[0001] 本发明涉及环境科研及大气研究领域，特别是涉及一种库区水面温室气体扩散释放模拟装置及通量评估方法。

[0002] 筑坝蓄水对温室气体排放量的增加已成为近年来河流生态环境领域的热点问题，其中，库区水面温室气体扩散释放通常被认为是水电温室气体排放的最重要途径。与海洋、湖泊与自然河道的温室气体扩散释放只受到风或水流单因素影响不同，水库作为人工‑自
然耦合系统，具有由库尾“河相”向库首“湖相”过渡的特征，库区温室气体释放既受到风速的影响，同时库区实时调度还导致了库区自由液面流速等水动力学条件的时空异质性，使
得库区温室气体释放受到风‑流速等多因素耦合影响。

[0003] 目前对库区水面温室气体扩散释放通量的监测大多采用模型估算法(TBL)，即释放通量等于水气界面温室气体浓度差与气液传质系数的乘积，其中气体浓度可直接高精度
测量，但目前对库区气液传质系数取值计算往往只考虑风速这一因素，而忽略了库区水体
流动的影响，造成了估算库区温室气体水‑气界面扩散释放通量的误差。因此亟需一种可以模拟风‑水流等多因素耦合影响下温室气体释放装置，进而建立库区水面温室气体扩散释
放通量评估方法。

[0048] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0049] 在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性。

[0050] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0051] 现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

[0052] 本发明实施例提供一种库区水面温室气体扩散释放模拟装置，包括：环形水槽100、电动水流推动器200、风机300、温室气体生成单元(图中未示出)、数据采集单元、温室气体浓度监测单元400，电动水流推动器设置于环形水槽的中心，用于推动环形水槽内水流流动；风机300设置于环形水槽100的上方，用于提供环形水槽100内水体自由液面持续稳定的风场；温室气体生成单元用于通过加压方式以获得具有初始温室气体浓度的水体；其中，具有初始温室气体浓度的水体用于注入至环形水槽内；数据采集单元包括流速监测器、风
速监测器和温度监测器；温室气体浓度监测单元400用于监测环形水体中温室气体浓度。

[0053] 该库区水面温室气体扩散释放模拟装置用于采集库区水面温室气体扩散释放通量评估计算所必要的实验数据。在具体实施时，根据实际情况，确定实际库区工况下的流
速、风速、水温、水体温室气体浓度与大气温室气体浓度值。实验开始前，调节温室气体生成单元内压强，获得溶解有实际工况下水体温室气体浓度值的水体，关闭环形水槽的出水阀
110，并将水体倒入环形水槽100内，观察水深达到某一设定值时停止加水。根据数据采集单元所采集到的数据，如利用流速监测器监测到的流速，风速监测器所监测到的风速，温度监测器所监测到的水温，对电动水流推动器200、风机300、温室气体生成单元进行控制，使得在该库区水面温室气体扩散释放模拟装置中的水体所处工况与实际库区工况一致，随后通
过温室气体浓度监测单元400实现对水体温室气体浓度与大气温室气体浓度的监测。

[0054] 需要说明的是，温室气体生成单元可以提前获取各种具有不同温室气体浓度水体。例如，温室气体生成单元包括一个储气罐，储气罐通过一个加压设备，向一个存储有水体的暂存容器内的水体中注入温室气体，最终可以得到具有初始温室气体浓度的水体，该
水体可以通过管道注入的方式将其从暂存容器中注入至环形水槽100内。当然，温室气体生成单元还可以直接向环形水槽100内的水体中高压注入温室气体，也可以得到具有初始温
室气体浓度的水体。其中，初始温室气体浓度为实际库区工况下的水体温室气体浓度。

[0055] 在一些实施例中，如图1所示，该环形水槽100包括底板101、第一环形挡板102和第二环形挡板103，第一环形挡板102和第二环形挡板103同心设置于底板101的上端，第一环形挡板102设置于第二环形挡板103的内部，以通过底板101、第一环形挡板102和第二环形
挡板103形成一个用于放置水体的水槽104。

[0056] 示例性地，该环形水槽100可置于一个钢架上，第二环形挡板103的直径大于第一环形挡板102的直径，如环形水槽100的外径(第二环形挡板103的直径)和内径(第一环形挡
板102)可以选择为2.0m和1.4m，其高度可以设置为0.7m。底板101的宽度可以是第一环形挡板102和第二环形挡板103的半径的差值，即底板101为一个环形的板状结构，第一环形挡板
102和第二环形挡板103设置于底板101的内外边缘处。整个环形水槽101采用有机玻璃制备
而成。

[0057] 在一些实施例中，如图1所示，风机300设置为四个，四个风机300环形阵列地布设于第二环形挡板103的上端。

[0058] 在一些实施例中，如图1所示，电动水流推动器200包括电机201、转盘202、传动杆203以及转板204，电机201设置于第一环形挡板102的中间位置，电机201的输出轴同轴连接转盘202，转盘202上连接有至少一个传动杆203，一个传动杆203连接一个转板204，转板204设置于水槽104内。

[0059] 本实施例中，传动杆203和转板204的数量一致，例如，传动杆203和转板204均设置为四个，其中四个传动杆203均匀阵列布局于转盘202上，以使得电机201在工作时，各个传动杆203能够跟随转盘202一起转动，进而通过转板204实现对水流的推动。转板204优选为钢板。

[0060] 在一实施例中，传动杆203包括第一杆件2031和第二杆件2032，其中第一杆件2031连接转盘202，第二杆件2032为伸缩杆，其一端固定连接第一杆件2031，另一端为伸缩端，连接转板204，通过可伸缩的第二杆件2032可以根据环形水槽100的水体高度来调整转板204
的高度，保证水流推动效果。

[0061] 在一些实施例中，如图1所示，温室气体浓度监测单元400包括取样管401、水气分离器402、温室气体浓度检测仪403以及阀门组件404，水槽104上设置有取水口1041和回水
口1042，取样管401的两端分别与取水口1041和回水口1042连接，取样管401上设置水气分
离器402和阀门组件404，阀门组件404位于水气分离器402与取水口1041之间，水气分离器
402的出气端口连接温室气体浓度检测仪403。

[0062] 本实施例中，在水槽104上开设两个连接口，即取水口1041和回水口1042，两个连接口通过取样管401连接，阀门组件404作用是仅在取样时开启，而在实验准备时，阀门组件
404关闭，在水体达到设定的工况下，开启阀门组件404，其中阀门组件404例如可以实现为电磁阀等已有阀门设备，本实施例此处不具体限制。在电动水流推动器200的作用下，水槽
104内的部分水体会从取水口1041进入到水气分离器402中，进入的部分水体在水气分离器
402中进行水气分离，分离出来的气体会进入到温室气体浓度检测仪403，通过温室气体浓
度检测仪403检测出气体中的温室气体含量；分离出来得到水体会通过回水口1042回到水
槽内，以保持水槽内水体体积不变。在已知温室气体含量的情况下，而取样水体与混合氮气的流量已知，则可以计算出水体中温室气体的浓度值。

[0063] 示例性地，本实施例中采用的水气分离器402由云南师范大学制造，其利用载气与被测样水中溶解性气体的快速混合在短时间内达到不完全水气溶解度平衡，从而实现快速
分离溶解于水中的目标测量气体。水气分离器402进气端用导管与氮气钢瓶的出气端连接；
进水端用导管连接，将导管的另一端固定在环形水槽水面以下的采水处(即取水口1041)。
将水气分离器402出气端和温室气体浓度检测仪403的进气端用导管连接；出水端用导管连
接，将导管的另一端固定在环形水槽水面以上的回水处(即回水口1042)。调节水气分离器
进气流量与进水流量至最佳平衡状态。本实施例采用Picarro分析仪作为温室气体浓度检
测仪403。

[0064] 本发明实施例还提供一种库区水面温室气体扩散释放通量评估方法，该方法基于如上任一实施例所述的库区水面温室气体扩散释放模拟装置，根据实际工况，调节环形水
槽内可调节高度的转板至转板中心到水面位置；启动电动水流推动器，调节电机工作功率
至水流流速到达特定流速，调节电机转动方向；启动风机，调节风机工作功率至水槽内水体表面风速到达特定风速。通过温度监测器对水槽内水流水温、大气温度进行测量；通过温室气体浓度监测装置对大气中的温室气体浓度进行测量；通过温室气体浓度监测装置对水槽
内水体的温室气体浓度进行在线监测以获取对应时间下的温室气体浓度数据。记录实验数
据。

[0065] 具体来说，如图2所示，该库区水面温室气体扩散释放通量评估方法包括如下步骤：

[0066] S1、通过温室气体生成单元，获得溶解有不同温室气体浓度的水体。

[0067] S2、将溶解有设定温室气体浓度的水体注入至环形水槽内。

[0068] S3、调节电动水流推动器中的钢板至水面位置。

[0069] S4、启动电动水流推动器，调节电机工作功率至水流流速到达设定流速，调节电机转动方向。

[0070] S5、启动风机，调节风机工作功率至水槽内水体表面风速到达设定风速。

[0071] S6、通过温度监测器对水槽内水流水温、大气温度进行测量。

[0072] S7、通过温室气体浓度监测单元对大气中的温室气体浓度进行测量以得到大气温室气体浓度值。

[0073] S8、通过温室气体浓度监测单元对环形水槽内水体的温室气体浓度进行在线监测以获取对应时间下的温室气体浓度数据。

[0074] 在已经获取到对应的实验数据的情况下，如图3所示，该库区水面温室气体扩散释放通量评估方法还包括：

[0075] S9、根据大气温室气体浓度值以及不同对应时间下的环形水槽内实体温室气体浓度变化值，通过一级反应方程拟合得到对应流速、风速和温度下的温室气体气液传质系数。

[0076] 在一些实施例中，该一级方程表示为：

[0077]

[0078] 式中，Cs为温室气体的大气浓度(μmol/L)，Ct为温室气体在水体内的t时刻(s)浓度值(μmol/L)，C0为温室气体在水体内的初始时刻浓度值(μmol/L)，a为水体比表面积(1/m)，本试验中可近似用(1/水深)代替，KL为温室气体气液传质系数(m/s)。

[0079] 图4展示了某一风速、流速工况下的CH4气体浓度变化监测结果。对实时气体浓度变化值每5min取一平均值，并对气体浓度随时间变化做指数拟合，则拟合得到的指数系数
绝对值与水深的乘积即为气液传质系数。

[0080] S10、根据对应流速、风速和温度下的温室气体气液传质系数和温室气体在库区水体中的浓度值，确定温室气体释放通量。

[0081] 在一些实施例中，根据对应流速、风速和温度下的温室气体气液传质系数和温室气体在库区水体中的浓度值，通过如下公式确定温室气体释放通量：

[0082] F＝(Cw‑Cs)KL

[0083] 式中，Cw为温室气体在实际库区水体中的浓度值(μmol/L)，F为温室气体释放通量2
(mmol/m /s)。当实际库区水温与模拟装置水温不一致时，可通过气液传质系数的温度修正公式对KL进行温度修正，修正公式如下：

[0084]

[0085] 式中，KL1为修正后气液传质系数，Sc为修正前温度下的施密特数，Sc1为修正后温度下的施密特数，施密特数可根据温度计算得到，n为常数，根据水体紊动情况进行取值。

[0086] 综上所述，本发明能够模拟库区不同风‑流速等多因素耦合影响下的二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等温室气体的气液传质过程，并提供库区温室气体排放通量计算方法。与现有评估库区温室气体释放通量方法相比，本发明提出的库区水面温室气体扩散释放模拟
装置考虑了库区水体的流动及风速两种对库区水体温室气体扩散释放有较大影响的关键
驱动因素，其中流速、风速可精确调控，实现了风‑水流的多因素耦合影响，与实际情况更为接近，评估结果较以往只考虑风速影响的温室气体气液传质计算经验公式的取值更为精
确。

[0087] 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各
实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而
这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其
均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。