传感器和网络传输方法在实时连续监测水层气体释放方面的应用

刘新红， 余立功， 高 岩， 胡茂俊， 易 能， 邸攀攀， 罗 佳， 严少华

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014； 2.南京理工大学计算机科学与技术学院，江苏南京 210094)

随着人类社会经济的发展，环境问题日益突出，大气中温室气体浓度日益增加所造成的全球变暖已经成为全球关注的焦点。水体生态系统是温室气体释放的重要源和汇。对温室气体排放的研究催生了大量研究方法的创新[1-2]。针对气体从水生环境中释放的研究方法，现有的方法主要有静态箱法、梯度法、倒置漏斗法、集气罩法、涡度相关法等[3-4]。

静态箱法又称为漂浮通量箱法，通过将倒扣的箱体漂浮在水体表面，每隔一定时间间隔测量箱体中待测气体浓度，根据浓度随时间的变化速率来计算被覆盖水域释放气体的通量。该方法结合气相色谱分析，能够同时分析气体的多种成分[5-6]。然而该方法的缺点是(1)采样过程需要科研人员等待在采样点，耗时费力。(2)不能连续监测水体释放气体的情况，而水体在每日不同时间段释放气体量及成分具有明显差异。(3)研究水体排出的气体相对于箱体顶空气体量少，适于分析甲烷、氧化亚氮等空气中极微量的气体，而对空气中本底浓度很高的氮、氧产出测定精确度不高。(4)气体产生日变化规律难以进行分析。

梯度法又称为扩散模型法，通过同时测量某种气体在表层水体中和大气中的浓度，计算浓度差，再根据气体交换系数，计算通量[5，7]。该方法可以实现对气体浓度的连续监测。然而该方法的缺点在于由于基于气体水气界面扩散的过程半经验模型方法，并不能够对扩散过程的原理和驱动机制进行体现，计算结果存在较大不确定性；同时对于事先并不能够明确产出气体的成分的情况，该方法就显得无能为力。

涡度相关法通过测定大气中湍流运动所产生的风速脉动与物理量脉动，直接计算物质的通量[7-8]。涡度相关法要求常通量层必须在热力中性大气条件下，被测下垫面大尺度宏观均匀，且测点上风方向相当大的区域内气体通量排放均匀。该方法的缺点在于成本高、技术复杂、对环境要求较高，主要应用于陆地生态系统的碳通量研究。

近年来，江苏省农业科学院发明了一种水体释放气体收集装置，将采气罩置于水面以下，通过水的浸没过程将采气罩中原有空气全部排出后，原位连续收集水层产出的气体，用排水集气法原理将收集到的气体引入集气瓶，瓶中收集到的气体即为集气罩覆盖水域面积下水体产生的气体。该装置可以收集整个水柱释放的气体，也可调节后收集不同水层断面产生的气体，实现了同时进行产出气体体积计量、成分测定和通量计算[9-12]。该装置是一种漂浮式、可移动、使用方便的装置，但也存在不少不足，如水层气体产生量等参数是通过人工取下集气瓶称质量计算的。如果进行连续监测时，一般要间隔数小时取下集气瓶称量1次气体产生量，并替换新的集气瓶。这不但工作量大，且不能获得连续数据，也不能用于精确分析水面释放气体的昼夜变化规律。针对以上问题，本研究提出1种使用重力传感器和数据传输信息技术连续、实时计量水体释放气体量方法，以期能够实现对水体释放气体特征进行实时定量监测。

1 材料与方法

1.1 监测点位介绍

水体释放气体原位实时自动监测试验在江苏省农业科学院内富营养化河道进行。河道常年接纳上游排入的生活污水。河道入水口处污水的总氮(TN)浓度为14.0 mg/L，总磷(TP)浓度为4.0 mg/L；河道表层水体中TN浓度从上游至下游有逐渐降低的趋势，每年变幅大概为1.5～10.3 mg/L，TP浓度变幅大概为0.1～2.2 mg/L。夏秋季节，河道水体表层可观察到严重的藻华，且观察到气泡冒出水面。河道分上下2个部分，分隔于马路两侧，两河道水体相通，在丰水季节由修建的闸门控制水量；在枯水季节，闸门关闭，上部分河道水深超过一定深度则由小型的排水口流入下游河道。在水稻生长季节，河道内的污水用于稻田灌溉。在雨季或稻田灌溉季节，河道水力停留时间短，水量交换较大。其余季节，河道内污水的水力停留时间较长，外界扰动小。由于下游河道水力情况比上游河道稳定，本试验关于实时监测水层释放气体的试验在下游河道2号塘开展。

1.2 气体收集和气体释放量自动监测装置结构

整个监测装置包括集气罩、漂浮框架、集气瓶、重力传感器和数据传输。装置使用和结构示意见图1。

采用浮球架做成的漂浮框架将整个监测系统支撑浮于水面。将重力传感器、集气瓶和传输装置固定在垂直伸出水面的不锈钢支架上，确保传感设备完好，不浸入水中。汇聚节点连通重力传感器、空气温度传感器、水体温度传感器之后放在漂浮框架最顶端，作为数据传输装置。集气罩浸没于水面之下，通过其顶端的真空水管与悬挂于不锈钢支架中心点的集气瓶连通。集气罩覆盖一定面积的水体，下方水柱产生的气体在集气罩中汇集，汇集的气体通过真空水管在重力差的作用下向上进入集气瓶，同时集气瓶中的水靠重力排出进入水体中，从而实现将收集的气体自动连续地吸入集气瓶。集气瓶悬挂于重力传感器的感应器上，置于漂浮框架最顶端的中心点上，集气瓶的质量变化通过重力传感器测定。同时，可以通过人工称量集气瓶质量的变化，计算获得集气瓶中所收集的气体的体积，与自动监测结果进行比较。集气罩浸没在水体中的深度可以通过集气罩和漂浮框架间的连接软绳进行调节，以便测定不同深度水层断面产生气体的情况。其中，集气罩下方设有1个透明挡板(图2)，可阻止下方水柱释放的气体进入集气罩，同时保证水样流动性，自然划分出不同深度水层断面。因此在监测不同深度水层断面产生气体特征时，只要将连接有挡板的集气罩置于设定的深度即可。传感器和汇聚节点工作原理见图3。

1.3 气体收集装置工作原理与水体释放气体量的计量方法

将采气罩置于水面以下，通过水的浸没过程将采气罩中原有空气全部排出。利用倒挂于一定高度装满水的集气瓶收集采气罩内聚集到的气体。集气瓶的进气管与采气罩的出气口相连，集气瓶上的排水管直接垂入水中与水体相通。在采气罩有气体聚集的情况下，集气瓶中等体积的水靠重力排出进入水体，从而实现将收集的气体自动连续地吸入集气瓶。计量集气瓶质量变化，可由如下等式计算出气体产出的体积：

V水=V气；

∵m水=mt1-mt2；

式中：V代表收集装置中水或者气体的体积；m水代表收集装置中水的质量；ρ代表水的密度；mt1和mt2分别代表起始时间和结束时间气体收集瓶的质量。

根据以上公式可知，气体收集装置收集到的气体的实际体积与实时测定集气瓶的质量差呈线性正相关关系。由于水的密度约为1 kg/L，因此可以通过测定集气瓶的质量差，得到排出气体的体积。

Gao等通过定期取回集气瓶，称其质量变化，计算气体产出的体积。而本研究应用重力传感器和网络系统计量传输气体产生数据[9]。当气体通过软管a进入集气瓶，同时瓶中的水通过软管b排出，重力传感器示数就会发生变化。设置重力传感器示数为质量(kg)，根据监测时段的重力示数差，可得到排出水的质量，根据质量和体积的关系即可计算该时段气体产出量。重力传感器和网络的应用，可以获得大量、连续的气体产生数据。

2 网络数据传输体系

传感器网络是由大量部署在作用区域内的微小传感器节点构成的网络系统。传感器网络系统通常包括传感器(sensor)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点部署在监测区域(sensor field)内部或附近[13]。传感器节点监测的数据送到汇聚节点，最后通过移动互联网到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据[14]。图4为整个传感器网络的系统结构。

汇聚节点包括传感器接口模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块和增强功能模块5个组成部分。如图5所示，传感接口模块用于提供各种传感器的接口，针对实际应用接收相应传感器传来的数据；微处理器系统是一个简单的数据处理系统，用于将各个传感器送来的数据进行整合、打包、存储或根据设定频率进行计算或处理；无线通信模块用于对管理节点通信发送监测数据，接收控制命令；电源模块用于提供电源；增强模块用于针对某些特殊数据处理和运算，为可选配置。对于水样气体产生监测的实际应用，汇聚节点上连接的传感器包括空气温度传感器、水样温度传感器、气体重力传感器等。因此传感接口模块就应当包括这些传感器的相应接口[15]。

管理节点包括无线通信模块、服务监测模块、数据发布模块。如图6所示，无线通信模块同汇聚节点进行通信，发送控制命令，接收监测数据；服务监测模块根据数据协议将接收的数据进行解包分发，并接受监测指令发送给各汇聚节点；数据发布模块将数据接收的数据发布到监测界面[16]。

3 结果与分析

3.1 重力传感器及精准度验证

使用的重力传感器型号为LCS-S3，配备标准MODBUS数字称质量/测力变送器RW-ST01D，其测量精度为 0.001 kg。采用5 V电源供电，其通信采用串口通信。能够在-30～85 ℃范围内工作。同时配备DS18B20温度传感器。采用5 V电源供电，其温度测量范围是-55～125 ℃，精度为±0.5 ℃。

汇聚节点的网络传输模块采用嵌入式DTU ME99E(含吸附式天线)通过串口与设备连接，汇聚节点采用无线网络与终端电子计算机(PC)建立透明的信号传输通道，使采集点与后端PC机实现数据双向传输。3G(第3代移动通信技术)模块采用MU509。

在重力传感器应用于试验数据采集前，须要验证比较其与称量方式的精确性。试验前，将充满水的集气瓶用电子天平称量，记录质量，对应的为集气瓶挂到重力传感器上并连接集气罩时网络传输回的质量数据。在试验中，将换取集气瓶时重力传感器发回的质量数据与用电子天平测量数据对应。比较使用电子天平称量和重力传感器数据的差异，验证其精度，结果见表1。

由表1可知，重力传感器的测量值与电子天平称量数值误差范围为-0.1%～0.1%，误差计算公式：(重力传感器数据-电子天平数据)/电子天平数据×100%。

3.2 表层水体昼夜释放气体特征的自动监测

自动监测装置可以任意设置传感器的传输频率，因此对江苏省农业科学院2号塘水体释放气体规律进行24 h的实时监测，数据示数记录频率为1 min1次。并且可以将收集到的各个时间的示数数据根据监测时间进行曲线拟合，得到气体产生的方程，并得到昼夜变化规律。

监测时间的温度范围是28～39 ℃，光照良好，此时对表层水体释放气体规律进行实时监测。试验采用3个汇聚节点，图7-a显示了1 d中不同时刻气体释放量的变化情况，将1 h内气体产生量(y)和时间点(x)拟合成多项式曲线：

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值较高，拟合程度较高。此外可以明显看出1 d中产气量的峰值在13：30—15：30这一时间段，而这一时段正好是气温最高、太阳辐射最强的时刻。水体释放气体量呈现出随着每日光合作用的增强、减弱呈现升高、降低的规律性变化。在气温变化范围为24～34 ℃，光照充分的环境下，对水体表层释放气体进行24 h监测，监测1 d。试验采用1个汇聚节点，图7-b显示了1 d的监测情况，将1 h气体产生通量和时间拟合成多项式曲线：

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

通过数据分析，使用柱状图进行呈现。采用曲线进行多项式拟合，可以反映时间和表层产气量的变化规律。与气温28～39 ℃的结果相比，由于温度降低，其气体产生通量要小得多，约为较高温度下气体通量的1/4。而当天产气量的峰值仍然在13：30—15：30这一时间段，也正好是气温最高，太阳辐射最强的时刻，符合随着每日光合作用的增强、减弱产气量呈现升高、降低的规律性变化[17-18]。

3.3 中层水体昼夜释放气体特征的自动监测

在监测表层释放气体规律的同时，在10月17日至18日气温范围为23～25 ℃的晴好天气对中层水体释放气体规律进行实时监测。图8为不同时间节点水体释放气体的情况。可以看出其曲线拟合程度较低，并没有呈现随着光合作用昼夜变化而相应规律性的变化。将每小时气体产生通量和时间拟合成多项式曲线：

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

中层水体断面的气体释放量明显低于表层水体，约为表层水体产气量的1/10。这主要是因为该断面层次的光合生产能力降低，由于光合作用释放的O2量大幅度降低，从而使气体释放量锐减。

3.4 底层水体昼夜释放气体特征的自动监测

在气温变化范围为24～34 ℃，光照充分的环境下，对底层水体释放气体规律进行实时监测。试验采用3个汇聚节点，分别位于不同位置。图9显示了其中2个汇聚节点监测的平均情况。通过数据分析，使用柱状图进行呈现。采用曲线进行多项式拟合，y=-2×10-6x4+0.000 1x3-0.002 2x2+0.012 5x+0.008 6(r2=0.648)。

与表层水体相比，底层水体的气体产生明显少于表层水体，约为表层水体产气量的1/4。由于底层水体受到阳光辐射少，温度下降且变化没有表层明显，因此没有明显的峰值，即底层水体释放气体量并未随着光合作用的增强、减弱呈现升高、降低的规律性变化。这也说明底层水体(泥水界面)产生气体的机制与表层水体不同。底层水体收集到的气体主要来自底泥。在夏季高温季节，底泥处于厌氧条件，微生物驱动的厌氧发酵过程强烈[19-20]，产生的气体以CH4为主，而表层水体释放气体以O2为主。但在白天和夜晚，底层水体气体产出变化仍存在明显差别。这可能主要受到底层水体昼夜温度、溶解氧含量(反映厌氧程度)、养分等环境条件差异的影响[10]。

3.5 不同层次水体气体释放的人工监测

利用人工监测方法对表层水体24 h内释放气体的规律进行分析，与重力传感器实时监测获得的数据进行比较。由于人工监测方法收集气体样品的间隔时间较长，因此对实时监测数据在相同时间间隔段内进行累加(表2)。从不同时间间隔的释放比例来看，8月份人工监测方法获得的气体释放规律也呈现出随着每日光合作用的增强、减弱呈现升高、降低的规律性变化，与重力传感器获得的数据而拟合的曲线总体上非常相近，12：00—16：00和16：00—20：00都是气体释放量最高的2个时间段[10]，说明重力传感器能很好地反映气体释放的变化情况。此外，与人工称量方法相比，重力传感器明显可以获得更详细的气体释放实时数据，能够准确反映气体释放的最低点和峰值情况。说明基于重力传感器和网络传输方法实时监测水体释放气体规律能更好、更详尽地反映水体释放气体规律的实际情况。

表2 手动称量方法监测水体不同层次气体释放体积

4 结论和展望

基于传感器网络的水体释放气体监测方法能够实时、定量、准确地监测水体气体产生规律。由于该方法节省了大量人力，克服了以往试验方法难以实时、连续、在不同位置同时监测的问题，获得的数据更加充分[21-22]，并且可以根据需求采集数据，实时反映水体产生气体的规律。

本技术目前仅解决了实时监测水体产生气体量的难题，但并未同时实现环境因子(温度、溶解氧含量、pH值、光照度等)及释放气体成分的实时监测。下一步，可将环境因子的监测探头安装在自动升降装置上，并将相应的传感器加入本研究所开发装置的传感器接口模块中，实现不同深度水层环境因子的实时同步监测。另外，还可以引入在线测定温室气体成分CH4、CO2、N2O的设备，实现气体成分的在线监测。

由于开发的试验设备有限，还没有展开大量布点试验。在进一步的研究中，将进一步改进试验装置，实现多层布控，实时监测。随着监测的不断进行，其监测数据也将变得庞大，这些数据将成为系统性研究水体气体产生规律的宝藏。随着数据的增多，将进一步研究和利用各种大数据分析方法进行分析，实现对各种影响试验结果的随机因素进行辨别和滤除，更好地辅助开展关于水体温室气体和氮相关气体释放规律的研究。