本發(fā)明涉及取樣，具體是一種便捷式多場(chǎng)景使用泥-水界面冒泡通量原位測(cè)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、水生生態(tài)系統(tǒng)中，水體與底泥沉積物之間的生物地球化學(xué)過程，特別是在氣體的釋放和吸收交換方面，泥-水界面是研究的關(guān)鍵區(qū)域。同時(shí)泥-水界面還是生物地球化學(xué)過程發(fā)生的主要場(chǎng)所，界面內(nèi)發(fā)生的生物理化反應(yīng)，以及代謝活動(dòng)參與的對(duì)沉積物中有機(jī)物分解的過程，都將會(huì)釋放出多種氣體。這是水環(huán)境地球化學(xué)循環(huán)和生物系統(tǒng)耦合的重要體現(xiàn)，是控制和調(diào)節(jié)水體與沉積物之間物質(zhì)輸送和交換的重要途徑。因此對(duì)泥-水界面氣體交換通量的研究是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。這些氣體交換研究對(duì)于環(huán)境系統(tǒng)的能量平衡和氣候變化具有重要意義，傳統(tǒng)的氣體收集取樣方法存在一定的限制。因此，新的技術(shù)發(fā)展，使研究人員更準(zhǔn)確、更直觀地監(jiān)測(cè)泥-水界面的氣體交換，為科學(xué)研究提供可靠的研究數(shù)據(jù)，揭示底泥和水體相互作用的機(jī)制，為環(huán)境管理和污染控制提供科學(xué)依據(jù)就顯得尤為關(guān)鍵。

2、目前，泥-水界面氣體收集的技術(shù)相對(duì)較少，據(jù)了解有早期的泥-水界面倒置漏斗集氣法、靜置氣相收集法2種。其中，早期的泥-水界面倒置漏斗集氣法通過將其底部浸入沉積物中，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥-水界面氣體的采集。然而早期的倒置漏斗技術(shù)大多由于體積龐大，操作復(fù)雜且操控性較差，收集進(jìn)度掌握不明且對(duì)界面擾動(dòng)劇烈，造成收集到的氣體較長(zhǎng)時(shí)間留存于原位水環(huán)境中，面臨氣樣被污染或化學(xué)反應(yīng)消耗的可能，未能被大范圍投入到現(xiàn)場(chǎng)使用中。現(xiàn)有的靜置氣相收集法是通過在水體底部設(shè)置采樣瓶或采樣通道，收集沉積物表面的氣體，能適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，但其局限性在于無法提供高時(shí)空分辨率的氣體釋放信息，尤其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，無法滿足對(duì)泥-水界面交換的氣體實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確收集的需求，實(shí)際操作差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種便捷式多場(chǎng)景使用泥-水界面冒泡通量原位測(cè)定裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中提出的的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、測(cè)定裝置包括泥-水界面氣體收集組件、氣體樣品貯存組件和純凈介質(zhì)填充組件，所述泥-水界面氣體收集組件和純凈介質(zhì)填充組件一端固定連接，所述氣體樣品貯存組件和泥-水界面氣體收集組件固定連接，所述純凈介質(zhì)填充組件穿過氣體樣品貯存組件，部分所述純凈介質(zhì)填充組件和氣體樣品貯存組件固定連接。

4、泥-水界面氣體收集組件負(fù)責(zé)插入沉積物內(nèi)部，降低因水流運(yùn)動(dòng)帶來的界面擾動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步進(jìn)行泥-水界面氣體的收集，氣體樣品貯存組件先將測(cè)定裝置內(nèi)部原有的氣體排出，使得測(cè)定裝置內(nèi)部充實(shí)水柱，純凈介質(zhì)填充組件將測(cè)定裝置內(nèi)部的水體1：2替換，使測(cè)定裝置內(nèi)部充實(shí)水柱，氣體樣品貯存組件再將充實(shí)水柱中的水體用收集的泥-水界面氣體1：1替換，實(shí)現(xiàn)泥-水界面氣體的收集和提取。

5、進(jìn)一步的，泥-水界面氣體收集組件包括穩(wěn)定架、溫度探頭、拉環(huán)、集氣罩、導(dǎo)氣管、氣體收集單向閥和三通管，所述穩(wěn)定架分為上架和下架，所述下架上端面設(shè)置有螺紋孔和定位柱，所述上架上對(duì)應(yīng)下架螺紋孔的位置設(shè)置有螺紋通孔，所述拉環(huán)和上架螺紋連接，所述拉環(huán)穿過上架螺紋通孔和下架螺紋連接，所述集氣罩底端設(shè)置定位孔，所述定位柱穿過集氣罩定位孔，底端部分所述集氣罩位于上架和下架之間，所述集氣罩和定位柱滑動(dòng)連接，所述溫度探頭和集氣罩底端上端面固定連接，所述溫度探頭和氣體樣品貯存組件電連接，所述氣體收集單向閥和集氣罩上端排氣口密封連接，所述三通管的一個(gè)直通接口和氣體收集單向閥固定連接，所述三通管的另一個(gè)直通接口和導(dǎo)氣管一端固定連接，所述三通管的拐角接口和純凈介質(zhì)填充組件固定連接，所述導(dǎo)氣管的另一個(gè)接口和氣體樣品貯存組件固定連接。

6、首先將集氣罩和穩(wěn)定架安裝，隨后根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)集氣罩在穩(wěn)定架內(nèi)部的高度位置，實(shí)現(xiàn)野外環(huán)境下各類水生生態(tài)系統(tǒng)泥水界面的原位觀測(cè)，泥-水界面氣體從集氣罩底部向上通過集氣罩頂部出氣口，由于氣體收集單向閥和集氣罩頂部出氣口連接，泥-水界面氣體只能由集氣罩頂部出氣口通向三通管，三通管再將泥-水界面氣體輸送到導(dǎo)氣管中，最后送向氣體樣品貯存組件。

7、進(jìn)一步的，氣體樣品貯存組件包括氣體收集瓶、收集瓶進(jìn)氣口、收集瓶排氣口、收集瓶固定架、貯存微型真空泵、橡膠氣墊、抽氣管、第一三通閥、圓環(huán)平臺(tái)底板、收集瓶排水口、計(jì)時(shí)器和溫度表模塊、手動(dòng)減壓管、貯存單向閥和第二三通閥，所述圓環(huán)平臺(tái)底板和橡膠氣墊固定連接，所述圓環(huán)平臺(tái)底板位于橡膠氣墊內(nèi)圈，所述計(jì)時(shí)器和溫度表模塊和圓環(huán)平臺(tái)底板上端面固定連接，所述計(jì)時(shí)器和溫度表模塊和溫度探頭電連接，部分所述純凈介質(zhì)填充組件和圓環(huán)平臺(tái)底板上端面固定連接，所述收集瓶固定架和圓環(huán)平臺(tái)底板上端面固定連接，所述收集瓶固定架的中心軸線和圓環(huán)平臺(tái)底板的中心軸線重合，所述收集瓶固定架上端為圓環(huán)，所述氣體收集瓶放置在收集瓶固定架上端圓環(huán)內(nèi)，所述收集瓶進(jìn)氣口和導(dǎo)氣管固定連接，所述收集瓶排水口和貯存單向閥入口固定連接，所述第一三通閥的一個(gè)直通接口和貯存單向閥出口固定連接，所述第一三通閥的拐角接口和手動(dòng)減壓管固定連接，所述收集瓶排氣口和第二三通閥的一個(gè)直通接口固定連接，所述第二三通閥的另一個(gè)直通接口為樣氣轉(zhuǎn)移接口，所述第二三通閥的拐角接口和抽氣管一端固定連接，所述抽氣管另一端和貯存微型真空泵進(jìn)水口固定連接。

8、在完成泥-水界面氣體收集組件的安裝放置后，將第二三通閥和收集瓶排氣口連通，啟動(dòng)貯存微型真空泵將測(cè)定裝置內(nèi)部殘留氣體抽空，直至測(cè)定裝置為內(nèi)部完全充實(shí)水柱，完成后將第二三通閥關(guān)閉，隨后將第一三通閥調(diào)節(jié)至收集瓶排水口和手動(dòng)減壓管連通，使用注射氣進(jìn)行手動(dòng)減壓，觀察氣體收集瓶?jī)?nèi)無殘留氣泡后，將第一三通閥調(diào)節(jié)至兩個(gè)直通接口連通，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水，隨后啟動(dòng)純凈介質(zhì)填充組件，替換掉集氣罩上部裝置內(nèi)部水體倍體積，被替換的氣體收集瓶中水體通過收集瓶排水口按照體積比:置換排出，使得測(cè)定裝置集氣罩上部裝置內(nèi)部被純凈介質(zhì)填充，最后關(guān)閉純凈介質(zhì)填充組件，第一三通閥不變，由于測(cè)定裝置整體密封，收集瓶排水口處因貯存單向閥，為單向通過，氣體收集瓶?jī)?nèi)水體不會(huì)因重力勢(shì)能而出現(xiàn)倒流降落的現(xiàn)象，但隨著泥-水界面處氣體逐漸被集氣罩收集，在集氣罩頂部聚合后，受泥-水界面處水壓作用，此時(shí)集氣罩頂部氣體壓力將大于收集瓶排水口處閥壓和大氣壓總和，使得氣體會(huì)通過導(dǎo)氣管進(jìn)入氣體收集瓶中，實(shí)現(xiàn)將泥-水界面釋放的氣體收集并提取。

9、進(jìn)一步的，純凈介質(zhì)填充組件包括純凈介質(zhì)單向閥、純凈介質(zhì)導(dǎo)管、純凈介質(zhì)微型真空泵和純凈介質(zhì)輸入管，所述純凈介質(zhì)導(dǎo)管一端和三通管的拐角接口固定連接，所述純凈介質(zhì)導(dǎo)管另一端和純凈介質(zhì)微型真空泵的出口固定連接，所述純凈介質(zhì)微型真空泵的入口和純凈介質(zhì)輸入管固定連接，所述純凈介質(zhì)輸入管和外部純凈介質(zhì)盛載容器連接，所述純凈介質(zhì)微型真空泵放置在圓環(huán)平臺(tái)底板上，所述純凈介質(zhì)微型真空泵和圓環(huán)平臺(tái)底板上端面固定連接。

10、純凈介質(zhì)填充組件負(fù)責(zé)引入純凈介質(zhì)到測(cè)定集氣罩上部裝置內(nèi)部，將測(cè)定裝置內(nèi)的水體1：2置換，使測(cè)定裝置上部分內(nèi)部充實(shí)水柱，啟動(dòng)純凈介質(zhì)微型真空泵，純凈介質(zhì)輸入管從外部純凈介質(zhì)盛載容器中抽取純凈介質(zhì)，依次通過純凈介質(zhì)微型真空泵、純凈介質(zhì)導(dǎo)管、純凈介質(zhì)單向閥和三通管，由于三通管一個(gè)直通接口連接有氣體收集單向閥，所以純凈介質(zhì)只能通過三通管流向?qū)夤?，進(jìn)而流向氣體樣品貯存組件中，將測(cè)定裝置內(nèi)的水體1：2置換，使測(cè)定裝置上面內(nèi)部充實(shí)水柱。

11、進(jìn)一步的，集氣罩為倒置的漏斗狀錐形可折疊透明塑料罩。

12、集氣罩為倒置的漏斗狀錐形可折疊塑料透明罩，透明折疊罩的特點(diǎn)方便攜帶，操作容易，質(zhì)量輕便，能夠?qū)崿F(xiàn)野外環(huán)境下各類水生生態(tài)系統(tǒng)泥水界面的原位觀測(cè)。

13、進(jìn)一步的，氣體收集瓶外形為類似圓柱形，所述氣體收集瓶瓶身刻有體積刻度。

14、氣體收集瓶瓶身刻有體積刻度，方便實(shí)時(shí)觀察氣體收集瓶?jī)?nèi)的收集情況。

15、進(jìn)一步的，計(jì)時(shí)器和溫度表模塊和溫度探頭供電來源為電池，所述貯存微型真空泵和純凈介質(zhì)微型真空泵的動(dòng)力來源為移動(dòng)電源。

16、貯存微型真空泵和純凈介質(zhì)微型真空泵的動(dòng)力來源為移動(dòng)電源，便于整個(gè)裝置的移動(dòng)使用，在一些偏遠(yuǎn)取樣地，也能有電源供能，拓寬裝置的適用范圍。

17、進(jìn)一步的，樣氣轉(zhuǎn)移接口連接注射器或直接連接真空儲(chǔ)樣容器。

18、樣氣轉(zhuǎn)移接口連接注射器或直接連接真空儲(chǔ)樣容器，讓操作更加容易，且能樣氣實(shí)現(xiàn)無污染的目的。

19、進(jìn)一步的，外部純凈介質(zhì)盛載容器內(nèi)裝有超純水。

20、純凈介質(zhì)填充組件中純凈介質(zhì)選用實(shí)驗(yàn)室超純水，成本低廉，容易獲得且方便易攜帶。

21、進(jìn)一步的，測(cè)定方法包括如下步驟：

22、步驟一：先將集氣罩和穩(wěn)定架安裝組合，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求調(diào)節(jié)集氣罩在穩(wěn)定架內(nèi)部的高度位置，隨后依次安裝剩下的部件，完成泥-水界面氣體收集組件的放置；

23、步驟二：將第二三通閥和收集瓶排氣口連通，啟動(dòng)貯存微型真空泵，直至測(cè)定裝置內(nèi)部完全充實(shí)水柱；

24、步驟三：將第二三通閥關(guān)閉，隨后將第一三通閥調(diào)節(jié)至收集瓶排水口和手動(dòng)減壓管連通，使用注射氣，直至氣體收集瓶?jī)?nèi)無殘留氣泡；

25、步驟四：將第一三通閥調(diào)節(jié)至兩個(gè)直通接口連通，隨后將純凈介質(zhì)微型真空泵接通電源，直至測(cè)定裝置集氣罩上部裝置內(nèi)部被純凈介質(zhì)填充完畢；

26、步驟五：關(guān)閉純凈介質(zhì)微型真空泵，第一三通閥不變，打開計(jì)時(shí)器和溫度表模塊。

27、步驟一調(diào)節(jié)集氣罩在穩(wěn)定架內(nèi)部的高度位置，減少測(cè)定裝置對(duì)界面的擾動(dòng)作用，步驟二將測(cè)定裝置內(nèi)部原有的氣體排出，步驟三消除測(cè)定裝置內(nèi)充實(shí)水柱中的氣泡，進(jìn)一步排出測(cè)定裝置內(nèi)部原有的氣體，步驟四將測(cè)定裝置內(nèi)充實(shí)水柱的水體替換為純凈介質(zhì)，步驟五集氣罩頂部氣體壓力逐漸大于收集瓶排水口處閥壓和大氣壓總和，泥-水界面氣體通過導(dǎo)氣管進(jìn)入氣體收集瓶中，實(shí)現(xiàn)將泥-水界面釋放的氣體收集并提取，打開計(jì)時(shí)器和溫度表模塊，收集并記錄現(xiàn)場(chǎng)溫度時(shí)間等信息。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

29、1、本發(fā)明在泥-水界面氣體收集組件設(shè)計(jì)中，集氣罩在泥-水界面豎直方向預(yù)留了部分間距，實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)過程中，減少裝置對(duì)界面的擾動(dòng)作用。

30、2、本發(fā)明在氣體收集前，先進(jìn)行抽氣步驟，利用觀測(cè)水體充滿裝置，后接入純凈介質(zhì)，將集氣罩上端內(nèi)部使用純凈介質(zhì)將觀測(cè)水體替換，完成后本發(fā)明各組件為全部充水狀態(tài)，能夠確保本發(fā)明氣體收集過程中無其他氣體干擾。

31、3、本發(fā)明在氣體收集過程中能夠直觀查看收集進(jìn)度和收集情況，方便野外開展作業(yè)。

32、4、本發(fā)明在氣體收集完成后在氣體貯存組件中貯存，直接從樣氣轉(zhuǎn)移接口將收集到的氣體裝入儲(chǔ)氣容器中，全程閉合，無空氣接觸可能，可避免空氣進(jìn)入對(duì)樣氣產(chǎn)生污染。

33、5、本裝置泥-水界面集氣罩為可折疊壓縮塑料錐形罩，特點(diǎn)是質(zhì)量輕便，方便攜帶，價(jià)格低廉。

34、6、本裝置選用的純凈介質(zhì)為超純水，具有獲取渠道多樣，方便易攜帶，成本低廉且環(huán)境友好，效果佳的特點(diǎn)。