[發明專利]水動力條件下水下氣泡收集裝置與水下氣泡通量監測方法

無效

• 申請號: 201210079819.2
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102608273A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 李哲;龔本洲;姚驍;何萍;王欽;張呈;郭勁松;王琳;張利萍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華

技術領域

本發明涉及生態環境監測方法，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測，屬環境科學研究領域。

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背景技術

氣泡釋放是天然水體（河流、湖泊）內各種氣態物質向大氣傳輸的兩種主要方式之一（另一種方式為擴散傳輸）。天然水域中，形成于水底（河底、湖底）的氣態物質（如CO₂、CH₄、H₂S等）在特定的物理化學條件下（溫度、壓力、水質理化性質等）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1）。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入大氣的溫室氣體（CO₂、CH₄）總量約占水-氣界面溫室氣體總通量的40%~60%。氣泡釋放過程對于水-氣界面氣體總通量的貢獻不容忽視。對天然水體中氣泡釋放量進行監測，是全面掌握天然水體水-氣界面氣體通量特征的關鍵環節，是進一步揭示特定水體關鍵生源要素生物地球化學循環的重要基礎，具有突出的科學研究價值。

目前，國內未見有天然水域氣泡收集與通量監測的相關報道。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材質帆布縫制，固定在錐形鋁質骨架上，收集面直徑1m（見圖2），并通過彈力繩連接到頂端浮標上，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1~2m處（見圖3）。由于采氣泡過程需長期將裝置穩定放置于水中，使用傳統裝置進行采樣時需滿足采樣點附近水體相對靜滯且水位基本穩定的水動力條件要求，以避免出現“翻斗”或傾斜的現象；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境因素的綜合作用，往往帶有隨機性和復雜性。長期的野外試驗研究發現，目前國際上常用的傳統倒置漏斗形氣泡收集與通量監測方法存在以下顯著不足：

一、裝置設計上的不足

1）倒置漏斗體積過大，圓錐直徑1m、高度1m，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明顯傾斜，偏離垂直狀態收集的設計初衷，影響通量計算。

2）裝置采用金屬支架固定的軟性PVC/PU材質帆布縫制而成，故在實際使用中經常在個別地方產生褶皺，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密封，易在接縫處出現氣泡跑漏。

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凹陷，影響氣體收集，使測試結果出現偏差。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，裝置側面極易出現壓癟凹陷的現象，干擾內部氣壓穩定性，使氣體跑漏或再溶解于水中，出現采樣監測誤差。

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，在天然水體（尤其是富營養化水體中）長期放置容易使其內外壁出現附著性藻類或真菌的大量生長，干擾了氣泡沿著裝置內壁向上匯聚的過程；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，給裝置重復使用造成了較大麻煩。

二、氣泡收集與監測方法上的不足

1）通量計算方法上的不足

傳統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：

但在有流速條件下繞流阻力使氣體收集裝置出現顯著傾斜，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，通量監測結果存在誤差。

2）氣泡采集方法上的不足