傳感器和網絡傳輸方法在實時連續監測水層氣體釋放方面的應用

劉新紅， 余立功， 高 巖， 胡茂俊， 易 能， 邸攀攀， 羅 佳， 嚴少華

(1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇南京 210014； 2.南京理工大學計算機科學與技術學院，江蘇南京 210094)

隨著人類社會經濟的發展，環境問題日益突出，大氣中溫室氣體濃度日益增加所造成的全球變暖已經成為全球關注的焦點。水體生態系統是溫室氣體釋放的重要源和匯。對溫室氣體排放的研究催生了大量研究方法的創新[1-2]。針對氣體從水生環境中釋放的研究方法，現有的方法主要有靜態箱法、梯度法、倒置漏斗法、集氣罩法、渦度相關法等[3-4]。

靜態箱法又稱為漂浮通量箱法，通過將倒扣的箱體漂浮在水體表面，每隔一定時間間隔測量箱體中待測氣體濃度，根據濃度隨時間的變化速率來計算被覆蓋水域釋放氣體的通量。該方法結合氣相色譜分析，能夠同時分析氣體的多種成分[5-6]。然而該方法的缺點是(1)采樣過程需要科研人員等待在采樣點，耗時費力。(2)不能連續監測水體釋放氣體的情況，而水體在每日不同時間段釋放氣體量及成分具有明顯差異。(3)研究水體排出的氣體相對于箱體頂空氣體量少，適于分析甲烷、氧化亞氮等空氣中極微量的氣體，而對空氣中本底濃度很高的氮、氧產出測定精確度不高。(4)氣體產生日變化規律難以進行分析。

梯度法又稱為擴散模型法，通過同時測量某種氣體在表層水體中和大氣中的濃度，計算濃度差，再根據氣體交換系數，計算通量[5，7]。該方法可以實現對氣體濃度的連續監測。然而該方法的缺點在于由于基于氣體水氣界面擴散的過程半經驗模型方法，并不能夠對擴散過程的原理和驅動機制進行體現，計算結果存在較大不確定性；同時對于事先并不能夠明確產出氣體的成分的情況，該方法就顯得無能為力。

渦度相關法通過測定大氣中湍流運動所產生的風速脈動與物理量脈動，直接計算物質的通量[7-8]。渦度相關法要求常通量層必須在熱力中性大氣條件下，被測下墊面大尺度宏觀均勻，且測點上風方向相當大的區域內氣體通量排放均勻。該方法的缺點在于成本高、技術復雜、對環境要求較高，主要應用于陸地生態系統的碳通量研究。

近年來，江蘇省農業科學院發明了一種水體釋放氣體收集裝置，將采氣罩置于水面以下，通過水的浸沒過程將采氣罩中原有空氣全部排出后，原位連續收集水層產出的氣體，用排水集氣法原理將收集到的氣體引入集氣瓶，瓶中收集到的氣體即為集氣罩覆蓋水域面積下水體產生的氣體。該裝置可以收集整個水柱釋放的氣體，也可調節后收集不同水層斷面產生的氣體，實現了同時進行產出氣體體積計量、成分測定和通量計算[9-12]。該裝置是一種漂浮式、可移動、使用方便的裝置，但也存在不少不足，如水層氣體產生量等參數是通過人工取下集氣瓶稱質量計算的。如果進行連續監測時，一般要間隔數小時取下集氣瓶稱量1次氣體產生量，并替換新的集氣瓶。這不但工作量大，且不能獲得連續數據，也不能用于精確分析水面釋放氣體的晝夜變化規律。針對以上問題，本研究提出1種使用重力傳感器和數據傳輸信息技術連續、實時計量水體釋放氣體量方法，以期能夠實現對水體釋放氣體特征進行實時定量監測。

1 材料與方法

1.1 監測點位介紹

水體釋放氣體原位實時自動監測試驗在江蘇省農業科學院內富營養化河道進行。河道常年接納上游排入的生活污水。河道入水口處污水的總氮(TN)濃度為14.0 mg/L，總磷(TP)濃度為4.0 mg/L；河道表層水體中TN濃度從上游至下游有逐漸降低的趨勢，每年變幅大概為1.5～10.3 mg/L，TP濃度變幅大概為0.1～2.2 mg/L。夏秋季節，河道水體表層可觀察到嚴重的藻華，且觀察到氣泡冒出水面。河道分上下2個部分，分隔于馬路兩側，兩河道水體相通，在豐水季節由修建的閘門控制水量；在枯水季節，閘門關閉，上部分河道水深超過一定深度則由小型的排水口流入下游河道。在水稻生長季節，河道內的污水用于稻田灌溉。在雨季或稻田灌溉季節，河道水力停留時間短，水量交換較大。其余季節，河道內污水的水力停留時間較長，外界擾動小。由于下游河道水力情況比上游河道穩定，本試驗關于實時監測水層釋放氣體的試驗在下游河道2號塘開展。

1.2 氣體收集和氣體釋放量自動監測裝置結構

整個監測裝置包括集氣罩、漂浮框架、集氣瓶、重力傳感器和數據傳輸。裝置使用和結構示意見圖1。

采用浮球架做成的漂浮框架將整個監測系統支撐浮于水面。將重力傳感器、集氣瓶和傳輸裝置固定在垂直伸出水面的不銹鋼支架上，確保傳感設備完好，不浸入水中。匯聚節點連通重力傳感器、空氣溫度傳感器、水體溫度傳感器之后放在漂浮框架最頂端，作為數據傳輸裝置。集氣罩浸沒于水面之下，通過其頂端的真空水管與懸掛于不銹鋼支架中心點的集氣瓶連通。集氣罩覆蓋一定面積的水體，下方水柱產生的氣體在集氣罩中匯集，匯集的氣體通過真空水管在重力差的作用下向上進入集氣瓶，同時集氣瓶中的水靠重力排出進入水體中，從而實現將收集的氣體自動連續地吸入集氣瓶。集氣瓶懸掛于重力傳感器的感應器上，置于漂浮框架最頂端的中心點上，集氣瓶的質量變化通過重力傳感器測定。同時，可以通過人工稱量集氣瓶質量的變化，計算獲得集氣瓶中所收集的氣體的體積，與自動監測結果進行比較。集氣罩浸沒在水體中的深度可以通過集氣罩和漂浮框架間的連接軟繩進行調節，以便測定不同深度水層斷面產生氣體的情況。其中，集氣罩下方設有1個透明擋板(圖2)，可阻止下方水柱釋放的氣體進入集氣罩，同時保證水樣流動性，自然劃分出不同深度水層斷面。因此在監測不同深度水層斷面產生氣體特征時，只要將連接有擋板的集氣罩置于設定的深度即可。傳感器和匯聚節點工作原理見圖3。

1.3 氣體收集裝置工作原理與水體釋放氣體量的計量方法

將采氣罩置于水面以下，通過水的浸沒過程將采氣罩中原有空氣全部排出。利用倒掛于一定高度裝滿水的集氣瓶收集采氣罩內聚集到的氣體。集氣瓶的進氣管與采氣罩的出氣口相連，集氣瓶上的排水管直接垂入水中與水體相通。在采氣罩有氣體聚集的情況下，集氣瓶中等體積的水靠重力排出進入水體，從而實現將收集的氣體自動連續地吸入集氣瓶。計量集氣瓶質量變化，可由如下等式計算出氣體產出的體積：

V水=V氣；

∵m水=mt1-mt2；

式中：V代表收集裝置中水或者氣體的體積；m水代表收集裝置中水的質量；ρ代表水的密度；mt1和mt2分別代表起始時間和結束時間氣體收集瓶的質量。

根據以上公式可知，氣體收集裝置收集到的氣體的實際體積與實時測定集氣瓶的質量差呈線性正相關關系。由于水的密度約為1 kg/L，因此可以通過測定集氣瓶的質量差，得到排出氣體的體積。

Gao等通過定期取回集氣瓶，稱其質量變化，計算氣體產出的體積。而本研究應用重力傳感器和網絡系統計量傳輸氣體產生數據[9]。當氣體通過軟管a進入集氣瓶，同時瓶中的水通過軟管b排出，重力傳感器示數就會發生變化。設置重力傳感器示數為質量(kg)，根據監測時段的重力示數差，可得到排出水的質量，根據質量和體積的關系即可計算該時段氣體產出量。重力傳感器和網絡的應用，可以獲得大量、連續的氣體產生數據。

2 網絡數據傳輸體系

傳感器網絡是由大量部署在作用區域內的微小傳感器節點構成的網絡系統。傳感器網絡系統通常包括傳感器(sensor)、匯聚節點(sink node)和管理節點。大量傳感器節點部署在監測區域(sensor field)內部或附近[13]。傳感器節點監測的數據送到匯聚節點，最后通過移動互聯網到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據[14]。圖4為整個傳感器網絡的系統結構。

匯聚節點包括傳感器接口模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊和增強功能模塊5個組成部分。如圖5所示，傳感接口模塊用于提供各種傳感器的接口，針對實際應用接收相應傳感器傳來的數據；微處理器系統是一個簡單的數據處理系統，用于將各個傳感器送來的數據進行整合、打包、存儲或根據設定頻率進行計算或處理；無線通信模塊用于對管理節點通信發送監測數據，接收控制命令；電源模塊用于提供電源；增強模塊用于針對某些特殊數據處理和運算，為可選配置。對于水樣氣體產生監測的實際應用，匯聚節點上連接的傳感器包括空氣溫度傳感器、水樣溫度傳感器、氣體重力傳感器等。因此傳感接口模塊就應當包括這些傳感器的相應接口[15]。

管理節點包括無線通信模塊、服務監測模塊、數據發布模塊。如圖6所示，無線通信模塊同匯聚節點進行通信，發送控制命令，接收監測數據；服務監測模塊根據數據協議將接收的數據進行解包分發，并接受監測指令發送給各匯聚節點；數據發布模塊將數據接收的數據發布到監測界面[16]。

3 結果與分析

3.1 重力傳感器及精準度驗證

使用的重力傳感器型號為LCS-S3，配備標準MODBUS數字稱質量/測力變送器RW-ST01D，其測量精度為 0.001 kg。采用5 V電源供電，其通信采用串口通信。能夠在-30～85 ℃范圍內工作。同時配備DS18B20溫度傳感器。采用5 V電源供電，其溫度測量范圍是-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃。

匯聚節點的網絡傳輸模塊采用嵌入式DTU ME99E(含吸附式天線)通過串口與設備連接，匯聚節點采用無線網絡與終端電子計算機(PC)建立透明的信號傳輸通道，使采集點與后端PC機實現數據雙向傳輸。3G(第3代移動通信技術)模塊采用MU509。

在重力傳感器應用于試驗數據采集前，須要驗證比較其與稱量方式的精確性。試驗前，將充滿水的集氣瓶用電子天平稱量，記錄質量，對應的為集氣瓶掛到重力傳感器上并連接集氣罩時網絡傳輸回的質量數據。在試驗中，將換取集氣瓶時重力傳感器發回的質量數據與用電子天平測量數據對應。比較使用電子天平稱量和重力傳感器數據的差異，驗證其精度，結果見表1。

由表1可知，重力傳感器的測量值與電子天平稱量數值誤差范圍為-0.1%～0.1%，誤差計算公式：(重力傳感器數據-電子天平數據)/電子天平數據×100%。

3.2 表層水體晝夜釋放氣體特征的自動監測

自動監測裝置可以任意設置傳感器的傳輸頻率，因此對江蘇省農業科學院2號塘水體釋放氣體規律進行24 h的實時監測，數據示數記錄頻率為1 min1次。并且可以將收集到的各個時間的示數數據根據監測時間進行曲線擬合，得到氣體產生的方程，并得到晝夜變化規律。

監測時間的溫度范圍是28～39 ℃，光照良好，此時對表層水體釋放氣體規律進行實時監測。試驗采用3個匯聚節點，圖7-a顯示了1 d中不同時刻氣體釋放量的變化情況，將1 h內氣體產生量(y)和時間點(x)擬合成多項式曲線：

y=-2×10-5x4+0.001 4x3-0.028 6x2+0.213 1x-0.205 5(r2=0.806 1)。

可以看出，R值較高，擬合程度較高。此外可以明顯看出1 d中產氣量的峰值在13：30—15：30這一時間段，而這一時段正好是氣溫最高、太陽輻射最強的時刻。水體釋放氣體量呈現出隨著每日光合作用的增強、減弱呈現升高、降低的規律性變化。在氣溫變化范圍為24～34 ℃，光照充分的環境下，對水體表層釋放氣體進行24 h監測，監測1 d。試驗采用1個匯聚節點，圖7-b顯示了1 d的監測情況，將1 h氣體產生通量和時間擬合成多項式曲線：

y=-1×10-7x6+5×10-6x4-2×10-5x3-0.001 6x2+0.016 4x(r2=0.365 3)。

通過數據分析，使用柱狀圖進行呈現。采用曲線進行多項式擬合，可以反映時間和表層產氣量的變化規律。與氣溫28～39 ℃的結果相比，由于溫度降低，其氣體產生通量要小得多，約為較高溫度下氣體通量的1/4。而當天產氣量的峰值仍然在13：30—15：30這一時間段，也正好是氣溫最高，太陽輻射最強的時刻，符合隨著每日光合作用的增強、減弱產氣量呈現升高、降低的規律性變化[17-18]。

3.3 中層水體晝夜釋放氣體特征的自動監測

在監測表層釋放氣體規律的同時，在10月17日至18日氣溫范圍為23～25 ℃的晴好天氣對中層水體釋放氣體規律進行實時監測。圖8為不同時間節點水體釋放氣體的情況。可以看出其曲線擬合程度較低，并沒有呈現隨著光合作用晝夜變化而相應規律性的變化。將每小時氣體產生通量和時間擬合成多項式曲線：

y=-9×10-9x5+6×10-7x4-2×10-5x3+0.000 2x2-0.001x+0.002 1(r2=0.187 6)。

中層水體斷面的氣體釋放量明顯低于表層水體，約為表層水體產氣量的1/10。這主要是因為該斷面層次的光合生產能力降低，由于光合作用釋放的O2量大幅度降低，從而使氣體釋放量銳減。

3.4 底層水體晝夜釋放氣體特征的自動監測

在氣溫變化范圍為24～34 ℃，光照充分的環境下，對底層水體釋放氣體規律進行實時監測。試驗采用3個匯聚節點，分別位于不同位置。圖9顯示了其中2個匯聚節點監測的平均情況。通過數據分析，使用柱狀圖進行呈現。采用曲線進行多項式擬合，y=-2×10-6x4+0.000 1x3-0.002 2x2+0.012 5x+0.008 6(r2=0.648)。

與表層水體相比，底層水體的氣體產生明顯少于表層水體，約為表層水體產氣量的1/4。由于底層水體受到陽光輻射少，溫度下降且變化沒有表層明顯，因此沒有明顯的峰值，即底層水體釋放氣體量并未隨著光合作用的增強、減弱呈現升高、降低的規律性變化。這也說明底層水體(泥水界面)產生氣體的機制與表層水體不同。底層水體收集到的氣體主要來自底泥。在夏季高溫季節，底泥處于厭氧條件，微生物驅動的厭氧發酵過程強烈[19-20]，產生的氣體以CH4為主，而表層水體釋放氣體以O2為主。但在白天和夜晚，底層水體氣體產出變化仍存在明顯差別。這可能主要受到底層水體晝夜溫度、溶解氧含量(反映厭氧程度)、養分等環境條件差異的影響[10]。

3.5 不同層次水體氣體釋放的人工監測

利用人工監測方法對表層水體24 h內釋放氣體的規律進行分析，與重力傳感器實時監測獲得的數據進行比較。由于人工監測方法收集氣體樣品的間隔時間較長，因此對實時監測數據在相同時間間隔段內進行累加(表2)。從不同時間間隔的釋放比例來看，8月份人工監測方法獲得的氣體釋放規律也呈現出隨著每日光合作用的增強、減弱呈現升高、降低的規律性變化，與重力傳感器獲得的數據而擬合的曲線總體上非常相近，12：00—16：00和16：00—20：00都是氣體釋放量最高的2個時間段[10]，說明重力傳感器能很好地反映氣體釋放的變化情況。此外，與人工稱量方法相比，重力傳感器明顯可以獲得更詳細的氣體釋放實時數據，能夠準確反映氣體釋放的最低點和峰值情況。說明基于重力傳感器和網絡傳輸方法實時監測水體釋放氣體規律能更好、更詳盡地反映水體釋放氣體規律的實際情況。

表2 手動稱量方法監測水體不同層次氣體釋放體積

4 結論和展望

基于傳感器網絡的水體釋放氣體監測方法能夠實時、定量、準確地監測水體氣體產生規律。由于該方法節省了大量人力，克服了以往試驗方法難以實時、連續、在不同位置同時監測的問題，獲得的數據更加充分[21-22]，并且可以根據需求采集數據，實時反映水體產生氣體的規律。

本技術目前僅解決了實時監測水體產生氣體量的難題，但并未同時實現環境因子(溫度、溶解氧含量、pH值、光照度等)及釋放氣體成分的實時監測。下一步，可將環境因子的監測探頭安裝在自動升降裝置上，并將相應的傳感器加入本研究所開發裝置的傳感器接口模塊中，實現不同深度水層環境因子的實時同步監測。另外，還可以引入在線測定溫室氣體成分CH4、CO2、N2O的設備，實現氣體成分的在線監測。

由于開發的試驗設備有限，還沒有展開大量布點試驗。在進一步的研究中，將進一步改進試驗裝置，實現多層布控，實時監測。隨著監測的不斷進行，其監測數據也將變得龐大，這些數據將成為系統性研究水體氣體產生規律的寶藏。隨著數據的增多，將進一步研究和利用各種大數據分析方法進行分析，實現對各種影響試驗結果的隨機因素進行辨別和濾除，更好地輔助開展關于水體溫室氣體和氮相關氣體釋放規律的研究。