本實(shí)用新型涉及一種適用于青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
多年凍土區(qū)對氣候變化非常敏感，是氣候變化的“放大器”，該區(qū)域CH4氣體的釋放在全球碳循環(huán)過程中扮演著重要的角色。隨氣候變化，多年凍土區(qū)陸面過程產(chǎn)生顯著變化，土體本身的水熱耦合過程發(fā)生改變，引起凍土有機(jī)質(zhì)輸入的減少及其物理保護(hù)層的破壞，地下水位下降，凍土活動層底部水分過飽和時間增加，形成溫度較高的厭氧環(huán)境，使凍土土壤微生物產(chǎn)CH4速率增加，氣溫升高導(dǎo)致凍土融化深度增加，引起大量CH4氣體釋放，加速了氣候變化之間的正反饋。因此，CH4對全球氣候變暖的響應(yīng)研究正在成為一個新的熱點(diǎn)領(lǐng)域和前沿課題。
青藏高原作為低緯度高海拔多年凍土的典型代表，對于未來氣候變化的評估預(yù)測具有十分重要的意義，高原上數(shù)量和面積可觀的熱融湖塘受全球氣候變暖和人類活動的雙重影響，熱融湖塘釋放出大量CH4氣體，這對于青藏高原碳庫的準(zhǔn)確測算及氣候變化對多年凍土區(qū)的反饋?zhàn)饔镁哂泻艽蟮挠绊?，氣候的輕微波動必將對其生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動，進(jìn)而打破碳平衡過程和碳庫的穩(wěn)定性。因此，青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4釋放的研究成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
熱融湖塘是青藏高原多年凍土區(qū)形成的特殊的地貌單元，是指在天然或人為因素的影響下，地下冰層融化，融水滲浸進(jìn)入或匯聚于洼地形成，是多年凍土在交替凍結(jié)融化過程中逐漸形成的產(chǎn)物，在青藏高原多年凍土區(qū)廣泛發(fā)育。隨著全球變化和人類在高原的活動增加這種由水熱過程變化引起的湖塘數(shù)量越來越多，發(fā)育速度明顯增快，規(guī)模有明顯的增加趨勢。這種熱融湖塘主要發(fā)育在高寒草甸地區(qū)，由于熱融湖塘的形成導(dǎo)致湖塘及周圍的植被出現(xiàn)退化，同時出現(xiàn)長期或季節(jié)性的積水破壞了凍土的水熱局部平衡，對草甸生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。
多年凍土區(qū)的熱融湖由于其形成歷史、發(fā)育過程各不相同，其面積大小不一，積水深度也各不相同。一些熱融湖積水深度小于年最大凍結(jié)冰層厚度，在寒季湖水全部凍結(jié)至湖底，湖底溫度＜0℃，這種熱融湖底部不會形成融化層，但湖下多年凍土地溫會隨著時間的增加而升高；另外一些熱融湖水深大于年最大冰層厚度，寒季湖水不完全凍結(jié)至湖底，湖底溫度＞0℃，在冬季沒有被凍結(jié)的湖水對地溫和局部多年凍土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響，湖底下可能會形成融化層。融化層的形成和發(fā)展對熱融湖周圍及其下部土層的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)及地貌形成過程產(chǎn)生非常重要的影響，并可能引起熱融沉陷和多年凍土退化。同時, 暖季冰層融化時, 熱融湖釋放出大量CH4氣體, 增加了高海拔地區(qū)CH4的年循環(huán)量, 對氣候變暖產(chǎn)生正面效應(yīng)。
目前，由于，青藏高原多年凍土區(qū)存在：1）惡劣的氣候條件，較低的氣溫，漫長的冬季，常年多風(fēng)；2）熱融湖塘結(jié)冰期較長，可達(dá)6~7個月之久；3）熱融湖塘種類較多，不同類型熱融湖塘之間排放CO2/CH4速率、周期存在明顯差異；4）后勤補(bǔ)給困難等原因，很多在溫帶、熱帶應(yīng)用成熟的水體CO2/CH4氣體采集監(jiān)測系統(tǒng)在青藏高原多年凍土區(qū)難以開展工作，無法獲取高分辨率（30min）、長序列（多年）的觀測數(shù)據(jù)。因此，目前國內(nèi)、外研究人員對青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CO2/CH4氣體的準(zhǔn)確量化成為該研究領(lǐng)域的瓶頸，特別是直接、原位的對青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘自然水體釋放CO2/CH4氣體進(jìn)行分層收集成為難中之難，亟需從技術(shù)層面解決這一問題。以期獲得質(zhì)量和分辨率較高的熱融湖塘CH4通量數(shù)據(jù)，為青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘碳循環(huán)研究工作提供技術(shù)支撐。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于上述，本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體排放特點(diǎn)，利用離軸積分腔輸出光譜技術(shù)，對青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體進(jìn)行有效捕捉、精確測量，旨在獲取連續(xù)性強(qiáng)、分辨率較高且數(shù)據(jù)質(zhì)量得到有效控制的熱融湖塘CH4通量數(shù)據(jù)，為相關(guān)科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)該地區(qū)碳循環(huán)研究的發(fā)展。
本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
一種用于青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體觀測系統(tǒng)，是由計算機(jī)、恒溫保護(hù)箱、PVC保溫材料、1#函數(shù)發(fā)生器、半導(dǎo)體激光控制器、DFB型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、光纖隔離器、光纖分束器、光纖準(zhǔn)直器、1#腔鏡、真空泵、集氣管/標(biāo)尺、支架、攝像頭、溫度探頭、波長計、數(shù)據(jù)采集卡、壓電換能器、光電探測器、2#腔鏡、壓電換能驅(qū)動電源、光學(xué)諧振腔、軟質(zhì)導(dǎo)氣管、文氏管、浮子、硬質(zhì)導(dǎo)氣管、集氣閥門、集氣罩構(gòu)成。恒溫保護(hù)箱內(nèi)壁置有PVC保溫材料, 恒溫保護(hù)箱內(nèi)，1#函數(shù)發(fā)生器、半導(dǎo)體激光控制器、DFB型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、光纖隔離器、光纖分束器、光纖準(zhǔn)直器、1#腔鏡、光學(xué)諧振腔、壓電換能器、光電探測器和2#腔鏡依次串聯(lián)，波長計連接數(shù)據(jù)采集卡與光纖分束器、光纖準(zhǔn)直器、光學(xué)諧振腔、壓電換能器、光電探測器并聯(lián)，2#函數(shù)發(fā)生器又與壓電換能器和壓電換能驅(qū)動電源連接，形成的CH4氣體分析系統(tǒng)置于支架的上方，計算機(jī)放置恒溫保護(hù)箱上，與數(shù)據(jù)采集卡連接；真空泵和集氣管/標(biāo)尺直接相連，集氣管/標(biāo)尺通過軟質(zhì)導(dǎo)氣管與集氣罩上集氣閥門的相連，集氣罩上設(shè)置文氏管和浮子，浮子居于水位中，攝像頭和溫度探頭固定在集氣管/標(biāo)尺上，硬質(zhì)導(dǎo)氣管連接集氣管/標(biāo)尺左右集氣罩上的兩集氣閥門。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：
1. 避免人為活動對試驗(yàn)樣地的干擾影響。本實(shí)用新型通過集氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人值守情況下，自動獲取青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體，并進(jìn)行在線實(shí)時監(jiān)測。
2. 降低了青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體監(jiān)測試驗(yàn)成本。本實(shí)用新型運(yùn)行過程中不需要工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時取樣分析工作，按目前青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體監(jiān)測試驗(yàn)，一般需要四名工作人員，一臺車輛（接送試驗(yàn)人員從住宿地到試驗(yàn)樣地以及拉運(yùn)試驗(yàn)器材），才能正常開展試驗(yàn)，每天花銷在2000元左右。本實(shí)用新型實(shí)施后，不需要人為到現(xiàn)場做試驗(yàn)，大大降低了人力成本，節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用。
3. 本實(shí)用新型的另外一個主要優(yōu)勢就是可以獲取了連續(xù)性較強(qiáng)、規(guī)律性較好，分辨率較高的精度較高的青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4通量數(shù)據(jù)。這對于量化研究熱融湖塘碳排放對整個青藏高原多年凍土區(qū)碳排放的貢獻(xiàn)、影響具有十分重要的意義，對于認(rèn)識未來青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的發(fā)展趨勢及其土壤碳庫的穩(wěn)定性評估發(fā)揮一定的作用。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，將對本實(shí)用新型技術(shù)方案再做進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，一種用于青藏高原多年凍土區(qū)熱融湖塘CH4氣體觀測系統(tǒng)，是由計算機(jī)1、恒溫保護(hù)箱2、PVC保溫材料3、1#函數(shù)發(fā)生器4、半導(dǎo)體激光控制器5、DFB型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器6、光纖隔離器7、光纖分束器8、光纖準(zhǔn)直器9、1#腔鏡20、真空泵10、集氣管/標(biāo)尺11、支架12、攝像頭14、溫度探頭15、波長計16、數(shù)據(jù)采集卡17、壓電換能器18、光電探測器19、2#腔鏡20"、壓電換能驅(qū)動電源21、光學(xué)諧振腔22、軟質(zhì)導(dǎo)氣管23、文氏管24、浮子25、硬質(zhì)導(dǎo)氣管26、集氣閥門27和集氣罩28構(gòu)成。恒溫保護(hù)箱2內(nèi)壁附有PVC保溫材料3。箱體內(nèi)，1#函數(shù)發(fā)生器4、半導(dǎo)體激光控制器5、DFB型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器6、光纖隔離器7、光纖分束器8、光纖準(zhǔn)直器9、1#腔鏡20、光學(xué)諧振腔22、壓電換能器18、2#腔鏡20"和光電探測器19串聯(lián)，光學(xué)諧振腔22由兩塊曲率半徑為1.5 m的高反射率平凹鏡M1，M2 組成, 高反射率平凹鏡長為38 cm 。1#腔鏡20和2#腔鏡20′的凹面鍍有高反射膜, 在1315nm附近，反射率約為99.7%；將腔鏡M2固定在壓電換能器（PZT）18上，通過掃描加載在壓電換能器PZT18上的電壓，實(shí)現(xiàn)對壓電換能器18 PZT的微伸縮控制, 最終實(shí)現(xiàn)對光學(xué)諧振腔22長度的微掃描, 使激光周期性的耦合到光學(xué)諧振腔22。波長計16連接數(shù)據(jù)采集卡17與光纖分束器8、光纖準(zhǔn)直器9、壓電換能器18、光電探測器19并聯(lián)，2#函數(shù)發(fā)生器4"又與壓電換能器18和壓電換能驅(qū)動電源21連接，上述形成的CH4氣體分析系統(tǒng)置于支架12的上方，計算機(jī)1放置恒溫保護(hù)箱2上方，與數(shù)據(jù)采集卡17連接；真空泵10和集氣管/標(biāo)尺11直接相連，集氣管/標(biāo)尺11通過軟質(zhì)導(dǎo)氣管23與集氣罩28上集氣閥門27的相連，集氣罩28上設(shè)置文氏管24和浮子25，浮子25居于水位13中，攝像頭14和溫度探頭15固定在集氣管/標(biāo)尺11上，硬質(zhì)導(dǎo)氣管26連接集氣管/標(biāo)尺11左右集氣罩28上的兩集氣閥門27。
實(shí)施過程中，整套CH4氣體分析系統(tǒng)用支架12架置于青藏高原多年凍土區(qū)典型熱融湖塘上，在線CH4氣體分析系統(tǒng)置于支架12上方，固定于恒溫保護(hù)箱2內(nèi)部，工作時，將集氣罩28沒入湖塘水體中，緩慢沉降到指定位置，等待文氏管24內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，開啟集氣閥門27和真空泵10以及CH4氣體在線分析系統(tǒng)，設(shè)備自檢完成后自動進(jìn)入測量界。用中心輸出波長為1315 nm 的可調(diào)諧DFB 半導(dǎo)體激光器6作光源( 激光器由LDC-3724B 型激光電源控制), 注入電流，由與激光控制電源相連的函數(shù)發(fā)生器4控制，由函數(shù)發(fā)生器4發(fā)出指令，半導(dǎo)體激光控制器控制DFB型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)出光源。為防止光學(xué)反饋影響半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)，從半導(dǎo)體激光器6輸出的激光，先通過一個光纖隔離器7，然后經(jīng)光纖分束器8分成兩束,一束用光纖直接導(dǎo)入波長計16，另一束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器9和1#腔鏡20聚焦后耦合到光學(xué)諧振腔22，最后將透過光學(xué)諧振腔22的光信號聚焦到光電探測器19, 經(jīng)光電探測器19轉(zhuǎn)化為電信號后傳入數(shù)據(jù)采集卡17和計算機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)1做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析處理。
集氣罩28和文氏管24由帶刻度的硬質(zhì)導(dǎo)氣管26相連接，集氣罩28和文氏管24固定于浮子25上，減少了因?yàn)榇箫L(fēng)，降雨天氣對集氣罩28內(nèi)CH4濃度變化的影響。攝像頭14和溫度探頭15固定在集氣管/標(biāo)尺11上。工作時，將集氣罩28沒入水中，一管兩用的集氣管/標(biāo)尺11向下移動，緩慢沉降到指定深度，溫度探頭15準(zhǔn)確測量一定水深的水體溫度，熱融湖釋放出大量CH4氣體,等文氏管24內(nèi)氣壓穩(wěn)定開始收集氣體，導(dǎo)入真空泵10，真空泵10和集氣管/標(biāo)尺11直接相連，將集氣罩28內(nèi)收集到的CH4氣體直接導(dǎo)入光學(xué)諧振腔22進(jìn)行濃度分析。同時攝像頭14成準(zhǔn)確反映熱融湖塘底泥及水體CH4釋放過程組成熱融湖塘水體環(huán)境的成像。