[發明專利]一種測定地表地氣流量與蒸發量的監測裝置

在審

• 申請號: 202210152207.5
• 申請日: 2022-02-18
• 公開（公告）號: CN114459557A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 李紅壽;李菲;王順仁;鞏一璞;王小偉;張正模;李蕙
• 申請（專利權）人: 敦煌研究院
• 主分類號: G01F13/00
• 分類號: G01F13/00;G01D21/02
• 代理公司: 東莞市卓易專利代理事務所(普通合伙) 44777
• 代理人: 孫靜

本發明公開了一種監測地表地氣流量與蒸發量裝置的構成、使用安裝及判讀的方法，它由聚氨酯(PU)漏斗；氣體流量計；無紙記錄儀；溫濕度監測儀(HOBO?U23?002A)和計算方法組成。本發明可無損監測地面、建筑或壁畫表面的地氣活動，為中華文明探源、資源勘探、地球關鍵層研究和洞窟文物保護提供技術與設備支撐。

技術領域

本發明涉及一種測量地表地氣流量與水分蒸發量的監測裝置。具體地說，一種測量地表地氣活動數量和地氣濕度的裝置。該裝置可直接測量地表、壁畫和墻壁等表面的地氣活濕度動和數量，確定地氣活動規律、水汽通量和凈蒸發量，為地氣、古代24節氣、礦物資源勘探研究及文物保護提供技術支撐。

背景原理和技術

地氣是指包氣帶內的空氣。在中國，“地氣”一詞深植于中國傳統文化，在民間語言中廣為流傳，如“接地氣”、“地氣升降”、“天氣上升，地氣下降”等。在古代有專門的地氣監測和研究。地氣活動是制定24節氣和歷法的依據。然而，由于古代地氣監測和研究早已失傳，目前地氣活動數量、升降活動規律和形成機制尚不明確。申請人研究發現，在大氣壓波動過程中，若將地表到地下水面的包氣帶的整體區域作為一個封閉系統。當外界大氣壓由P₁轉變為P₂時，地氣的體積由V₁轉變為V₂。根據波義爾定律，

P₁V₁＝P₂V₂

可得到，

ΔV＝V₂–V₁＝V₁(P₁–P₂)/P₂＝V₀(P₁–P₂)/P₂ (1)

這里ΔV是地氣的變化量。若將V₁當作初始值V₀，那么單位面積的地氣量為：

V₀＝tn (2)

這里t包氣帶的厚度，n是孔隙度。因此，

ΔV＝tnΔP/P₂ (3)

這里ΔP＝P₁–P₂。因此，地氣的升降幅度h為,

h＝ΔV/n＝tnΔP/nP₂＝tΔP/P₂

因此，對一定深度的包氣帶，當外部存在一定地氣壓波動時，地氣存在升降。當大氣壓減小時，地氣上升，有部分地氣流出地表。當大氣壓上升時，地氣下降，有地氣進入土壤。地氣活動量與大氣壓波動幅度和包氣帶厚度呈正比。因此，地氣受大氣壓波動的影響，地面廣泛存在地氣活動。但同時受包氣帶厚度、地層孔隙度、空氣粘滯程度和地形地貌等影響，各地地表地氣活動量不同，與公式(3)理論值會存在一定的差距。因此發明一種測定地氣活動數量的監測裝置，對研究地氣活動強弱、活動規律和潛在影響因子非常關鍵。

另外，水汽是地氣的主要構成成分，地氣的活動數量和水汽濃度是決定凈蒸發量的關鍵因素。當外界大氣壓下降、地氣上升時，潮濕地氣向上運移。對于存在相對濕度梯度的干燥土壤，地氣在透出土壤的過程中，大部分水分被上面的干燥土壤吸收，有少部分水汽流出地面，地表空氣濕度上升。當大氣壓上升、地氣下降、外部干燥空氣進入土壤，地表空氣的濕度下降。對于潮濕土壤，地氣流出時的濕度由地表土壤決定；當地氣下降時，外部不飽和空氣進入土壤，土壤水分迅速補充至飽和。因此，可通過監測地表地氣流量和空氣濕度確定水汽通量及凈蒸發量。但通常地表直接監測不到地氣活動對空氣濕度的影響。主要原因是地表以上空氣對流擴散非常迅速，使透出數量較小的地氣水分影響湮沒于大氣流動中。這也是現代人們很難發現地氣活動的重要原因。因此，發明一種監測水汽通量的監測裝置，對研究凈蒸發量和水循環非常重要。