专利名称：确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱的制作方法
技术领域：
本实用新型属于生态环境保护领域，涉及一种确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱。
背景技术：
地球气候变暖是当前全球关注的研究热点问题之一，人类活动导致的C02、N2O等温室气体排放量逐年增加，河流、海洋以及污水生物处理过程已成为大气中温室气体的一个重要来源。气体通量是指单位时间、单位面积上相应气体的变化量，正值表示气体从土壤或水体中向大气排放，负值表示土壤或水体吸收消耗大气中的相应气体。与陆地生态系统温室气体释放的测定方法相比，水体温室气体的测定方法存在很多差异。从测量原理来说，针对水体温室气体排放研究的方法主要分为4类(1)通过测量水中溶解气体浓度计算温室气体排放通量；(2)通过测量水表面上方温室气体的累积浓度来计算温室气体排放通量；(3)通过测量穿过水-气界面的温室气体来计算温室气体排放通量；(4)根据负荷、流量、温度和风速等模型模拟估算温室气体排放通量。目前应用最广、最为成熟的是通过测量水-气界面的温室气体来计算温室气体排放通量，即通量箱法(浮箱法)，通量箱法可分为静态与动态通量箱两种。其中静态箱法操作相对简单、成本较低，对被测区域没有太多限制。但其应用局限于点的监测，在进行大范围、全区域的温室气体排放计算时，需要作一些条件假定，如测量值在外推到整个区域时，通常需假定该区域水体具有理化及生物地球特征的同一性等。影响浮箱法测量精度的因素其主要表现为5个方面1.目前的浮箱多是直接将箱体浮于水体表面，但是由于水面的波动，箱内顶部气体体积不断变化；2.随着气体在箱内聚集，必然导致箱内压力增加，从而降低气体释放速率；3.目前浮箱多为浮筒形，深径比较大，浮箱内以及抽取气体的导管内气体难以完全混合均勻；4.浮箱放在水面时对水体表面的扰动影响。由于风力、降雨等因素的影响，箱体内外水体动力学差别较大；5.目前的浮箱由薄金属片做成，由于金属片的良好导热、吸热性，圆桶在水面长时间放置，在阳光的照射下，箱内外会形成温差而导致水-气界面的气体交换与自然状况下产生一定的差异。另外，浮箱法测量通常需要在无雨期进行，因此对测量区域的全时段温室气体排放评估带来很大的局限性。与自动仪表相连的浮箱可以在一定程度上避免人为操作带来的误差，但是仍然可能存在上述4个方面因素带来的测量误差。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有静态箱技术的不足，提供一种确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱。为达到以上目的，本实用新型的解决方案是[0011]一种确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其包括箱体，其包括柱体和半球体顶盖，半球体顶盖固定于柱体上部，柱体底部为未封闭的敞口结构；第一温度探头，设置于半球体顶盖壁面上，并通过导线与箱体外部的温度测定仪相连；第二温度探头，设置于柱体壁面上，并通过导线与箱体外部的温度测定仪相连；液位计探头，设置于柱体壁面上，并通过导线与箱体外部的液位测定仪相连；气体平衡袋，设置于半球体顶盖侧壁上，其出口与软管相连并伸出箱体外；气体采样嘴，设置于半球体顶盖侧壁上，其与箱体外部的气体采样装置相连；液体采样嘴，设置于半球体顶盖侧壁上并深入液面下5cm，其与箱体外部的液体采样装置相连；支架，设置于箱体内，位于半球体顶盖和柱体的连接处；圈状气囊，设置于支架对应位置的箱体外部； 箱体连接固定装置，设置于支架对应位置的箱体外部。进一步，所述半球体顶盖的顶部中心设有微型风扇。所述软管直径为8mm，且固定于箱体外壁上，缠绕箱体外壁2周以上。所述气体采样嘴与第一温度探头位于同一水平位置。所述圈状气囊设置有气嘴。所述箱体连接固定装置为连接环。所述气体平衡袋选用薄膜塑料制作，其体积大于测定时间内测定面积释放气体体积。所述半球型顶盖采用有机玻璃材质制作。由于采用了以上技术方案，本实用新型具有以下有益效果1.本实用新型由于选择了球形箱体，顶部设置微型风扇，取样时打开风扇，等待时关闭风扇，从而可以保证箱体内部气体混合均勻，提高采样的可靠性。2.本实用新型由于在箱体内部设置轻质气体平衡袋，开始采样前充入一定体积气体，从而保证采样过程中箱体内部与大气等压。而气体平衡袋向外伸出一定长度的软管则可以避免外部风速产生的负压抽吸作用。3.本实用新型由于采用温度测定仪和液位测定仪包括存储单元，因此可以通过存储单元将每一时刻对应的温度、气箱内的水深信息等实时记录，从而为结果计算提供便利。4.本实用新型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，减少体积，收取和携带方便。5.本实用新型采用定量长度的气体采样管，每次采样前将采样管内的气体排出， 而后清洗三次后取样，保证气体混合均勻和样品的代表性。6.本实用新型安装水温和气温同步测定探头，对于研究温度差异对于温室气体释放的影响具有重要价值。7.本实用新型底部设置高度为IOcm的柱体，避免水面剧烈波动时外界空气对箱内气体的干扰。8.本实用新型采用有机玻璃材质制成，保证箱体内部温度与外界一致。
图1为本实用新型便携式静态箱的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示对本实用新型作进一步的说明。如图1所示，本实用新型便携式静态箱的箱体包括半球体顶盖11和柱体18，半球体顶盖11固定于柱体18上部，柱体18的底部为未封闭的敞口结构。半球体顶盖11壁面上设有第一温度探头3，柱体18壁面上设有第一温度探头3’和液位计探头9，第一温度探头3、第二温度探头3’分别通过导线与外部的温度测定仪2相连，从而温度测定仪2可以同时测定空气和水体的温度；液位计探头9通过导线与外部的液位测定仪1连接，从而液位测定仪1实时记录水体的液位。半球体顶盖11的顶部中心还设有微型风扇8，可通过充电电源控制微型风扇8的开停；取样时打开微型风扇8，等待时关闭微型风扇8，从而可以保证箱体内部气体混合均勻，提高采样的可靠性。半球体顶盖11的侧壁还设有气体平衡袋7、气体采样嘴13和液体采样嘴14，气体平衡袋7的出口与软管6相连并伸出箱体外，且软管6 缠绕箱体外侧2周以上。气体采样嘴13与第一温度探头3位于同一水平位置，且与外部的气体采样器15相连，液体采样嘴14与外部的液体采样器16相连。箱体内设有支架12，一般位于半球体顶盖11和柱体18的连接处，防止气体平衡袋7落水沾湿；同时在支架12对应位置的箱体外设有圈状气囊10和连接环4，圈状气囊10也可以设置于箱体外部相对支架12偏下的位置，具体可视水面波动情况确定，圈状气囊10设置有气嘴，使用时，可现场充气，不使用时，将圈状气囊10中的气体可通过气嘴排出，从而方便携带。采用有机玻璃材质制作半球形顶盖11，保证箱内气体混合均勻，避免“死角”。气体平衡袋7选用薄膜塑料材质制作，其体积大于测定时间内测定面积释放气体体积。气体平衡袋7伸出的软管6的直径为8mm左右，固定在箱体外部箱壁上，缠绕箱体外侧2周以上。上述结构可保证采样过程中箱体内外气压平衡，但是由于气袋体积的变化，必然导致箱内气体体积的变化。考虑到静态箱对水体气体释放的影响，采用如下公式计算温室气体通量
Γπ「V(^1 - K) X UHii =广 x Ci χ [K0 —— ——^-]( 1 )
ηκ = ητ(2)
口K P Τ, dm(3)F = IT0TTt式中F为气体在水体-大气之间的通量(mg/m2 · h) ； P为对应气体密度；A为箱体底面积(m2) ；i = 1,2,3……n，为采样次数叫为第i次采样时箱内相应气体质量(mg)； Ci为第i次取样时箱内相应气体体积浓度(ν/ν) ；Vtl为根据水深计算出的箱体内部体积(半球形体积与水面上部的柱体体积之和)(L) -,N1为采样前平衡气袋内空气体积(L) ;V2为采样结束时平衡气袋内空气体积(L) ；η为总采样次数；K为调节系数讽为采样开始时水体溶解态气体浓度(mg/L) ;Dn为采样结束时水体溶解态气体浓度(mg/L) ；Ttl为标准温度(K) ；T为测定温度⑷；P为τ对应的大气压(Pa) ；Ptl为标准大气压(Pa) ；dm/dt为气体质量浓度变化斜率；t为采样时间(min)。利用本实用新型装置对水体-大气界面间气体通量采样分析包括以下步骤1)将便携式静态箱的圈状气囊10充满气体，连接环4向上连接钓绳，向下连接固定装置5 ；2)根据水体理化性质分布选定观测点，通过软管6给箱内的气体平衡袋7补充体积为V1的空气，保持软管6通畅状态，将固定装置5投掷到待检测水面下方，通过钓绳固定箱体，防止因风力和水力波动箱体的颠簸，同时保证液面低于柱体18的上沿，即使得支架 12高于水面，从而支架12可确保气体平衡袋7避免沾水失去缓冲作用，方便液位检测；3)待箱体稳定后，开始从箱内进行取样，气样和水样通过气体采样嘴13和液体采样嘴14输送给气体采样器15和液体采样器16。记录此时的气体浓度为C1,液体中溶解态气体浓度为Dp此后每隔一定时间取样一次，同时记录实时的液位和温度。4)至取样结束，记录此时平衡气袋体积V2和液体中溶解态气体浓度为Dn。5)将上述气体浓度、时间、溶解态气体浓度、水深(计算容积)、气体平衡袋内体积变化等带入公式(1)-03)计算水体-大气之间气体通量。在采气测定过程中，当封闭箱内由于水体排放的气体导致箱内气体大于箱外大气压时，气体平衡袋7挤压缩�。ü砉�6 排出一定量袋内空气。而在采样时导致箱内气体压力降低时，箱外的空气则可以通过软管 6进入箱内的气体平衡袋7内，使箱内外气压保持一致，从而可以避免水体释放气体的速率变化。本实用新型适用于以水稻田、湿地、沼泽地、河流、湖面、海洋、污水处理单元等下垫面(下垫面是指与大气直接接触的地球表面)的水体-大气界面直接气体通量检测采样分析。上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型的范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于箱体，其包括柱体和半球体顶盖，半球体顶盖固定于柱体上部，柱体底部为未封闭的敞口结构；第一温度探头，设置于半球体顶盖壁面上，并通过导线与箱体外部的温度测定仪相连；第二温度探头，设置于柱体壁面上，并通过导线与箱体外部的温度测定仪相连； 液位计探头，设置于柱体壁面上，并通过导线与箱体外部的液位测定仪相连； 气体平衡袋，设置于半球体顶盖侧壁上，其出口与软管相连并伸出箱体外； 气体采样嘴，设置于半球体顶盖侧壁上，其与箱体外部的气体采样装置相连； 液体采样嘴，设置于半球体顶盖侧壁上并深入液面下5cm，其与箱体外部的液体采样装置相连；支架，设置于箱体内，位于半球体顶盖和柱体的连接处； 圈状气囊，设置于支架对应位置的箱体外部； 箱体连接固定装置，设置于支架对应位置的箱体外部。
2.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述半球体顶盖的顶部中心设有微型风扇。
3.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述软管直径为8mm，且固定于箱体外壁上，缠绕箱体外壁2周以上。
4.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述气体采样嘴与第一温度探头位于同一水平位置。
5.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述圈状气囊设置有气嘴。
6.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述箱体连接固定装置为连接环。
7.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述气体平衡袋选用薄膜塑料制作，其体积大于测定时间内测定面积释放气体体积。
8.如权利要求1所述的确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其特征在于所述半球型顶盖采用有机玻璃材质制作。
专利摘要本实用新型公开了一种确定水体温室气体排放通量的便携式静态箱，其包括箱体，包括柱体和半球体顶盖，半球体顶盖固定于柱体上部，柱体底部为未封闭的敞口结构；第一温度探头，设置于半球体顶盖壁面上，并通过导线与箱体外部的温度测定仪相连；第二温度探头和液位计探头，设置于柱体壁面上，并通过导线分别与箱体外部的温度测定仪和液位测定仪相连；气体平衡袋、气体采样嘴和液体采样嘴，设置于半球体顶盖侧壁上，气体平衡袋出口与软管相连伸出箱体外并缠绕箱体外壁2周以上；支架，设置于箱体内，位于半球体顶盖和柱体的连接处；箱体外还设有圈状气囊和连接固定装置。本实用新型稳定性好、可靠性高，且具有广泛的应用范围。
文档编号G01N1/22GK202267677SQ20112039874
公开日2012年6月6日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者刘山虎, 潘芳, 王亚宜, 王鸿 申请人:同济大学
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