一种面尺度水面温室气体排放通量测量装置及方法

本发明涉及水面温室气体排放测量领域，尤其涉及一种面尺度水面温室气体排放通量测量装置及方法。

背景技术：

1、水生系统是温室气体排放的主要来源，同时，水生系统和大气之间的气体交换对全球温室气体循环和预算均会产生重要的影响。现有研究主要关注的温室气体包括co2、ch4和n2o，其中co2的排放量最大，而ch4和n2o具有比co2更强大的温室效应，其中，在100年时间尺度上分别是相同质量co2所引起温室效应的34和298倍，两者同样也受到了温室气体研究人员的关注。过去人们主要将研究集中在海洋水体的温室气体排放上，近年来越来越多的研究开始集中在内陆水域，如湖泊、水库或河流。前人研究发现，全球每年仅内陆河流排放的co2达到2.0×1015g，且大多数内陆水域表现为co2过饱和。因此对内陆水域温室气体排放量进行估算具有重要的意义。

2、目前，国内外对水体温室气体排放的测量方法有：静态箱法、边界层法、涡度相关法或倒置漏斗法，其中静态箱法以其成本低、操作简单、易于在多个地点部署等优点得到广泛的应用。但同时现有的静态箱测量也存在着一系列问题：

3、(1)现有的静态箱都是点尺度的测量，最终结果仅代表某一点上的水面温室气体排放通量；但由于一个湖泊或水库水体不同位置的理化条件、气候要素都具有空间异质性，单以一点或者少数几个点的通量结果来代表整个水体的平均排放缺乏其合理性，而通过增加测量次数来提高结果的合理性又需要消耗大量的人力和时间成本。

4、(2)现有的静态箱每次布置后需要通过人工的方法采集箱内气体，这种静态箱在测量时不仅需要耗费人力，而且每次收集到的气体只能代表某一时刻的气体状态，无法得到连续的测量数据。若是应用便携式温室气体分析仪则可以解决测量数据不连续的问题，但便携式温室气体分析仪体积较大且需要时刻与静态室体相连通，这对于仪器布置的环境要求较高且只能在岸边开展测量。此外，静态箱测量多在野外，如高寒区域等条件恶劣地区无法满足便携式温室气体分析仪的布置环境要求。

5、(3)现有静态箱的密闭环境会导致箱内为无风环境，与自然环境水面有风的情况不同，这会导致最终计算得到的水体温室气体排放通量与真实的温室气体排放通量不符。

6、(4)随着水体中气体的不断排放，现有的静态箱因其密闭环境而出现室体内气体浓度不断累积的现象，当气体浓度累积的影响大到一定程度时将抑制水体中气体的排放，从而使得最后计算得到的温室气体通量与实际情况偏离。作为应对，一些静态箱测量的时间会被动地被控制在5分钟以内以减小气体浓度累积的影响，但考虑到野外测量时降雨、温度及其它环境因素的影响，短测量时段所得到的数据具有不确定性并且缺少代表性，若是增加测量次数则又会增加所需要的人工时间消耗，综合分析，效果劣于更长测量时段，如小时尺度甚至日尺度所得到的测量数据结果。以上几点都是现有静态箱法测量水面温室气体排放所存在的局限和缺陷，亟需通过改进现有静态箱装置和完善静态箱测量方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有静态箱中的不足之处，如局限于点尺度测量，测量结果缺少代表性，需耗费大量人力，室体密闭引起的箱内气体浓度累积及人为无风环境的技术问题，本发明提出一种实现面尺度测量，并通过解决室体内部气体浓度累积问题以达到长测量时段要求的面尺度水面温室气体排放通量测量装置及方法；突破了现有静态箱温室气体测量点尺度和局限于岸边测量的限制，提高了测量结果的合理性。

2、技术方案：本发明面尺度水面温室气体排放通量测量装置包括搭载在无人船上的动态室，动态室包括控制系统和试验系统；

3、试验系统的一侧安装有第二气管；试验系统内设有温度传感器、气压传感器和风扇；

4、控制系统内布置有第二气体采集袋，与试验系统连通的第四气管，以及与试验系统和外界连通的第一气管；第一气管上设有第一真空泵；第四气管上设有第三真空泵；

5、控制系统内还布置有带有第三气管的第一气体采集袋，第一气管与第三气管之间设有三通连接器和第二真空泵。

6、控制系统和试验系统之间设有隔板。

7、第一气管的外侧设有滤网，将空气中的颗粒物杂质阻挡在动态室之外。

8、动态室外带有泡沫，动态室通过泡沫飘浮在水面上。

9、动态室外包裹有保温材料以避免温度产生的影响。

10、试验系统的顶部设有翻盖，翻盖上设有提拉钩环。

11、本发明面尺度水面温室气体排放通量测量方法，采用面尺度水面温室气体排放通量测量装置来实现，该测量方法包括以下步骤：

12、(1)动态室飘浮在水面，打开风扇，控制第一真空泵运行，打开试验系统的顶盖，将流量计放在第一气管的出口处，测得第一气管的空气流量并记录后，关闭试验系统的顶盖；

13、(2)控制第二真空泵运行，令无人船搭载动态室并在水面低速航行；空气进入动态室后，空气通过三通连接器和第二真空泵由第三气管进入到第一气体采集袋中；空气在第一真空泵的作用下，由第一气管进入试验系统与水体排放的气体混合后，在第三真空泵的作用下由第四气管进入第二气体采集袋；

14、(3)取下第一气体采集袋和第二气体采集袋，将第一气体采集袋和第二气体采集袋与气体分析仪连接；测得的第一气体采集袋的温室气体浓度c1表示动态室在移动路径上的空气温室气体浓度，第二气体采集袋采集到的温室气体浓度c2表示动态室在移动路径上试验系统内水体排放气体和空气混合后的混合气体温室气体浓度；

15、(4)根据已有的温室气体浓度、气温、气压以及第一气管的空气流量，通过下述公式计算温室气体水面排放通量flux：

16、

17、式中：c1表示动态室在移动路径上的空气温室气体浓度，c2表示移动路径上试验系统内水体排放气体和空气混合后的混合气体温室气体浓度，p为大气压，m为温室气体的分子量，μ为室体内的空气流量，a为室体内与空气接触的水面面积，δ为气体常数，t为空气中的开尔文温度。

18、步骤(4)中，

19、

20、式中，ca为动态室在路径某一点上的空气温室气体浓度；l为动态室在水面移动的路径。

21、步骤(4)中，

22、

23、式中，ch为动态室在路径某一点上的混合气体温室气体浓度；l为动态室在水面移动的路径。

24、步骤(1)中，动态室的底部位于水面以下。

25、工作原理：本发明的动态室搭载在无人船上实现动态室在水面的自由运动。动态室通过在室体四周安装泡沫漂浮在水面上。动态室的下部深入水面2-5cm，室体的右侧装有滤网，将空气中的颗粒物杂质阻挡在动态室之外。滤网采用圆盖型设计，通过旋扭拆卸清洗。室体的内部由隔板分成控制系统和试验系统。控制系统的作用是放置气体采集所需设备以及进行气体采集；试验系统的作用是作为一个外界环境空气和水体释放温室气体的混合区域，作为气体采集的来源。外界空气在大功率的第一真空泵的作用下通过第一气管进入试验系统与水体中释放的气体混合再经由动态室左侧的第二气管离开动态室。

26、风扇的作用是令试验系统中的气体混合，在试验系统的边壁安装温度传感器和气压传感器。动态室装置通过第一气体采集袋和第二气体采集袋采集气体，其中第一气体采集袋采集环境空气，第二气体采集袋采集水体释放的气体与空气的混合气体。

27、具体气体采集路线是：空气经过滤网进入动态室后，利用三通连接器和小功率的第一真空泵将部分空气经由第三气管注入到第一气体采集袋中；利用第四气管通过隔板将试验系统中的混合气体在第三真空泵的作用下收集到控制系统中装置左侧的第二气体采集袋中。通过第二真空泵、第三真空泵和细管径的第三气管和第四气管控制气体采集低速进行，即气体收集速度低于第一真空泵和粗管径的第一气管输送的空气传输速度两个数量级以保证第一气体采集袋和第二气体采集袋的进气流量相对于空气流量和试验系统中的气体总体积忽略不计。单次试验只采集两袋气体，且采集的气体体积不超过第一气体采集袋或第二气体采集袋的容积以及装置供电充足，采集气体的时间根据测量需求进行改变。

28、本发明中的面尺度水面温室气体排放通量测量方法的优越性通过图4进行说明：图4为一动态室运动示意图，其中坐标轴横坐标代表动态室在水面的移动距离，假设动态室在水面上保持一维直线运动的情况；纵坐标表示温室气体浓度。图中曲线为一假想温室气体浓度随水面位置不同的变化曲线，由于水面不同位置的有机碳、无机碳和溶解氧条件不同以及风速、温度、湍流等环境因素不同，温室气体浓度将出现变化。通过这一假想曲线来比较面尺度测量和点尺度测量区别。首先对曲线在l上进行积分，将其转化为面积相同，一边长为l的矩形，其另一边长则为当移动距离为l时，通过动态室采集得到的平均化的温室气体浓度cm。若是进行传统的点尺度测量，测量布点的位置为路径l上的任意位置，当选择测量点为位置a时，测量得到的结果为路径l上温室气体浓度曲线的最低值ca；当选择测量点为位置b时，测量得到的结果为路径l上温室气体浓度曲线的最高值cb。这样布点测量得到的数据不能代表路径l上的一个真实的温室气体浓度状态，会出现高估或者低估的情况，最终测量结果准确与否与布点的位置高度相关，具有很大的不确定性。进一步再将测量范围从路径l提高到整个水体，如整个湖泊或者池塘，若是仅布置几个点甚至一个点，通过为数不多的点所得到的测量数据来代表整个水体的温室气体浓度或温室气体排放通量会具有很大的不确定性。而通过密集布点的方式来减少不确定性则必然消耗大量的人工和时间成本。此外，传统的动态室测量只能布置在水体岸边，无法得到水体中心范围的测量数据，有大量研究表明，湖泊湖岸的流速、水深、水温、有机碳和无机碳(陆地的有机碳和无机碳会通过径流流入到湖泊)等条件会与湖心有很大的区别，因此只在岸边进行布点得到的测量数据无法代表整个水体的整体状态。

29、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

30、(1)本发明的动态室搭载在无人船上，在水体中根据设定路线连续自动采集水面排放的气体，突破了现有水面静态箱点尺度的采集限制，实现了面尺度的气体采集。

31、(2)本发明动态室的室体内时刻保持空气的流通，试验系统中水面释放的气体与通过的空气在风扇的作用下混合，随着测量时间的增加，试验系统内的温室气体浓度逐渐稳定，解决了传统静态箱气体浓度累积的问题，动态室测量的时段增加到小时甚至天的时间尺度，使得温室气体浓度的测量更加具有代表性和准确性。

32、(3)本发明通过真空泵将空气吸进动态室，再利用气管管径和真空泵功率控制气体采集速率，通过气体采集袋进行气体收集，实现气体自动采集以及自主控制气体的采集时间。

33、(4)本发明的动态室自动采集相较传统的静态箱测量自动化程度高，减少了人工时间，同时也避免频繁采样和减小后续气体运输保存给测量结果带来的误差。

34、(5)本发明的动态室相较现有的静态箱装置，室内保持空气流动，与野外水面有风的环境更为相似。在测得现场风速的情况下，通过控制第一真空泵功率和第一气管的管径以控制室内空气流动速度与环境风速相近，从而达到提高观测结果准确性的目的。

35、(6)本发明的动态室适用于野外水面采样，装置漂浮于水面以上，控制系统和试验系统均位于装置内部使得动态室携带、布置方便且受野外环境不确定性影响较小。

36、(7)本发明的动态室试验系统顶部为翻盖设计，通过提拉钩环打开顶盖使装置内外空气平衡。试验系统内部边壁安装温度传感器和气压传感器以连续记录气温和气压数据。