CN101975841A - 一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法涉及一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其包括以下步骤：1)在一底部敞口的箱体的敞口处设置一圈状的气囊，将该气囊通过一绳索连接一锚，并将气囊充满气；2)将锚投掷到观测点，待箱体稳定后，将箱体中的气体通过气管与甲烷浓度测量仪相连；3)开启甲烷浓度测量仪，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X1，并记录此测定时刻t1；4)测定并记录步骤1)中箱体内的水位h和箱体的实际高度H；5)至取样结束，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X2、温度T2和气体压强P2，并记录此测定时刻t2；6)利用步骤3)、4)和5)中记录的甲烷气体浓度X1和X2、时刻t1和t2、箱体内水位h和箱体的实际高度H、温度T2以及气体压强P2，计算水体和大气之间甲烷气体的通量。本发明适用于以水稻田、湿地、沼泽地、湖面、河流、海洋、污水等为下垫面的水体-大气之间甲烷气体的通量监测。

Description

一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法

技术领域

本发明涉及一种气体通量测量方法，特别是关于一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法。

背景技术

甲烷属于主要温室气体之一，是一种长生命周期的温室气体。甲烷的辐射强迫值和对全球气候变化的贡献、影响仅次于二氧化碳，尺度涉及到全球空间范围，近年来被人们普遍关注(文献1：IPCC，2007，Climate Change 2007：the physical sciencebasis，世界环境，13-22)。为了提高人们对温室气体的认识，应对全球气候变化，需要进行全球、区域尺度的甲烷气体通量估算和评价，而进行科学地估算和评价，必须首先进行甲烷气体通量的实地观测。现有的水体-大气甲烷气体通量测定方法，基本上都采用气箱收集、远距离送样、进气相色谱的测定来代替(文献2：陈玉芬等，1996，气相色谱法测定稻田甲烷排放通量，环境科学研究，(4)：21-24；文献3：仝川等，2008，闽江河口感潮湿地入侵种互花米草甲烷通量及影响因子，地理科学，28(6)：826-832)，但上述装置和方法存在间接、操作复杂、成本高的问题，很少考虑取样瞬间的温度和气压，难以达到实时监测的目的。目前未见有专门用于观测水体-大气甲烷气体通量方法和装置方面的报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，操作容易，测量结果准确的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于包括以下步骤：1)在一底部敞口的箱体的敞口处设置一圈状的气囊，将该气囊通过一绳索连接一锚，并将气囊充满气；2)将锚投掷到观测点，待箱体稳定后，将箱体中的气体通过气管与甲烷浓度测量仪相连；3)开启甲烷浓度测量仪，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X1，并记录此测定时刻t1；4)测定并记录步骤1)中箱体内的水位h和箱体的实际高度H；5)至取样结束，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X2、温度T2和气体压强P2，并记录此测定时刻t2；6)利用步骤3)、4)和5)中记录的甲烷气体浓度X1和X2、时刻t1和t2、箱体内水位h和箱体的实际高度H、温度T2以及气体压强P2，计算水体和大气之间甲烷气体的通量；其中，水体和大气之间甲烷气体的通量计算公式：

$F=M\×\frac{(H-h)}{V}\×\frac{(X2-X1)}{(t2-t1)}\×\left(\frac{273}{273+T2}\right)\×\left(\frac{P2}{P}\right)\×3600$

式中：F是甲烷气体在水体和大气之间的通量，M是甲烷气体的摩尔质量，V是标准状况下甲烷气体的体积，P是标准状况下的大气压强。

在所述步骤1)中，在所述气囊上设置一气嘴和一连接绳索的连接环。

在所述步骤2)中，在所述箱体上设置一个连接甲烷浓度测量仪上进气嘴的出气嘴，同时设置一个连接甲烷浓度测量仪上出气嘴的进气嘴。

将所述出气嘴伸入所述箱体中的长度大于所述进气嘴伸入的长度。

在所述步骤4)中，在所述箱体的内侧壁上设置一两端敞口的圆筒，并在所述圆筒中设置一液位计。

在所述步骤5)中，在所述箱体中插设一温度传感器和一气压传感器。

将位于所述箱体中的温度传感器的探测头与所述箱体中出气嘴位于同一水平面上。

在所述步骤6)中，将水体和大气之间甲烷气体通量的计算公式预先设置在一数据处理单元中，再将所述甲烷浓度测量仪的输出端电连接所述数据处理单元的输入端，将所述液位计、温度传感器和气压传感器的输出端通过一数据采集单元电连接所述数据处理单元的输入端。

在所述步骤2)中，在所述箱体内的顶部设置串联的一电机和一风扇，所述电机电连接一电源。

在所述箱体上通过支撑件设置一伞体，使所述伞体能够遮住所述箱体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了气箱、测量与控制装置和锚，检测时只需要利用绳将锚投掷到观测水面的下方，将气箱位置固定在一个较小范围内，然后原位取样，实时进行监测，因此结构简单，操作容易，测量结果准确。2、本发明由于设置了一伞体，而且伞体的直径略大于充满气体的气囊的直径，因此，避免光照干扰，以及下雨时雨水顺着伞体流入水体中，减小对气箱等测定环境的影响，延长了气箱的使用寿命。3、本发明由于测量与控制装置还包括存储单元，因此可以通过存储单元将每一时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息以及甲烷气体在水体和大气之间的通量转存至其他的存储设备，以作为历史资料进行记录和备份。4、本发明由于测量与控制装置还包括显示单元，其可以作为输出设备实时显示每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息以及甲烷气体在水体和大气之间的通量。5、本发明由于气囊上设置有气嘴，因此非使用状态时可以将气囊中的气体排出，减小体积，收取和携带方便。6、本发明由于箱体中出气嘴的长度长于进气嘴，且与箱体中的温度传感器的探测头位于同一水平面上，因此可以更为准确地量取样气的温度，提高测量精度。7、本发明由于气箱内顶部设置有电机和风扇，因此电风扇可以向箱体中吹风，进而利于箱体内气体分布均匀，使甲烷气体采样均匀，具有代表性。本发明适用于以水稻田、湿地、沼泽地、湖面、河流、海洋、污水等为下垫面(下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水、陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。大气的下垫面包括海洋、陆地及陆上的高原、山地、平原、森林、草原、城市等等。下垫面的性质和形状，对大气的热量、水份、干洁度和运动状况有明显的影响，在气候的形成过程中起着重要的影响)的水体-大气界面之间甲烷气体的通量监测。

附图说明

图1是水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置的连接示意图

图2是沿图1中A-A’线的剖视图

图3是水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测装置中测量与控制装置的结构框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明方法包括以下步骤：

1)在一底部敞口的箱体的敞口处设置一圈状的气囊，将该气囊通过一绳连接一锚，并将气囊充满气。

2)将锚投掷到观测点，待箱体稳定后，将箱体中的气体通过气管与甲烷浓度测量仪相连。

3)开启甲烷浓度测量仪，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X1，并记录此测定时刻t1。

4)测定并记录步骤1)中箱体内的水位h和箱体的实际高度H。

5)至取样结束，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X2、温度T2和气体压强P2，并记录此测定时刻t2，收回箱体和甲烷浓度测量仪，等待下次测定或下一个观测点的测定。

6)利用步骤3)、4)和5)中记录的甲烷气体浓度X1和X2、时刻t1和t2、箱体内水位h和箱体的实际高度H、温度T2以及气体压强P2，计算甲烷气体在水体和大气之间的通量；

其中，甲烷气体在水体和大气之间的通量计算公式：

$F=M\×\frac{(H-h)}{V}\×\frac{(X2-X1)}{(t2-t1)}\×\left(\frac{273}{273+T2}\right)\×\left(\frac{P2}{P}\right)\×3600---\left(1\right)$

式中：F是甲烷气体在水体和大气之间的通量(mg/m²·h)；

t1是测定初始的时刻(s)；

t2是测定结束的时刻(s)；

X1是时刻t1气箱1中甲烷气体浓度(×10^-6)；

X2是时刻t2气箱1中甲烷气体浓度(×10^-6)；

H是气箱1的实际高度(m)；

h是通过液位计131测得气箱1内的水深(m)；

T2是时刻t2气箱1中的气体温度(℃)；

P2是时刻t2气箱1中的气体压强(kPa)；

P是标准状况下的大气压强，为101.325(kPa)；

M是甲烷气体的摩尔质量，为16(g/mol)；

V是标准状况下甲烷气体的体积，为0.0224(m³/mol)。

在上述步骤1)中，在气囊上设置一气嘴和一连接绳索的连接环，这样气囊充满气后可以浮在水面上，非使用状态时排出气即可，收取和携带方便，而且不占空间。还可以在箱体上通过支撑件设置一伞体，使伞体能够遮住箱体，从而能够减少环境因子，比如雨、光照、风等的影响。

在上述步骤2)中，在箱体上设置一个出气嘴，使该出气嘴连接甲烷浓度测量仪上进气嘴，同时设置一个连接甲烷浓度测量仪上出气嘴的进气嘴。而且，最好将出气嘴伸入箱体中的长度大于进气嘴伸入的长度，从而可以取得更为均匀的气体。并在箱体内的顶部设置串联的一电机和一风扇，再使得电机电连接一电源。

在上述步骤4)中，在箱体的内侧壁上设置一两端敞口的圆筒，并在圆筒中设置一液位计。

在上述步骤5)中，在箱体中插设一温度传感器和一气压传感器。而且，最好将位于箱体中的温度传感器的探测头与箱体中出气嘴位于同一水平面上，从而可以更为准确地量取气体的温度。

在上述步骤6)中，将公式(1)预先设置在一数据处理单元中，再将甲烷浓度测量仪的输出端电连接数据处理单元的输入端，将液位计、温度传感器和气压传感器的输出端通过一数据采集单元电连接数据处理单元的输入端。从而，甲烷浓度测量仪可以将测得的甲烷气体浓度值输送给数据处理单元，数据采集单元将液位计、温度传感器和气压传感器分别检测的液位、温度和气压信息输送给数据处理单元，由数据处理单元计算出水体和大气之间的甲烷气体通量。

如图1、图2所示，实现上述方法装置包括一气箱1、一测量与控制装置2和一锚3。其中，气箱1通过绳4连接锚3，稳定浮于水面，对位于气箱1中水体-大气界面处的气体进行取样，并将样气通过气管5输送给测量与控制装置2，由测量与控制装置2测出水体-大气界面处甲烷气体的浓度变化。同时，气箱1还对样气的温度和气压进行检测，并通过信号线5输送给测量与控制装置2。根据测得的水体-大气界面处甲烷气体的浓度变化及其相应的温度、气压和气箱1中的水深，测量与控制装置2计算出水体-大气界面处甲烷气体通量。本实施例中，绳4可以采用普通的尼龙绳，但不限于此。

气箱1包括一底部敞口且中空的箱体11，箱体11的底部敞口连接一圈状的气囊12。气囊12上设置有一连接环121和一气嘴122，连接环121用于连接绳4，通过气嘴122可以往气囊12中充气，气囊12充满气后可以浮在水面上，非使用状态时排出气即可，收取和携带方便，而且不占空间。本实施例中，气囊12必须耐腐蚀，其可以采用类似于救生圈的橡胶材料制成，也可以采用符合上述要求的其它塑料制品。

箱体11的内侧壁上连接有一两端敞口的圆筒13，圆筒13中设置有一液位计131，液位计131可以是漂浮在水面的一个浮子，通过浮子上的刻度变化可以随时观察到箱体11中的水位，也可以是电子液位计，是电子液位计时通过信号线5连接测量与控制装置2。箱体11内的顶部设置有串联的一电机(图中未示出)和一风扇14，电机电连接测量与控制装置2的供电端，由测量与控制装置2通过信号线5给电机供电，从而电风扇14可以向箱体11中吹风，进而利于箱体11与水面之间气体分布均匀，使甲烷气体采样均匀，具有代表性。

箱体11的顶部中心具有一带有螺纹的凸圈(图中未示出)，凸圈之外的箱体11上设置有一出气嘴111、一进气嘴112、温度传感器15和一气压传感器16。其中，出气嘴111和进气嘴112分别通过气管5连接测量与控制装置2上的进气嘴21和出气嘴22。为了取得更为均匀的样气，出气嘴111伸入箱体11中的长度大于进气嘴112伸入的长度。温度传感器15和气压传感器16均***箱体11中，分别采集箱体11中气体的温度和气压，并将温度和气压通过信号线5输送给测量与控制装置2。为了更为准确地量取样气的温度，位于箱体11中的温度传感器15的探测头与箱体11中出气嘴111位于同一水平面上。

上述实施例中，箱体11上的凸圈连接一支撑件17，支撑件17下部是一中空的圆柱体171，圆柱体设置有内螺纹，与凸圈螺纹连接。支撑件17与凸圈之间还设置有密封圈(图中未示出)，以防止外界的气体进入，干扰测量结果。支撑件17上部是一与圆柱体连成一体的圆锥体172，从圆锥体172的锥尖往里开设有一螺孔(图中未示出)。支撑件17上设置有一伞体18，伞体18的中心开设一螺孔(图中未示出)，通过一螺杆181可以将伞体18拧接在支撑件17上。伞体18的直径略大于充满气时的气囊12的直径，因此，下雨时雨水顺着伞体18流入水体中，减小对气箱等测定环境的影响，延长了气箱1的使用寿命。伞体18的顶部固连一把手19，方便使用。

如图3所示，本发明方法使用的装置的测量与控制装置2包括一甲烷浓度测量仪21、一数据采集单元22、一数据处理单元23、一数据存储单元24、一数据显示单元25和一电源26。甲烷浓度测量仪21上具有进气嘴和出气嘴，样气从进气嘴进入，通过甲烷浓度测量仪21进行检测，测得的甲烷气体浓度值输送给数据处理单元23。数据采集单元22电连接温度传感器15和气压传感器16的输出端，采集温度传感器15和气压传感器16检测的温度和气压信息，并将温度和气压信息进行模数转换。甲烷浓度、温度和气压信息由数据采集单元22输送给数据处理单元23，由于数据处理单元23中预设置有如下的甲烷气体在水体和大气之间的通量计算公式，即上述公式(1)。

数据存储单元24用于存储数据采集单元22获得的每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息，以及数据处理单元23计算得到的甲烷气体在水体和大气之间的通量，可借助于U盘或手提电脑转移将数据存储单元24存储的数据进行转移。同样，数据显示单元25同步显示数据采集单元22获得的每一个时刻对应的甲烷浓度、温度、气压和气箱内的水深信息，以及数据处理单元23计算得到的甲烷气体在水体和大气之间的通量。电源26为本发明中各用电设备供电。上述实施例中，甲烷浓度测量仪21、数据采集装置22、数据存储单元24、数据显示单元25、电源26均为本领域的常用设备，在此不再详述。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，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)

1.一种水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在一底部敞口的箱体的敞口处设置一圈状的气囊，将该气囊通过一绳索连接一锚，并将气囊充满气；

2)将锚投掷到观测点，待箱体稳定后，将箱体中的气体通过气管与甲烷浓度测量仪相连；

3)开启甲烷浓度测量仪，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X1，并记录此测定时刻t1；

4)测定并记录步骤1)中箱体内的水位h和箱体的实际高度H；

5)至取样结束，测定并记录水体-大气界面甲烷气体浓度X2、温度T2和气体压强P2，并记录此测定时刻t2；

6)利用步骤3)、4)和5)中记录的甲烷气体浓度X1和X2、时刻t1和t2、箱体内水位h和箱体的实际高度H、温度T2以及气体压强P2，计算水体和大气之间甲烷气体的通量；

其中，水体和大气之间甲烷气体的通量计算公式：

式中：F是甲烷气体在水体和大气之间的通量，M是甲烷气体的摩尔质量，V是标准状况下甲烷气体的体积，P是标准状况下的大气压强。

2.如权利要求1所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述步骤1)中，在所述气囊上设置一气嘴和一连接绳索的连接环。

3.如权利要求1所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述步骤2)中，在所述箱体上设置一个连接甲烷浓度测量仪上进气嘴的出气嘴，同时设置一个连接甲烷浓度测量仪上出气嘴的进气嘴。

4.如权利要求3所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：将所述出气嘴伸入所述箱体中的长度大于所述进气嘴伸入的长度。

5.如权利要求1所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述步骤4)中，在所述箱体的内侧壁上设置一两端敞口的圆筒，并在所述圆筒中设置一液位计。

6.如权利要求1所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述步骤5)中，在所述箱体中插设一温度传感器和一气压传感器。

7.如权利要求6所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：将位于所述箱体中的温度传感器的探测头与所述箱体中出气嘴位于同一水平面上。 

8.如权利要求1～7中任一项所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述步骤6)中，将水体和大气之间甲烷气体通量的计算公式预先设置在一数据处理单元中，再将所述甲烷浓度测量仪的输出端电连接所述数据处理单元的输入端，将所述液位计、温度传感器和气压传感器的输出端通过一数据采集单元电连接所述数据处理单元的输入端。

9.如权利要求1所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述步骤2)中，在所述箱体内的顶部设置串联的一电机和一风扇，所述电机电连接一电源。

10.如权利要求1所述的水体-大气界面甲烷气体通量的原位监测方法，其特征在于：在所述箱体上通过支撑件设置一伞体，使所述伞体能够遮住所述箱体 。

Images