专利名称：水动力条件下水下气泡收集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生态环境监测技术，具体涉及在天然水域开展水下气泡的收集及其通量监测研究用的水下气泡收集装置，特别适用于在河道、水库等水动力条件下的水下气泡收集与监测，属环境科学研究领域。
背景技术：
气泡释放是天然水体(河流、湖泊)内各种气态物质向大气传输的两种主要方式之一(另一种方式为扩散传输)。天然水域中，形成于水底(河底、湖底)的气态物质(如CO2>CH4>H2S等)在特定的物理化学条件下(温度、压力、水质理化性质等)聚集成微小气泡粘附在水底的土壤颗粒表面，并在适宜条件下(如水力扰动、温度升高等)从底质土壤颗粒表面脱附，在上升过程中逐渐聚集形成较大气泡通过水-气界面释放入大气(见图I)。温度、静水压力、水动力条件是影响水体中气泡生消、上升迁移的主要因素。有研究显示，在热带、亚热带浅水水库中，通过气泡形式释放进入大气的温室气体(CO2XH4)总量约占水-气界面温室气体总通量的40%飞0%。气泡释放过程对于水-气界面气体总通量的贡献不容忽视。对天然水体中气泡释放量进行监测，是全面掌握天然水体水-气界面气体通量特征的关键环节，是进一步揭示特定水体关键生源要素生物地球化学循环的重要基础，具有突出的科学研究价值。目前，国内未见有天然水域气泡收集与通量监测的相关报道。而国际上常用的方法是使用圆锥形倒置漏斗状的气泡收集装置，垂直布设于水下，收集装置顶端开孔，连接到充满水且承插固定在装置顶端的气体收集器上(通常为小型针筒)，收集上升的气泡(见图2)，装置采用软性PVC或PU材质帆布缝制，固定在锥形铝质骨架上，收集面直径Im (见图2)，并通过弹力绳连接到顶端浮标上，装置底部为2. 5kg铅块配重(见图3)并采用锚和配重固定于水底，整个装置位于水面下f 2m处(见图3)。由于采气泡过程需长期将装置稳定放置于水中，使用传统装置进行采样时需满足采样点附近水体相对静滞且水位基本稳定的水动力条件要求，以避免出现“翻斗”或倾斜的现象；且要求河床底部相对平缓以避免锚滑落至更深处(坡度小于20度)，影响采样。但在实际水域中，气泡的形成受到各种环境因素的综合作用，往往带有随机性和复杂性。长期的野外试验研究发现，目前国际上常用的传统倒置漏斗形气泡收集与通量监测方法存在以下显著不足一、装置设计上的不足I)倒置漏斗体积过大，圆锥直径lm、高度lm，携带不便，不适宜于野外观测；由于装置迎水面较大，较小的流速便可使装置出现明显倾斜，偏离垂直状态收集的设计初衷，影响通量计算。2)装置采用金属支架固定的软性PVC/PU材质帆布缝制而成，故在实际使用中经常在个别地方产生褶皱，易使气泡在这些部位局部粘附、累积，阻碍其迅速汇聚至顶层的气泡收集器中。同时，帆布缝制接缝处不易实现密封，易在接缝处出现气泡跑漏。3)在较大水流与水压作用下，迎水一面的软性帆布层易出现凹陷，影响气体收集，使测试结果出现偏差。同时，完成采样后需完全收起位于水下的气泡收集装置，在压力改变的作用下，装置侧面极易出现压瘪凹陷的现象，干扰内部气压稳定性，使气体跑漏或再溶解于水中，出现采样监测误差。4)倒置漏斗顶端与气体收集器采用的是直接嵌入式连接，气密性不够高；受到流速、水位变幅等条件的干扰，接缝处撕扯厉害，易出现接缝处气泡的跑漏，造成测试误差。5)由于漏斗收集装置使用面料较粗的材质，在天然水体(尤其是富营养化水体中)长期放置容易使其内外壁出现附着性藻类或真菌的大量生长，干扰了气泡沿着装置内壁向上汇聚的过程；而装置外表面附着生长大量固着型藻类(丝状藻、苔藓等)不仅给装置从水下收起制造了一定障碍，大大增加了绕流阻力，也使装置外表不易清洗，给装置重复使用造成了较大麻烦。二、气泡收集与监测方法上的不足I)通量计算方法上的不足 传统的气泡通量计算方法以相对静滞的水域(如湖泊、无显著流动的水库等)为背景，以倒置漏斗装置底面积作为气泡收集面积范围，其计算公式为
-2 气体浓度(mg-m~T)x气泡收集的体积(.m3)飞猶中放L里C-. 冰倒置漏斗底面枳(《Οχ监测周期(J)但在有流速条件下绕流阻力使气体收集装置出现显著倾斜，这使得气泡的实际收集面积同倒置漏斗底面积存在一定偏差，通量监测结果存在误差。2)气泡采集方法上的不足传统的气泡采集方法是将装置用锚固定于水底(见图3)，在水面设置浮标以维持装置在水下的垂直状态并指示其所在位置以便于收气。该方法在操作时较为复杂，且仅适宜于在静水的稳定状态，无法适用于如水位短期内大幅涨落、水中存在较大流速等复杂水动力条件。当出现水位较大涨落时(水库调蓄时)，易出现装置跑位、或淹没浮标而出现无法收集的情况；当出现流速较大时(洪峰通过时)，则易出现装置“翻斗”的现象。同时，每次取气时需将整个漏斗装置完全收起，而由于静水压力的存在，不但不易收起，现场试验工作强度大，而且收起过程中内部气压改变将使气泡出现跑漏或再溶解于水中，导致整个采样过程失败或存在较大误差。
发明内容针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的就在于提供一种方便作业、采样误差小的适宜于在天然水体复杂水动力条件下(大幅度水位涨落或水中有明显流速)的水下气泡收集装置。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下水动力条件下水下气泡收集装置，包括倒置漏斗，倒置漏斗顶部设有开口向下的集气瓶和浮标，集气瓶通过瓶口的瓶塞设有进气管和排水管，进气管穿过瓶塞进入集气瓶底部，在倒置漏斗敞口部通过绳子连接有配重吊坠，其特征在于所述倒置漏斗顶部设有管状连接头，管状连接头与倒置漏斗内部相通，管状连接头上紧套有导气软管，导气软管另一端与进气管连接；所述浮标通过绳子连接在倒置漏斗的外表面，集气瓶与浮标固定在一起并在连接浮标的绳子拉直的情况下导气软管处于松弛状态。进一步地，所述倒置漏斗由金属薄皮材料制作，在接缝处进行焊接密封，倒置漏斗敞口部安装镀锌钢圈形成底部圆形骨架。所述管状连接头为钢管，钢管焊接于倒置漏斗顶部，在钢管外表面设有用于增加与导气软管连接强度的向下的锯齿形纹理。更进一步地，所述倒置漏斗内壁、镀锌钢圈外表面和管状连接头内壁涂有一层光滑的高分子防锈漆层。 所述倒置漏斗敞口部外缘对称焊有用于固定连接配重吊坠的绳子的钢扣；倒置漏斗顶部外缘对称焊有用于固定连接浮标的绳子的钢扣；在倒置漏斗外壁上对称焊有把手。所述金属薄皮材料为镀锡铁板(马口铁)或轻质铝板。所述集气瓶上设有反映气泡收集量的刻度；所述导气软管为硅胶管。与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果I.本装置解决了在水动力下和在装置放置-收起过程中出现的软性材质压瘪问题，装置重量较传统装置并未显著增加，而装置内部气密性和光滑度得到提升，更有利于气泡顺滑汇聚至顶部集气瓶中。2.取消底部抛锚固定收集的采样方法，将气泡采样方法改进为“水平锚绳两端固定+浮标标示+底部配重”的新方法，满足复杂水动力条件下(流速过大或水位剧烈波动等)长期气泡收集要求。3.在收集区域内近岸设置锚绳用以固定装置，锚身一端为近岸陆地，另外一端为航道浮标或对岸陆地。由于近岸航标和对岸陆地可以适时调整，避免了传统漏斗收集装置因大幅度水位涨落出现的移位、淹没或翻斗等现象。4.根据现场气泡释放强度情况，确定在一条水面锚绳上装置的个数以及在水面锚绳上的具体位置，并可根据实际气泡释放情况调整位置，以增加气泡收集率，使用灵活。5.本装置可以长期放置于水下，收气时仅需将集气瓶在水下旋盖密封然后自然取出。由于集气瓶位于水面，避免了传统装置易出现因气压改变而导致收集气体跑漏或再溶解的现象，有效减少了采样误差。6.由于采用顶部固定的方案，故在采样中可仅取出集气瓶，而不用完全收起装置，大大降低采样误差，大幅减少现场工作强度。
图I-水下气泡产生及其释放示意图。图2-国外常用的传统倒置漏斗形气泡收集装置外观示意图。图3-国外常用的传统倒置漏斗形气泡收集装置在水下的设置方式示意图。图4-本实用新型气泡收集装置示意与顶部大样图。图5-本实用新型气泡收集装置的水面集气瓶部分示意图。图6-本实用新型气泡收集装置各部分组配示意图。图7-本实用新型气泡收集装置在水下采样示意图。图8-本实用新型气泡收集装置在水流状态下的受力分析图。图9-本实用新型气泡收集装置倾斜角O同配重吊坠重量G、水流流速r的函数关系图。图10-当配重吊坠重量G为49N、98N时本气泡收集装置倾斜角β (° )同水流流速r (m/s)的函数关系图。
具体实施方式
下面结合 附图对本实用新型作进一步说明。参见图4-6，从图上可以看出，本实用新型水动力条件下水下气泡收集装置，包括倒置漏斗I，倒置漏斗I顶部设有开口向下的集气瓶2和浮标3，集气瓶2通过瓶口的瓶塞设有进气管4和排水管5，进气管穿过瓶塞进入集气瓶底部。排水管实为一连通管，排水管一端位于集气瓶内，另一端穿出瓶塞位于集气瓶外。当气泡通过进气管进入集气瓶时，即将水排出。在倒置漏斗I敞口部通过绳子(尼龙绳)连接有配重吊坠6。所述倒置漏斗I顶部设有管状连接头7，管状连接头7与倒置漏斗I内部相通。管状连接头7上紧套有导气软管8 (实施例为硅胶管)，导气软管8另一端与进气管4连接。所述浮标3通过绳子(尼龙绳)连接在倒置漏斗I的外表面，集气瓶2与浮标3固定在一起并在连接浮标的绳子拉直的情况下导气软管处于自然松弛状态，并不受力拉伸。进一步地，所述倒置漏斗由金属薄皮材料制作，如镀锡铁板(马口铁)或轻质铝板，在接缝处进行焊接密封，倒置漏斗敞口部安装镀锌钢圈形成底部圆形骨架。所述管状连接头7为钢管，钢管焊接于倒置漏斗顶部，在钢管外表面设有用于增加与导气软管连接强度的向下的锯齿形纹理，既连接牢固，密封性也得到增强。更进一步地，所述倒置漏斗内壁、镀锌钢圈外表面和管状连接头内壁涂有一层光滑的高分子防锈漆层，使气泡经过的路径光滑，更利于气泡的收集。所述倒置漏斗敞口部外缘对称焊有用于固定连接配重吊坠的绳子的钢扣；倒置漏斗I顶部外缘对称焊有用于固定连接浮标的绳子的钢扣9 ;在倒置漏斗I外壁上对称焊有把手10。因为倒置漏斗由金属薄皮材料制作后，表面光滑，通过钢扣可以拴系尼龙绳，使浮标和吊坠便于与倒置漏斗连接。而把手的设置同样便于装置的安放和收起。本实用新型将原有装置“软性PVC帆布+骨架”的材质组合调整为用马口铁(镀锡铁板)或轻质铝板等轻质硬性材料制作，在接缝处进行密封焊接，底部圆形骨架采用相同直径(如700mm)的细镀锌钢圈焊接固定支承，底端外缘对称焊有用于绑定底部悬挂配重的钢扣。同时，装置顶部密封焊接一支内径为长度为80mm-120mm的钢管,钢管管口刻有内翻锯齿形纹理，用于承插入收气硅胶管并同气泡收集瓶相连(图4)。钢管同漏斗顶部连接端焊有用于同顶部浮标绑定的钢扣(图4)。倒置漏斗侧边对称焊有把手，以便于收起装置(附图4)。金属装置全部涂上一层高分子防锈漆层，并保证内外壁光滑。装置制作完成后需进行闭水试验，确保焊接接缝处完全密封。通过上述改进解决了在水动力下和在装置放置-收起过程中出现的软性材质压瘪问题，装置重量较传统装置并未显著增加，而装置内部气密性和光滑度得到提升，更有利于气泡收集至顶部集气瓶中。另外，集气瓶与硅胶管连接同时固定在浮标上而不埋于水中，集气瓶容积为400 500ml并设有刻度，瓶口留有一小截连通管固定于瓶身用于排出瓶内多余的水(图5、图6)。据此，倒置漏斗可以长期放置于水下，收气时仅需将集气瓶在水下旋盖密封然后自然取出。由于集气瓶位于水面，避免了传统装置易出现因气压改变而导致收集气体跑漏或再溶解的现象，有效减少了采样误差，也避免了传统装置需将整个漏斗完全收起才能够取到气体的困难，大幅减少了现场工作强度。为了减少了迎水面积，降低装置的绕流阻力，本实用新型适当缩小气泡收集装置的尺寸。将倒置漏斗调整为底部直径为600_ 700_、高为900 1000_的圆锥形。同传统装置相比，改进后装置迎水面积缩小约30% (以700_计)，装置底面积和装置体积缩小约51% (以IOOOmm计)，圆锥形装置的顶角约缩小了 28% (原装置顶角约为53° ,改进后约为38° )。由于适当减少了装置的底表面积和体积，有效减少了迎水面积，降低装置的绕流阻力，减少其在有流速条件下的倾斜程度，而且也更加便携。另一方面，尺寸调整后，气泡更易汇聚至顶端。而由于缩小所带来的收集面积下降则可以通过增加现场装置施放数量予以 克服。本实用新型监测步骤为I)水下气泡收集装置的安放将前述水下气泡收集装置安放于气泡收集区域水体中，浮标3浮于水面并系在水面锚绳11上，倒置漏斗I在配重吊坠6的作用下没在水中，水面锚绳11的一端固定于岸边，另一端固定于航道浮标或对岸，见图7。根据实际气泡收集的需要，水下气泡收集装置可以有若干套，分别通过各自的浮标系在水面锚绳上。2)气体的收集在预先设定的监测周期完毕后，仅需将集气瓶在水下旋盖密封后自然取出，测量集气瓶内气体收集的体积和气体浓度；3)气泡释放通量的计算在水流作用下，倒置漏斗形气泡收集装置将出现一定倾斜，将影响倒置漏斗形气泡收集装置的通量计算。故本实用新型以倒置漏斗形收集装置倾斜状态下底面实际投影面积为基准，引入倾斜角〃，修正通量计算方法，修正后的通量计算公式如下
f气:体浓度(rag WT1)X气体收集的ΙΦ积(Yfit)
谨成A里(邮.·^=iiiift(ra^)x'coS(isi' xiei......U)式中倾斜角Θ为倒置漏斗相对于竖直线的夹角；装置底面积为倒置漏斗敞口端面积。倒置漏斗形气泡收集装置倾斜角β同倒置漏斗形气泡收集装置底部的配重吊坠重量W)、漏斗迎水面积U)、水平流速(K)成特定的函数关系。为确定上述函数关系，本实用新型引入工程流体力学中的绕流阻力计算模型，开发了低流速条件下( O. 5m/s)倒置圆锥漏斗在特定配重条件下的倾斜角〃计算模型，用于倒置漏斗形气泡收集装置气泡通量的修正。a)基本背景与总方程任意物体放置于具有流动特征的粘性流体(如水)中，将受到绕流阻力(平行于水流方向)和绕流升力(垂直于水流方向)的影响。工程上常采用实验所得的半经验公式求得绕流阻力(/P与绕流升力(F)，具体公式如下
Jfij = CDpu2aa Ad/2
1 = Pu mAjJ2[0062]其中'Fd、Fl分别为绕流阻力和绕流升力'CD、Cl分别为绕流阻力系数、绕流升力系数，在水力计算手册中选取经验值为液体密度为未受到绕流影响以前流体与物体的相对速度a、a￡分别为绕流物体垂直于流速方向上的投影面积和水平于流速方向上的投影面积。对绕流的物体，其雷诺数为Re二vd/ r ;其中，r为液体的流速；d为绕流物体的直径；r力液体的运动粘度。b)模型概化与受力分析本实用新型针对天然水域气泡收集的实际特点，对上述计算模型进行概化如下I.倒置漏斗采用轻质硬性材料，其重力以及水对装置本身的浮力较为接近，均忽略不计；下方所悬挂配重吊坠密度较大，且体积相对较小，忽略水体对下方配重吊坠的浮力，仅考虑底部配重吊坠的重力。受力分析图见图8，箭头表示水流作用力方向。2.天然水域中水体通常流速较小(O I. Om/s)，且能够满足以气泡形式形成释放的流速水平更低。结合野外观测经验，通常，流速超过O. 5m/s时水体混合条件不易使气体以完整气泡的形式上升释放至水面。本实用新型着重考虑水流流速范围在O. O O. 5m/
So3.在前述流速条件下，倒置漏斗形气泡收集装置受到水流的绕流作用力仅考虑绕流阻力，且倾斜角β通常较小，绕流升力可以忽略，在高流速条件下出现的边界层分离和尾涡区亦可忽略不计。4.装置在绝大多数条件下(≥99%的概率水平)，其雷诺数均位于500至2Χ IO5之间，故根据水力计算表查得，该区间内绕流阻力系数G基本不变，故在模型概化中将G作为常数来处理，G取值为I。5.在前述流速条件下，装置的倾斜角β通常较小(一般不超过8。)。当装置倾斜角较小时，认为装置顶端、底部圆心和底部配重吊坠悬挂处处于同一直线上，忽略由于底部配重吊坠所产生的微小位移。c )模型计算当倒置漏斗底径为700mm、高为IOOOmm时，根据前述概化，采用力矩平衡的方法计算倒置漏斗形气泡收集装置的绕流阻力大小，并确定了倾斜角β同配重吊坠重量G、水流流速r的函数关系，见图9，模型简化后公式为
权利要求1.水动力条件下水下气泡收集装置，包括倒置漏斗(I)，倒置漏斗(I)顶部设有开口向下的集气瓶(2 )和浮标(3 )，集气瓶(2 )通过瓶口的瓶塞设有进气管(4)和排水管(5 )，进气管穿过瓶塞进入集气瓶底部，在倒置漏斗(I)敞口部通过绳子连接有配重吊坠(6)，其特征在于所述倒置漏斗(I)顶部设有管状连接头(7)，管状连接头(7)与倒置漏斗(I)内部相通，管状连接头(7)上紧套有导气软管(8)，导气软管(8)另一端与进气管(4)连接；所述浮标(3 )通过绳子连接在倒置漏斗(I)的外表面，集气瓶(2 )与浮标(3 )固定在一起并在连接浮标的绳子拉直的情况下导气软管处于松弛状态。
2.根据权利要求I所述的水动力条件下水下气泡收集装置，其特征在于所述倒置漏斗(I)由金属薄皮材料制作，在接缝处进行焊接密封，倒置漏斗敞口部安装镀锌钢圈形成底部圆形骨架。
3.根据权利要求2所述的水动力条件下水下气泡收集装置，其特征在于所述管状连接头(7)为钢管，钢管焊接于倒置漏斗顶部，在钢管外表面设有用于增加与导气软管连接强度的向下的锯齿形纹理。
4.根据权利要求3所述的水动力条件下水下气泡收集装置，其特征在于所述倒置漏斗内壁、镀锌钢圈外表面和管状连接头内壁涂有一层光滑的高分子防锈漆层。
5.根据权利要求2或3或4所述的水动力条件下水下气泡收集装置，其特征在于所述倒置漏斗敞口部外缘对称焊有用于固定连接配重吊坠的绳子的钢扣；倒置漏斗顶部外缘对称焊有用于固定连接浮标的绳子的钢扣；在倒置漏斗(I)外壁上对称焊有把手(10)。
6.根据权利要求5所述的水动力条件下水下气泡收集装置，其特征在于所述金属薄皮材料为镀锡铁板或轻质招板。
7.根据权利要求6所述的水动力条件下水下气泡收集装置，其特征在于所述集气瓶(2)上设有反映气泡收集量的刻度；所述导气软管(8)为硅胶管。
专利摘要本实用新型公开了一种水动力条件下水下气泡收集装置，收集装置的倒置漏斗敞口部通过绳子连接有配重吊坠；倒置漏斗顶部设有管状连接头，管状连接头通过导气软管与集气瓶进气管连接；浮标通过绳子连接在倒置漏斗的外表面，集气瓶与浮标固定在一起。监测时，先将气泡收集装置安放于水体中，浮标浮于水面并系在水面锚绳上，水面锚绳的一端固定于岸边，另一端固定于航道浮标或对岸；再进行气体的收集，最后在计算气泡释放通量时考虑倒置漏斗的倾斜角θ即可。本实用新型方便作业、采样误差小，适宜于在天然水体复杂水动力条件下(大幅度水位涨落或水中有明显流速)的水下气泡收集和通量监测。
文档编号G01N33/00GK202471679SQ20122011393
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者何萍, 姚骁, 张利萍, 张呈, 李哲, 王琳, 王钦, 郭劲松, 龚本洲 申请人:重庆大学