傳感器的探測頭位於同一水平 面上，因此可以更為準確地量取樣氣的溫度，提高測量精度。7、本發明由於氣箱內頂部設置 有電機和風扇，因此電風扇可以向箱體中吹風，進而利於箱體內氣體分布均勻，使甲烷氣體 採樣均勻，具有代表性。本發明適用於以水稻田、溼地、沼澤地、湖面、河流、海洋、汙水等為 下墊面(下墊面是指與大氣下層直接接觸的地球表面。大氣圈以地球的水、陸表面為其下 界，稱為大氣層的下墊面。大氣的下墊面包括海洋、陸地及陸上的高原、山地、平原、森林、草 原、城市等等。下墊面的性質和形狀，對大氣的熱量、水份、幹潔度和運動狀況有明顯的影 響，在氣候的形成過程中起著重要的影響)的水體-大氣界面之間甲烷氣體的通量監測。
圖1是水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測裝置的連接示意2是沿圖1中A-A，線的剖視3是水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測裝置中測量與控制裝置的結構框 圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明方法包括以下步驟1)在一底部敞口的箱體的敞口處設置一圈狀的氣囊，將該氣囊通過一繩連接一 錨，並將氣囊充滿氣。2)將錨投擲到觀測點，待箱體穩定後，將箱體中的氣體通過氣管與甲烷濃度測量 儀相連。3)開啟甲烷濃度測量儀，測定並記錄水體_大氣界面甲烷氣體濃度XI，並記錄此 測定時刻tl。4)測定並記錄步驟1)中箱體內的水位h和箱體的實際高度H。5)至取樣結束，測定並記錄水體_大氣界面甲烷氣體濃度X2、溫度T2和氣體壓強 P2，並記錄此測定時刻t2，收回箱體和甲烷濃度測量儀，等待下次測定或下一個觀測點的測定。6)利用步驟3)、4)和5)中記錄的甲烷氣體濃度Xl和X2、時刻tl和t2、箱體內水 位h和箱體的實際高度H、溫度T2以及氣體壓強P2，計算甲烷氣體在水體和大氣之間的通 量；其中，甲烷氣體在水體和大氣之間的通量計算公式
ρ ,, {H-h) {X2-XY) . 273 、,P2.η、F = Mx---X---χ(-)χ(——)X 3600(1)
L 」7 (t2-tl) 273+ Γ2 P式中F是甲烷氣體在水體和大氣之間的通量(mg/m2 · h)；tl是測定初始的時刻(S)；t2是測定結束的時刻(S)；Xl是時刻tl氣箱1中甲烷氣體濃度(X 10_6)；X2是時刻t2氣箱1中甲烷氣體濃度(X 10_6)；H是氣箱1的實際高度(m)；h是通過液位計131測得氣箱1內的水深(m)；T2是時刻t2氣箱1中的氣體溫度CC )；P2是時刻t2氣箱1中的氣體壓強(kPa)；P是標準狀況下的大氣壓強，為101. 325 (kPa)；M是甲烷氣體的摩爾質量，為16 (g/mol)；V是標準狀況下甲烷氣體的體積，為0. 0224(m3/mol)。在上述步驟1)中，在氣囊上設置一氣嘴和一連接繩索的連接環，這樣氣囊充滿氣 後可以浮在水面上，非使用狀態時排出氣即可，收取和攜帶方便，而且不佔空間。還可以在 箱體上通過支撐件設置一傘體，使傘體能夠遮住箱體，從而能夠減少環境因子，比如雨、光 照、風等的影響。在上述步驟2)中，在箱體上設置一個出氣嘴，使該出氣嘴連接甲烷濃度測量儀上 進氣嘴，同時設置一個連接甲烷濃度測量儀上出氣嘴的進氣嘴。而且，最好將出氣嘴伸入箱 體中的長度大於進氣嘴伸入的長度，從而可以取得更為均勻的氣體。並在箱體內的頂部設置串聯的一電機和一風扇，再使得電機電連接一電源。在上述步驟4)中，在箱體的內側壁上設置一兩端敞口的圓筒，並在圓筒中設置一 液位計。在上述步驟5)中，在箱體中插設一溫度傳感器和一氣壓傳感器。而且，最好將位 於箱體中的溫度傳感器的探測頭與箱體中出氣嘴位於同一水平面上，從而可以更為準確地 量取氣體的溫度。在上述步驟6)中，將公式(1)預先設置在一數據處理單元中，再將甲烷濃度測量 儀的輸出端電連接數據處理單元的輸入端，將液位計、溫度傳感器和氣壓傳感器的輸出端 通過一數據採集單元電連接數據處理單元的輸入端。從而，甲烷濃度測量儀可以將測得的 甲烷氣體濃度值輸送給數據處理單元，數據採集單元將液位計、溫度傳感器和氣壓傳感器 分別檢測的液位、溫度和氣壓信息輸送給數據處理單元，由數據處理單元計算出水體和大 氣之間的甲烷氣體通量。如圖1、圖2所示，實現上述方法裝置包括一氣箱1、一測量與控制裝置2和一錨3。 其中，氣箱1通過繩4連接錨3，穩定浮於水面，對位於氣箱1中水體-大氣界面處的氣體進 行取樣，並將樣氣通過氣管5輸送給測量與控制裝置2，由測量與控制裝置2測出水體-大 氣界面處甲烷氣體的濃度變化。同時，氣箱1還對樣氣的溫度和氣壓進行檢測，並通過信號 線5輸送給測量與控制裝置2。根據測得的水體_大氣界面處甲烷氣體的濃度變化及其相 應的溫度、氣壓和氣箱1中的水深，測量與控制裝置2計算出水體-大氣界面處甲烷氣體通 量。本實施例中，繩4可以採用普通的尼龍繩，但不限於此。氣箱1包括一底部敞口且中空的箱體11，箱體11的底部敞口連接一圈狀的氣囊 12。氣囊12上設置有一連接環121和一氣嘴122，連接環121用於連接繩4，通過氣嘴122 可以往氣囊12中充氣，氣囊12充滿氣後可以浮在水面上，非使用狀態時排出氣即可，收取 和攜帶方便，而且不佔空間。本實施例中，氣囊12必須耐腐蝕，其可以採用類似於救生圈的 橡膠材料製成，也可以採用符合上述要求的其它塑料製品。箱體11的內側壁上連接有一兩端敞口的圓筒13，圓筒13中設置有一液位計131， 液位計131可以是漂浮在水面的一個浮子，通過浮子上的刻度變化可以隨時觀察到箱體11 中的水位，也可以是電子液位計，是電子液位計時通過信號線5連接測量與控制裝置2。箱 體11內的頂部設置有串聯的一電機(圖中未示出)和一風扇14，電機電連接測量與控制裝 置2的供電端，由測量與控制裝置2通過信號線5給電機供電，從而電風扇14可以向箱體 11中吹風，進而利於箱體11與水面之間氣體分布均勻，使甲烷氣體採樣均勻，具有代表性。箱體11的頂部中心具有一帶有螺紋的凸圈(圖中未示出)，凸圈之外的箱體11上 設置有一出氣嘴111、一進氣嘴112、溫度傳感器15和一氣壓傳感器16。其中，出氣嘴111 和進氣嘴112分別通過氣管5連接測量與控制裝置2上的進氣嘴21和出氣嘴22。為了取 得更為均勻的樣氣，出氣嘴111伸入箱體11中的長度大於進氣嘴112伸入的長度。溫度傳 感器15和氣壓傳感器16均插入箱體11中，分別採集箱體11中氣體的溫度和氣壓，並將溫 度和氣壓通過信號線5輸送給測量與控制裝置2。為了更為準確地量取樣氣的溫度，位於箱 體11中的溫度傳感器15的探測頭與箱體11中出氣嘴111位於同一水平面上。上述實施例中，箱體11上的凸圈連接一支撐件17，支撐件17下部是一中空的圓 柱體171，圓柱體設置有內螺紋，與凸圈螺紋連接。支撐件17與凸圈之間還設置有密封圈(圖中未示出)，以防止外界的氣體進入，幹擾測量結果。支撐件17上部是一與圓柱體連成 一體的圓錐體172，從圓錐體172的錐尖往裡開設有一螺孔(圖中未示出)。支撐件17上 設置有一傘體18，傘體18的中心開設一螺孔(圖中未示出)，通過一螺杆181可以將傘體 18擰接在支撐件17上。傘體18的直徑略大於充滿氣時的氣囊12的直徑，因此，下雨時雨 水順著傘體18流入水體中，減小對氣箱等測定環境的影響，延長了氣箱1的使用壽命。傘 體18的頂部固連一把手19，方便使用。如圖3所示，本發明方法使用的裝置的測量與控制裝置2包括一甲烷濃度測量儀 21、一數據採集單元22、一數據處理單元23、一數據存儲單元24、一數據顯示單元25和一電 源26。甲烷濃度測量儀21上具有進氣嘴和出氣嘴，樣氣從進氣嘴進入，通過甲烷濃度測量 儀21進行檢測，測得的甲烷氣體濃度值輸送給數據處理單元23。數據採集單元22電連接 溫度傳感器15和氣壓傳感器16的輸出端，採集溫度傳感器15和氣壓傳感器16檢測的溫 度和氣壓信息，並將溫度和氣壓信息進行模數轉換。甲烷濃度、溫度和氣壓信息由數據採集 單元22輸送給數據處理單元23，由於數據處理單元23中預設置有如下的甲烷氣體在水體 和大氣之間的通量計算公式，即上述公式(1)。數據存儲單元24用於存儲數據採集單元22獲得的每一個時刻對應的甲烷濃度、 溫度、氣壓和氣箱內的水深信息，以及數據處理單元23計算得到的甲烷氣體在水體和大氣 之間的通量，可藉助於U盤或手提電腦轉移將數據存儲單元24存儲的數據進行轉移。同樣， 數據顯示單元25同步顯示數據採集單元22獲得的每一個時刻對應的甲烷濃度、溫度、氣壓 和氣箱內的水深信息，以及數據處理單元23計算得到的甲烷氣體在水體和大氣之間的通 量。電源26為本發明中各用電設備供電。上述實施例中，甲烷濃度測量儀21、數據採集裝 置22、數據存儲單元24、數據顯示單元25、電源26均為本領域的常用設備，在此不再詳述。上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所 變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的 保護範圍之外。
權利要求
一種水體 大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於包括以下步驟1)在一底部敞口的箱體的敞口處設置一圈狀的氣囊，將該氣囊通過一繩索連接一錨，並將氣囊充滿氣；2)將錨投擲到觀測點，待箱體穩定後，將箱體中的氣體通過氣管與甲烷濃度測量儀相連；3)開啟甲烷濃度測量儀，測定並記錄水體 大氣界面甲烷氣體濃度X1，並記錄此測定時刻t1；4)測定並記錄步驟1)中箱體內的水位h和箱體的實際高度H；5)至取樣結束，測定並記錄水體 大氣界面甲烷氣體濃度X2、溫度T2和氣體壓強P2，並記錄此測定時刻t2；6)利用步驟3)、4)和5)中記錄的甲烷氣體濃度X1和X2、時刻t1和t2、箱體內水位h和箱體的實際高度H、溫度T2以及氣體壓強P2，計算水體和大氣之間甲烷氣體的通量；其中，水體和大氣之間甲烷氣體的通量計算公式式中F是甲烷氣體在水體和大氣之間的通量，M是甲烷氣體的摩爾質量，V是標準狀況下甲烷氣體的體積，P是標準狀況下的大氣壓強。FSA00000259587800011.tif
2.如權利要求1所述的水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 在所述步驟1)中，在所述氣囊上設置一氣嘴和一連接繩索的連接環。
3.如權利要求1所述的水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 在所述步驟2)中，在所述箱體上設置一個連接甲烷濃度測量儀上進氣嘴的出氣嘴，同時設 置一個連接甲烷濃度測量儀上出氣嘴的進氣嘴。
4.如權利要求3所述的水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 將所述出氣嘴伸入所述箱體中的長度大於所述進氣嘴伸入的長度。
5.如權利要求1所述的水體_大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 在所述步驟4)中，在所述箱體的內側壁上設置一兩端敞口的圓筒，並在所述圓筒中設置一 液位計。
6.如權利要求1所述的水體_大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 在所述步驟5)中，在所述箱體中插設一溫度傳感器和一氣壓傳感器。
7.如權利要求6所述的水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 將位於所述箱體中的溫度傳感器的探測頭與所述箱體中出氣嘴位於同一水平面上。
8.如權利要求1 7中任一項所述的水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法， 其特徵在於在所述步驟6)中，將水體和大氣之間甲烷氣體通量的計算公式預先設置在一 數據處理單元中，再將所述甲烷濃度測量儀的輸出端電連接所述數據處理單元的輸入端， 將所述液位計、溫度傳感器和氣壓傳感器的輸出端通過一數據採集單元電連接所述數據處 理單元的輸入端。
9.如權利要求1所述的水體_大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 在所述步驟2)中，在所述箱體內的頂部設置串聯的一電機和一風扇，所述電機電連接一電源。
10.如權利要求1所述的水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其特徵在於 在所述箱體上通過支撐件設置一傘體，使所述傘體能夠遮住所述箱體。
全文摘要
本發明方法涉及一種水體-大氣界面甲烷氣體通量的原位監測方法，其包括以下步驟1)在一底部敞口的箱體的敞口處設置一圈狀的氣囊，將該氣囊通過一繩索連接一錨，並將氣囊充滿氣；2)將錨投擲到觀測點，待箱體穩定後，將箱體中的氣體通過氣管與甲烷濃度測量儀相連；3)開啟甲烷濃度測量儀，測定並記錄水體-大氣界面甲烷氣體濃度X1，並記錄此測定時刻t1；4)測定並記錄步驟1)中箱體內的水位h和箱體的實際高度H；5)至取樣結束，測定並記錄水體-大氣界面甲烷氣體濃度X2、溫度T2和氣體壓強P2，並記錄此測定時刻t2；6)利用步驟3)、4)和5)中記錄的甲烷氣體濃度X1和X2、時刻t1和t2、箱體內水位h和箱體的實際高度H、溫度T2以及氣體壓強P2，計算水體和大氣之間甲烷氣體的通量。本發明適用於以水稻田、溼地、沼澤地、湖面、河流、海洋、汙水等為下墊面的水體-大氣之間甲烷氣體的通量監測。
文檔編號G01N1/22GK101975841SQ20101027378
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者唐青雲, 高程達 申請人:北京市華雲分析儀器研究所有限公司