專利名稱：水動力條件下水下氣泡收集裝置與水下氣泡通量監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法，具體涉及在天然水域開展水下氣泡的收集及其通量監(jiān)測，特別適用于在河道、水庫等水動力條件下的水下氣泡收集與監(jiān)測，屬環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣泡釋放是天然水體(河流、湖泊)內(nèi)各種氣態(tài)物質(zhì)向大氣傳輸?shù)膬煞N主要方式之一(另一種方式為擴(kuò)散傳輸)。天然水域中，形成于水底(河底、湖底)的氣態(tài)物質(zhì)(如CO2>CH4> H2S等)在特定的物理化學(xué)條件下(溫度、壓力、水質(zhì)理化性質(zhì)等)聚集成微小氣泡粘附在水底的土壤顆粒表面，并在適宜條件下(如水力擾動、溫度升高等)從底質(zhì)土壤顆粒表面脫附，在上升過程中逐漸聚集形成較大氣泡通過水-氣界面釋放入大氣(見圖I)。溫度、靜水壓力、 水動力條件是影響水體中氣泡生消、上升遷移的主要因素。有研究顯示，在熱帶、亞熱帶淺水水庫中，通過氣泡形式釋放進(jìn)入大氣的溫室氣體(CO2XH4)總量約占水-氣界面溫室氣體總通量的40%飛0%。氣泡釋放過程對于水-氣界面氣體總通量的貢獻(xiàn)不容忽視。對天然水體中氣泡釋放量進(jìn)行監(jiān)測，是全面掌握天然水體水-氣界面氣體通量特征的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是進(jìn)一步揭示特定水體關(guān)鍵生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)的重要基礎(chǔ)，具有突出的科學(xué)研究價值。目前，國內(nèi)未見有天然水域氣泡收集與通量監(jiān)測的相關(guān)報道。而國際上常用的方法是使用圓錐形倒置漏斗狀的氣泡收集裝置，垂直布設(shè)于水下，收集裝置頂端開孔，連接到充滿水且承插固定在裝置頂端的氣體收集器上(通常為小型針筒)，收集上升的氣泡(見圖 2)，裝置采用軟性PVC或PU材質(zhì)帆布縫制，固定在錐形鋁質(zhì)骨架上，收集面直徑Im (見圖
2)，并通過彈力繩連接到頂端浮標(biāo)上，裝置底部為2. 5kg鉛塊配重(見圖3)并采用錨和配重固定于水底，整個裝置位于水面下f 2m處(見圖3)。由于采氣泡過程需長期將裝置穩(wěn)定放置于水中，使用傳統(tǒng)裝置進(jìn)行采樣時需滿足采樣點附近水體相對靜滯且水位基本穩(wěn)定的水動力條件要求，以避免出現(xiàn)“翻斗”或傾斜的現(xiàn)象；且要求河床底部相對平緩以避免錨滑落至更深處(坡度小于20度)，影響采樣。但在實際水域中，氣泡的形成受到各種環(huán)境因素的綜合作用，往往帶有隨機(jī)性和復(fù)雜性。長期的野外試驗研究發(fā)現(xiàn)，目前國際上常用的傳統(tǒng)倒置漏斗形氣泡收集與通量監(jiān)測方法存在以下顯著不足
一、裝置設(shè)計上的不足
I)倒置漏斗體積過大，圓錐直徑lm、高度lm，攜帶不便，不適宜于野外觀測；由于裝置迎水面較大，較小的流速便可使裝置出現(xiàn)明顯傾斜，偏離垂直狀態(tài)收集的設(shè)計初衷，影響通
量計算。2)裝置采用金屬支架固定的軟性PVC/PU材質(zhì)帆布縫制而成，故在實際使用中經(jīng)常在個別地方產(chǎn)生褶皺，易使氣泡在這些部位局部粘附、累積，阻礙其迅速匯聚至頂層的氣泡收集器中。同時，帆布縫制接縫處不易實現(xiàn)密封，易在接縫處出現(xiàn)氣泡跑漏。
3)在較大水流與水壓作用下，迎水一面的軟性帆布層易出現(xiàn)凹陷，影響氣體收集， 使測試結(jié)果出現(xiàn)偏差。同時，完成采樣后需完全收起位于水下的氣泡收集裝置，在壓力改變的作用下，裝置側(cè)面極易出現(xiàn)壓癟凹陷的現(xiàn)象，干擾內(nèi)部氣壓穩(wěn)定性，使氣體跑漏或再溶解于水中，出現(xiàn)采樣監(jiān)測誤差。4)倒置漏斗頂端與氣體收集器采用的是直接嵌入式連接，氣密性不夠高；受到流速、水位變幅等條件的干擾，接縫處撕扯厲害，易出現(xiàn)接縫處氣泡的跑漏，造成測試誤差。5)由于漏斗收集裝置使用面料較粗的材質(zhì)，在天然水體(尤其是富營養(yǎng)化水體中) 長期放置容易使其內(nèi)外壁出現(xiàn)附著性藻類或真菌的大量生長，干擾了氣泡沿著裝置內(nèi)壁向上匯聚的過程；而裝置外表面附著生長大量固著型藻類(絲狀藻、苔蘚等)不僅給裝置從水下收起制造了一定障礙，大大增加了繞流阻力，也使裝置外表不易清洗，給裝置重復(fù)使用造成了較大麻煩。二、氣泡收集與監(jiān)測方法上的不足
I)通量計算方法上的不足
傳統(tǒng)的氣泡通量計算方法以相對靜滯的水域(如湖泊、無顯著流動的水庫等)為背景， 以倒置漏斗裝置底面積作為氣泡收集面積范圍，其計算公式為
、，氣體濃度(Wf3)X氣泡收集的體枳(Jns)
-— 倒置漏斗底面積(Mj)X監(jiān)測周期(4)
但在有流速條件下繞流阻力使氣體收集裝置出現(xiàn)顯著傾斜,這使得氣泡的實際收集面積同倒置漏斗底面積存在一定偏差，通量監(jiān)測結(jié)果存在誤差。2)氣泡采集方法上的不足
傳統(tǒng)的氣泡采集方法是將裝置用錨固定于水底(見圖3)，在水面設(shè)置浮標(biāo)以維持裝置在水下的垂直狀態(tài)并指示其所在位置以便于收氣。該方法在操作時較為復(fù)雜，且僅適宜于在靜水的穩(wěn)定狀態(tài)，無法適用于如水位短期內(nèi)大幅漲落、水中存在較大流速等復(fù)雜水動力條件。當(dāng)出現(xiàn)水位較大漲落時(水庫調(diào)蓄時)，易出現(xiàn)裝置跑位、或淹沒浮標(biāo)而出現(xiàn)無法收集的情況；當(dāng)出現(xiàn)流速較大時(洪峰通過時)，則易出現(xiàn)裝置“翻斗”的現(xiàn)象。同時，每次取氣時需將整個漏斗裝置完全收起，而由于靜水壓力的存在，不但不易收起，現(xiàn)場試驗工作強(qiáng)度大，而且收起過程中內(nèi)部氣壓改變將使氣泡出現(xiàn)跑漏或再溶解于水中，導(dǎo)致整個采樣過程失敗或存在較大誤差。
氣抱釋放通量(、mg'nf

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的就在于提供一種方便作業(yè)、采樣誤差小的適宜于在天然水體復(fù)雜水動力條件下(大幅度水位漲落或水中有明顯流速)的水下氣泡收集裝置。本發(fā)明同時提供一種誤差小的天然水體復(fù)雜水動力條件下的水下氣泡通量監(jiān)測方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下水動力條件下水下氣泡收集裝置，包括倒置漏斗，倒置漏斗頂部設(shè)有開口向下的集氣瓶和浮標(biāo)，集氣瓶通過瓶口的瓶塞設(shè)有進(jìn)氣管和排水管，進(jìn)氣管穿過瓶塞進(jìn)入集氣瓶底部，在倒置漏斗敞口部通過繩子連接有
5配重吊墜，其特征在于所述倒置漏斗頂部設(shè)有管狀連接頭，管狀連接頭與倒置漏斗內(nèi)部相通，管狀連接頭上緊套有導(dǎo)氣軟管，導(dǎo)氣軟管另一端與進(jìn)氣管連接；所述浮標(biāo)通過繩子連接在倒置漏斗的外表面，集氣瓶與浮標(biāo)固定在一起并在連接浮標(biāo)的繩子拉直的情況下導(dǎo)氣軟管處于松弛狀態(tài)。進(jìn)一步地，所述倒置漏斗由金屬薄皮材料制作，在接縫處進(jìn)行焊接密封，倒置漏斗敞口部安裝鍍鋅鋼圈形成底部圓形骨架。所述管狀連接頭為鋼管，鋼管焊接于倒置漏斗頂部，在鋼管外表面設(shè)有用于增加與導(dǎo)氣軟管連接強(qiáng)度的向下的鋸齒形紋理。更進(jìn)一步地，所述倒置漏斗內(nèi)壁、鍍鋅鋼圈外表面和管狀連接頭內(nèi)壁涂有一層光滑的高分子防銹漆層。所述倒置漏斗敞口部外緣對稱焊有用于固定連接配重吊墜的繩子的鋼扣；倒置漏斗頂部外緣對稱焊有用于固定連接浮標(biāo)的繩子的鋼扣；在倒置漏斗外壁上對稱焊有把手。所述金屬薄皮材料為鍍錫鐵板(馬口鐵)或輕質(zhì)鋁板。所述集氣瓶上設(shè)有反映氣泡收集量的刻度；所述導(dǎo)氣軟管為硅膠管。本發(fā)明提供的水動力條件下水下氣泡通量監(jiān)測方法，其監(jiān)測步驟為
1)水下氣泡收集裝置的安放將前述水下氣泡收集裝置安放于氣泡收集區(qū)域水體中， 浮標(biāo)浮于水面并系在水面錨繩上，倒置漏斗在配重吊墜的作用下沒入水中，水面錨繩的一端固定于岸邊，另一端固定于航道浮標(biāo)或?qū)Π叮?br> 2)氣體的收集在預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測周期完畢后，僅需將集氣瓶在水下旋蓋密封后自然取出，測量集氣瓶內(nèi)氣體收集的體積和氣體濃度；
3)氣泡釋放通量的計算根據(jù)下面公式即可計算氣泡釋放通量，
權(quán)利要求
1.水動力條件下水下氣泡收集裝置，包括倒置漏斗(I)，倒置漏斗(I)頂部設(shè)有開口向下的集氣瓶(2 )和浮標(biāo)(3 )，集氣瓶(2 )通過瓶口的瓶塞設(shè)有進(jìn)氣管(4)和排水管(5 )，進(jìn)氣管穿過瓶塞進(jìn)入集氣瓶底部，在倒置漏斗(I)敞口部通過繩子連接有配重吊墜(6)，其特征在于所述倒置漏斗(I)頂部設(shè)有管狀連接頭(7)，管狀連接頭(7)與倒置漏斗(I)內(nèi)部相通，管狀連接頭(7)上緊套有導(dǎo)氣軟管(8)，導(dǎo)氣軟管(8)另一端與進(jìn)氣管(4)連接；所述浮標(biāo)(3 )通過繩子連接在倒置漏斗(I)的外表面，集氣瓶(2 )與浮標(biāo)(3 )固定在一起并在連接浮標(biāo)的繩子拉直的情況下導(dǎo)氣軟管處于松弛狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水動力條件下水下氣泡收集裝置，其特征在于所述倒置漏斗(I)由金屬薄皮材料制作，在接縫處進(jìn)行焊接密封，倒置漏斗敞口部安裝鍍鋅鋼圈形成底部圓形骨架。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水動力條件下水下氣泡收集裝置，其特征在于所述管狀連接頭(7)為鋼管，鋼管焊接于倒置漏斗頂部，在鋼管外表面設(shè)有用于增加與導(dǎo)氣軟管連接強(qiáng)度的向下的鋸齒形紋理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水動力條件下水下氣泡收集裝置，其特征在于所述倒置漏斗內(nèi)壁、鍍鋅鋼圈外表面和管狀連接頭內(nèi)壁涂有一層光滑的高分子防銹漆層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的水動力條件下水下氣泡收集裝置，其特征在于所述倒置漏斗敞口部外緣對稱焊有用于固定連接配重吊墜的繩子的鋼扣；倒置漏斗頂部外緣對稱焊有用于固定連接浮標(biāo)的繩子的鋼扣；在倒置漏斗(I)外壁上對稱焊有把手(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水動力條件下水下氣泡收集裝置，其特征在于所述金屬薄皮材料為鍍錫鐵板或輕質(zhì)招板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水動力條件下水下氣泡收集裝置，其特征在于所述集氣瓶(2)上設(shè)有反映氣泡收集量的刻度；所述導(dǎo)氣軟管(8)為硅膠管。
8.水動力條件下水下氣泡通量監(jiān)測方法，其特征在于其監(jiān)測步驟為1)水下氣泡收集裝置的安放將權(quán)利要求1-7任一所述的水下氣泡收集裝置安放于氣泡收集區(qū)域水體中，浮標(biāo)浮于水面并系在水面錨繩上，倒置漏斗在配重吊墜的作用下沒在水中，水面錨繩的一端固定于岸邊，另一端固定于航道浮標(biāo)或?qū)Π叮?)氣體的收集在預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測周期完畢后，僅需將集氣瓶在水下旋蓋密封后自然取出，測量集氣瓶內(nèi)氣體收集的體積和氣體濃度；；3)氣泡釋放通量的計算根據(jù)下面公式即可計算氣泡釋放通量，
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水動力條件下水下氣泡通量監(jiān)測方法，其特征在于當(dāng)?shù)怪寐┒返酌嬷睆綖?00_、高為IOOOmm時，傾斜角e同配重吊墜重量G、水流流速r的函數(shù)關(guān){ 3430 XV2')系為
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水動力條件下水下氣泡通量監(jiān)測方法，其特征在于所述水下氣泡收集裝置有若干套，分別通過各自的浮標(biāo)系在水面錨繩上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水動力條件下水下氣泡收集裝置與水下氣泡通量監(jiān)測方法，收集裝置的倒置漏斗敞口部通過繩子連接有配重吊墜；倒置漏斗頂部設(shè)有管狀連接頭，管狀連接頭通過導(dǎo)氣軟管與集氣瓶進(jìn)氣管連接；浮標(biāo)通過繩子連接在倒置漏斗的外表面，集氣瓶與浮標(biāo)固定在一起。監(jiān)測時，先將氣泡收集裝置安放于水體中，浮標(biāo)浮于水面并系在水面錨繩上，水面錨繩的一端固定于岸邊，另一端固定于航道浮標(biāo)或?qū)Π?；再進(jìn)行氣體的收集，最后在計算氣泡釋放通量時考慮倒置漏斗的傾斜角θ即可。本發(fā)明方便作業(yè)、采樣誤差小，適宜于在天然水體復(fù)雜水動力條件下(大幅度水位漲落或水中有明顯流速)的水下氣泡收集和通量監(jiān)測。
文檔編號G01N33/00GK102608273SQ201210079819
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者何萍, 姚驍, 張利萍, 張呈, 李哲, 王琳, 王欽, 郭勁松, 龔本洲 申請人:重慶大學(xué)