一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统的制作方法

1.本实用新型涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统。


背景技术：

2.当前，为实现碳达峰和碳中和的目标，需对城市水体进行综合治理，且随着城市黑臭水体整治工作推进和效果逐步显现，发挥水体碳汇作用已提上城市建设工作日程。目前对于城市河湖的碳汇量计算没有一个明确的计量方法，又因为我国目前水体生态化建设要求，水生植物种植是其中最重要的部分。所以明确水生植物碳汇当量，就是明确城市水体的碳汇量，这个当量对于指导实际工程具有很大价值。
3.水生植物可以吸收水体中的二氧化碳，降低水体中的二氧化碳浓度，由于在一定温度和大气压强下，水体中的二氧化碳浓度相对稳定，因此，空气中的二氧化碳会向水中进行溶解，进而促进了水体碳汇。
4.因此，如何设计一种培养装置，便于进行水体碳汇量试验的采样及测算，便成为本领域人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统，该静态培养系统可有效保证不向静态培养箱引入新的气体、液体及固体杂质，且可定量、定时精确控制采气量，实现水生植物全生命周期碳排碳汇量的全自动取样功能。
6.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统，包括静态培养箱、多通道自动集气装置及供压供水装置，其中静态培养箱内部密封培养水生植物，该静态培养箱的进水端设于箱内液面之下且连接供压供水装置，且静态培养箱的气体采样端设于箱内液面之上且连接多通道自动集气装置；供压供水装置定时定量向静态培养箱内供水并挤压箱内液面之上的气体进入多通道自动集气装置；多通道自动集气装置包括涡轮聚风筒、导气管、导气通路、多联多通阀及集气袋；导气管固设在静态培养箱的侧壁上，导气管的两端均连通箱内液面之上的气腔，其中导气管的一端设置涡轮聚风筒，且导气管上并联连通有多个导气通路；导气通路上设有多联多通阀，导气通路的末端密封绑扎集气袋。
8.优选的，供压供水装置包括步进电机、电动套管推杆、水柱桶及滑动活塞；步进电机及水柱桶均固设在静态培养箱的外壁上，该步进电机的输出端动力连接多根电动套管推杆；电动套管推杆的动力输出端轴向延伸至水柱桶内部并固接滑动活塞；水柱桶的底部设有连通静态培养箱的导水管，该导水管上设有开关电磁阀。
9.优选的，静态培养箱内部由下至上依次设有营养液层、海绵防渗层、底泥层、水体层及空气层，其中营养液层填装在静态培养箱底部，该营养液层的顶部固定封装海绵防渗
层；海绵防渗层包括缓释板，该缓释板上设有垂向贯通的漏孔，且缓释板的顶面及底面上均覆盖有海绵层；底泥层铺设在海绵防渗层上，且底泥层的上部高度调节连接第一培养板；水体层的上部高度调节连接第二培养板，且水体层的水面上方留设空气层。
10.优选的，静态培养箱的底泥层及水体层中均设有温度和水质检测传感器，且静态培养箱的水体层中还设有促进水体循环的水泵，以及为水体供氧的曝气头；曝气头的底部为第一培养板上固定的沉水植物曝气，该曝气头上固设有向上延伸至第二培养板位置的曝气导管；曝气导管为为第二培养板上限位的沉水植物曝气。
11.优选的，静态培养箱的上部高度调节连接第三培养板，且静态培养箱的顶部开口处密封设置盖板；盖板底面上固设有多根全光谱灯管。
12.本实用新型的优点和技术效果是：
13.本实用新型的一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统，通过多通道自动集气装置及供压供水装置协作，实现静态培养箱中气体定时、定量采集功能；首先，静态培养箱内水体与供压供水装置内水体常态连通，避免向静态培养箱内注水时引入新的液态或固态杂质；其次，曝气头向静态培养箱内注入净化空气实现曝气功能，避免引入新的气态杂质(曝气过程中供压供水装置吸取部分静态培养箱中水体，避免静态培养箱中空气层气压增大，实现空气层气压的微调)；最后，气体采集过程中由供压供水装置向静态培养箱中注水，使静态培养箱中的空气层增压，并通过定时开启多联多通阀的方式，向多通道自动集气装置的集气袋内注入箱内气体，其中多通道自动集气装置的导气管由涡轮聚风筒的风力作用，使导气管内部气体与静态培养箱中的空气层实时循环连通，提高采样精度且避免余气误差。
14.本实用新型的一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统，采用既精确又温和的方式，在保证不引入新杂质的基础上，尽量不影响现有的植物生长过程，且设计了一套可以精确控制采气量的装置，实现多通道定时自动气体采集功能，可以根据预设好的集气顺序，配合静态培养箱进行集气工作，且多通道自动集气装置设置多个集气袋，达到不需要工作人员值守的情况下自动集气的功能。
15.另外，本实用新型种植水生植物的第一、第二及第三培养板均可以上下调节高度，改变更适宜不同种类水生植物生长的水体深度及其与底泥接触面积的环境因素，适应更多种类的水生植物；另外，静态培养箱中可以添加水生植物生长营养液，保证及促进测试阶段水生植物的营养需求，避免由于测试时间较长导致植物凋亡带来的误差。
附图说明
16.图1为本实用新型的静态培养箱主体及内部构造示意图；
17.图2为本实用新型中供压供水装置及控制集成箱的构造示意图；
18.图3为本实用新型中供压供水装置的剖视图(排水姿态)；
19.图4为本实用新型中供压供水装置的剖视图(吸水姿态)；
20.图5为本实用新型中多通道自动集气装置的内部结构示意图；
21.图6为本实用新型的立体结构总图。
22.图中：1-静态培养箱；2-全光谱灯管；3-曝气导管；4-第一培养板；5-缓释板；6-盖板；7-第二培养板；8-第三培养板；9-导气管；10-水泵；11-曝气头；12-控制集成箱；13-步进
电机；14-电动套管推杆；15-导气通路；16-滑动活塞；17-水柱桶；18-开关电磁阀；19-导水管；20-多联多通阀；21-涡轮聚风筒；22-集气袋；23-多通道自动集气装置；24-供压供水装置。
具体实施方式
23.为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本实用新型的保护范围。
24.一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统，包括静态培养箱1、多通道自动集气装置23及供压供水装置24，其中静态培养箱内部密封培养水生植物，该静态培养箱的进水端设于箱内液面之下且连接供压供水装置，且静态培养箱的气体采样端设于箱内液面之上且连接多通道自动集气装置；供压供水装置定时定量向静态培养箱内供水并挤压箱内液面之上的气体进入多通道自动集气装置；多通道自动集气装置包括涡轮聚风筒21、导气管9、导气通路15、多联多通阀20及集气袋22；导气管固设在静态培养箱的侧壁上，导气管的两端均连通箱内液面之上的气腔，其中导气管的一端设置涡轮聚风筒，且导气管上并联连通有多个导气通路；导气通路上设有多联多通阀，导气通路的末端密封绑扎集气袋。
25.优选的，供压供水装置包括步进电机13、电动套管推杆14、水柱桶17及滑动活塞16；步进电机及水柱桶均固设在静态培养箱的外壁上，该步进电机的输出端动力连接多根电动套管推杆；电动套管推杆的动力输出端轴向延伸至水柱桶内部并固接滑动活塞；水柱桶的底部设有连通静态培养箱的导水管19，该导水管上设有开关电磁阀18。
26.优选的，静态培养箱内部由下至上依次设有营养液层、海绵防渗层、底泥层、水体层及空气层，其中营养液层填装在静态培养箱底部，该营养液层的顶部固定封装海绵防渗层；海绵防渗层包括缓释板5，该缓释板上设有垂向贯通的漏孔，且缓释板的顶面及底面上均覆盖有海绵层；底泥层铺设在海绵防渗层上，且底泥层的上部高度调节连接第一培养板4；水体层的上部高度调节连接第二培养板7，且水体层的水面上方留设空气层。
27.优选的，静态培养箱的底泥层及水体层中均设有温度和水质检测传感器，且静态培养箱的水体层中还设有促进水体循环的水泵10，以及为水体供氧的曝气头11；曝气头的底部为第一培养板上固定的沉水植物曝气，该曝气头上固设有向上延伸至第二培养板位置的曝气导管3；曝气导管为为第二培养板上限位的沉水植物曝气。
28.优选的，静态培养箱的上部高度调节连接第三培养板8，且静态培养箱的顶部开口处密封设置盖板6；盖板底面上固设有多根全光谱灯管2。
29.为了更清楚地描述本实用新型的具体实施方式，下面提供一种实施例：
30.本实用新型的一种水生植物碳排碳汇量测定自动取样静态培养系统，主要包括三个部分，分别为中间主体静态培养箱部分，右侧供压供水装置及控制集成箱，左侧多通道自动集气装置，如图6所示。
31.静态培养箱由下至上分为营养液层、海绵防渗层、底泥及水体层、空气层4层。静态培养箱主体内衬是由接触水体不会改变性质的材料如亚克力、玻璃、塑料及不锈钢材质制作，外部由不透光、保温性能较好的材料制作，整个测试过程需要严格控制光照、温度和压力条件。培养箱采用上翻式打开方式，上翻盖板边框四周采用硅胶、橡胶等密封材料进行箱
体密封，并设置开关等紧固设施，防止测试过程中由于压力装置加压导致气体泄漏。
32.营养液层位于底部箱体，直接与箱体接触，营养液层高度较小，大概占箱体总高度的2％～5％。该层主要用于填充水生植物营养液，为水生植物提供营养物质，防止水生植物由于长期处于密闭环境中，缺少生长必需的营养元素，导致测试结果失真，误差较大的情况。当测试时间较短时不需要添加营养液时，该层可以直接加水填充，不影响其他功能区的使用。
33.海绵防渗层位于营养液层之上，中间由不锈钢或塑料板制成的缓渗板隔开。海绵防渗层用于减少营养液层向上方扩散的量，既保持了各层上下贯通，也极大减慢了营养液层向上的速度，尽量保证底泥和水体水质不受影响。缓渗板也起到同样的作用，缓渗板的中部设有中间凹陷的漏孔，漏孔一侧边留有极小的缝隙，允许部分水或营养液通过，也极大的降低了物质交换速度。
34.底泥及水体层是测试的主要地方，整个测试层的高度占箱体高度的一半以上，各类水生植物种植在底泥或采用无泥栽培的方法进行测试。该层中安装有温度和水质检测传感器，并且在箱体一侧安装有促进水体循环的水泵，也可以采用小型水力推进器，该层底部安装有曝气头，曝气头的高度可以根据底泥的高度进行调节。该层中部位置可以安装一层限位板，限位板根据植物种类不同由小孔或钩子组成，可以限制测试期间水生植物的生长状态，更好的检测碳汇和碳排情况。
35.空气层是储存水生植物生长期间需要的各类气体，也是检测水生植物碳排碳汇量的主要层，在该层一侧连通有导气管，导气管末端设置有气体检测进气口，另一侧设置有涡轮聚风筒，用于使得导气管中产生负压，不断有新气体从气体进气口进入。该层中部位置可以添加一层顶板，顶板由右侧供压供水装置及控制集成箱由前后2个组件构成，其中控制集成箱，包括由时温控制系统、聚风筒风力控制系统、光照控制系统、连通阀控制系统、水质检测系统、曝气控制系统、压力检测防漏系统、数据记录及计算系统、远程控制系统。
36.时温控制系统：主要用于检测底泥、水体及空气层的温度，采用多路多探头方式；
37.聚风筒风力控制系统：主要用于控制风扇转速及空气层的循环效果，保证两次采气间隙导气管中的气体和空气层其他部位完全循环，防止出现风力死角及循环不畅的情况。
38.光照控制系统：用于控制箱体顶部全光谱日光灯，调节亮度，光照时间等参数
39.连通阀控制系统：用于控制压力装置及采气多联多通阀的启闭；
40.水质检测系统：用于检测测试水体的水质指标，包括ph、溶解氧浓度、orp等；
41.曝气控制系统：用于控制空气层向水体进行曝气的气量及时间；
42.压力控制系统：用于对压力装置进行控制，通过调节步进电机的转动方向及转动速度对压出水量进行量化，由此进行精确采集气体。
43.数据记录及计算系统：用于记录各项控制及监测系统的数据，并汇总进行简单的处理，方便与上位机进行沟通和传输。
44.远程控制系统：用于接收控制指令和发送记录的数据。
45.另外，供压供水装置包括电动推杆、滑动密封垫及水柱桶、导水管和开关阀。电动推杆包含步进电机及多套管推杆，步进电机转动带动推杆推动滑动密封垫，产生的压力使得水柱桶内的水进入导水管中，在开关阀开通的情况下，水注入主体培养箱中，启动多联多
通阀的某一通路，气体进入采气袋中。达到设置采集量后，步进电机停止转动，开关阀关闭、多联多通阀通路关闭。
46.多通道自动集气装置由多个分隔空间及上部导气管、聚风筒、气体检测进气口和多联多通阀组成。导气管用于引入和排出气体，一侧进口为气体检测进气口，另一侧为聚风筒，保证两次采气间隙导气管中的气体和空气层其他部位完全循环、导气管联通多联多通阀进气口，各个分隔隔间中均可以放置集气袋，多联多通阀每个出气口连接集气袋专用气管，气管与集气袋连接。
47.由于植物生长形态也会对碳排碳汇量造成影响，因此有必要采取措施限制植物生长形态，由下至上设置三层限位板，分别为第一培养板、第二培养板及第三培养板，第一培养板用于支撑水生植物，限制沉水水生植物生长高度；第二培养板用于保证沉水或挺水植物生长状态；第三培养板用于限制漂浮类水生植物生长状态。
48.最后，本实用新型优选的，本实用新型的未尽述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。
49.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。