一种甲烷监测装置和海洋剖面甲烷立体实时监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及海洋环境监测技术领域，尤其涉及一种甲烷监测装置和海洋剖面甲烷立体实时监测系统。


背景技术：

2.主要位于陆架、陆坡区的海底天然气水合物，作为一个庞大的甲烷储库，其异常强烈的甲烷自然渗漏活动是大气甲烷一个重要源区，对大气甲烷的贡献非常大。人类对于天然气水合物的开发活动可能会加剧甲烷渗漏，增大甲烷进入大气层的风险，引发海洋缺氧和全球变暖等灾难性后果。因此，在海洋碳循环研究及海域天然气水合物开发过程中，开展海洋剖面甲烷立体实时监测尤为重要。
3.中国专利cn107678055a公开了一种海域天然气水合物海底甲烷监测系统及方法：以开采井位为中心设置第一监测圈和第二监测圈，在第一监测圈和第二监测圈上设置多组海底潜标用于监测海底甲烷浓度，组成海底甲烷数据矩阵。该专利所公开的技术方案仅能探测海底是否发生甲烷渗漏，但不能对渗漏甲烷进行立体追踪，进而无法获知甲烷离开海底后的归宿、无法准确评价甲烷渗漏的环境影响。
4.甲烷进入海水、往大气界面的扩散、运移过程涉及溶解、相变、海流输送等复杂作用，与海水温度、压力、海流等水动力环境密切相关。因此，在海域天然气水合物开发过程中，为及时把控海底渗漏甲烷的扩散、运移路径及环境影响，需要对多个水层的甲烷浓度和水动力环境开展同步监测并实时回传数据。以往基于感应耦合传输技术的实时潜标虽能够提供数据实时回传，但无法支持对海水甲烷及水动力环境的同步监测及实时回传。
5.因此，本实用新型提供一种甲烷监测装置和海洋剖面甲烷立体实时监测系统，实现对海底渗漏甲烷在海水中扩散、运移过程的立体实时追踪，为海域天然气水合物开发环境影响评价及海洋碳循环研究提供必要的监测手段。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种甲烷监测装置，其能解决现有感应耦合传输潜标技术中无法对海水甲烷及水动力环境进行同步监测，并及时将监测数据传输出来的问题。
7.本实用新型的目的之二在于提供一种海洋剖面甲烷立体实时监测系统，其能解决现有技术无法实时监测海底渗漏甲烷在海水中扩散、运移过程的问题。
8.为了达到上述目的之一，本实用新型所采用的技术方案如下：
9.一种甲烷监测装置，包括若干用于潜浮的第一浮球组件、用于实时监测模块同步监测水体甲烷含量和水动力环境的实时监测模块、用于处理监测数据的数据采集舱和用于与外界通信装置连接的第一通信模块，所述实时监测模块通过数据采集舱与第一通信模块连接，所述第一浮球组件与数据采集舱连接。
10.优选的，所述第一浮球组件沿监测方向依次排列分布。
11.优选的，所述实时监测模块包括海流计、温盐深仪和甲烷传感器，所述海流计、温盐深仪和甲烷传感器均与数据采集舱连接。
12.优选的，所述第一通信模块包括用于与外界通信的感应耦合传输器，所述数据采集舱通过感应耦合传输器与外界通信装置连接。
13.优选的，所述第一浮球组件包括玻璃浮球和用于包裹玻璃浮球的保护外壳，所述玻璃浮球通过保护外壳与数据采集舱连接。
14.为了达到上述目的之二，本实用新型所采用的技术方案如下：
15.一种海洋剖面甲烷立体实时监测系统，包括设置在水面的通信浮体、设置在海底的重力锚和设置在水面通信浮体与重力锚之间的监测机构，所述监测机构包括一海底甲烷渗漏强度监测装置、若干上述的甲烷监测装置和连接在水面通信浮体和重力锚之间的包塑钢缆，所述海底甲烷渗漏强度监测装置包括设在重力锚和甲烷监测装置之间的声学多普勒流速剖面仪和第二通信模块，所述声学多普勒流速剖面仪通过第二通信模块与包塑钢缆连接，所述甲烷监测装置的数据采集舱通过第一通信模块与包塑钢缆连接，所述甲烷监测装置的第一浮球组件与包塑钢缆连接；所述包塑钢缆，用于在甲烷监测装置和水面通信浮体之间进行通信。
16.优选的，还包括声学释放器，所述包塑钢缆通过声学释放器与重力锚连接，所述声学多普勒流速剖面仪设置在声学释放器和甲烷监测装置之间。
17.优选的，还包括若干第二浮球组件，所述声学释放器远离重力锚的一侧与第二浮球组件连接。
18.相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：通过按照预定的间距在水面通信浮体和重力锚之间设置一海底甲烷渗漏强度监测装置和多个能同步监测甲烷含量、水动力环境的甲烷监测装置，以实现对目标海域的甲烷浓度、水动力环境进行分水层同步监测，立体追踪海底渗漏甲烷在水体中的扩散、运移路径。具体的，海底甲烷渗漏强度监测装置利用声学多普勒流速剖面仪监测水体回波强度和海底甲烷喷发速度，用以判断海底甲烷渗漏强度；甲烷监测装置实时获取监测水层中的甲烷浓度及水动力环境，用以判断甲烷离开海底后所到达的水层及在水平方向上的扩散和运移路径；第一通信模块将监测数据经包塑钢缆传输至水面通信浮体，水面通信浮体再将数据及时传输至外界；第一浮球组件与包塑钢缆连接，同时利用与包塑钢缆连接的第一浮球组件向海洋剖面甲烷立体实时监测系统分段提供浮力，保证其抗流性，并实现长期有效的监测作业。
附图说明
19.图1为本实用新型中所述的海洋剖面甲烷立体实时监测系统的结构示意图。
20.图2为本实用新型中所述的甲烷监测装置的结构示意图。
21.图中：1-甲烷监测装置；2-第一浮球组件；3-实时监测模块；31-海流计；32-温盐深仪；33-甲烷传感器；4-数据采集舱；5-第一通信模块；6-固定绳索；7-水面通信浮体；8-重力锚；9-声学释放器；10-包塑钢缆；11-第二浮球组件；12-海底甲烷渗漏强度监测装置。
具体实施方式
22.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优
选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：
26.在本实用新型中，所述监测方向为自水面通信浮体7至重力锚8的方向，所述第一浮球组件2和第二浮球组件11的内部均为一个具有密封结构的玻璃浮球，再在玻璃浮球的外表包裹一层适用于长时间潜浮在水中的保护外壳，并通过该保护外壳与固定绳索6(凯夫拉绳)连接起来，凯夫拉绳由kevlar(r)纤维编织而成，kevlar(r)纤维有极高的强度，大于28克/旦，是优质钢材的5-6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/5，在本实施例中，通过凯夫拉绳将多个第一浮球组件2或第二浮球组件11串联成一串，为系统提供足够大的浮力，以使实时监测模块3能够不发生过大的垂向位移，从而达到长时间对预设监测水层进行有效监测，所述包塑钢缆10是通过对钢缆进行外层包塑处理形成的，其较传统的钢缆具有更好的缓震、抗压和耐腐蚀性能。
27.实施例一：
28.如图1-2所示，一种海洋剖面甲烷立体实时监测系统，包括设置在水面的通信浮体7、设置在海底的重力锚8和设置在水面通信浮体7和重力锚8之间的监测机构，所述监测机构包括一海底甲烷渗漏强度监测装置12、若干甲烷监测装置1和连接在水面通信浮体7和重力锚8之间的包塑钢缆10，所述海底甲烷渗漏强度监测装置12包括设在重力锚8和甲烷监测装置1之间的声学多普勒流速剖面仪和第二通信模块，所述声学多普勒流速剖面仪通过第二通信模块与包塑钢缆10连接，所述甲烷监测装置的数据采集舱4通过第一通信模块5与包塑钢缆10连接，所述甲烷监测装置的第一浮球组件2通过固定绳索6与包塑钢缆10连接。在本实施例中，所述包塑钢缆10将设置在不同深度的甲烷监测装置1连接起来，并且包塑钢缆10还将作为通信电缆，用于在甲烷监测装置1和水面通信浮体7之间进行通信，取代传统的通信电缆，简化监测系统。
29.具体的，甲烷监测装置1包括若干用于潜浮的第一浮球组件2、用于实时监测模块同步监测水体甲烷含量和水动力环境的实时监测模块3、用于处理监测数据的数据采集舱4、用于与外界通信装置连接的第一通信模块5和用于连接第一浮球组件2与数据采集舱4的固定绳索6，所述实时监测模块3通过数据采集舱4与第一通信模块5连接，所述第一浮球组件2通过固定绳索6和数据采集舱4连接。优选的，还包括上连接件和下连接件，所述固定绳索6的一端通过上连接件与包塑钢缆10靠近水面通信浮体7的一侧连接，所述固定绳索6的另一端通过下连接件与包塑钢缆10靠近重力锚8的一侧连接，所述数据采集舱4和第一浮球
组件2沿监测方向依次排列分布在固定绳索6上，在本实施例中，所述上连接件和下连接件可以采用不锈钢等耐腐蚀抗压性能好的材质制成的卡扣、u型卡头等，固定绳索的两端分别被上连接件和下连接件固定连接在包塑钢缆10上，以使第一浮球组件2在固定绳索的牵引下，沿监测方向均匀依次排列分布，优选的，所述数据采集舱4也连接在固定绳索上，通过利用固定绳索6代替包塑钢缆10受力，降低包塑钢缆10断裂风险，进一步解决了包塑钢缆10上不易装配大重量测量仪器的问题，优选的，所述数据采集舱4连接在第一浮球组件2靠近实时监测模块3的一侧，以缩短通信线路的长度，同时数据采集舱4与第一浮球组件2的形状基本一致，以使数据采集舱4与第一浮球组件2的受力一致，降低数据采集舱4与第一浮球组件2之间出现断缆丢失的风险。
30.优选的，所述实时监测模块3包括海流计31、温盐深仪32和甲烷传感器33，所述海流计31、温盐深仪32和甲烷传感器33均与数据采集舱4连接，以获取目标水域的甲烷含量及温度、盐度、海流等水动力数据，并储存至数据采集舱4进行处理，再由第一通信模块5发送至外界，用于判断该区域海底渗漏甲烷在水动力环境控制下的扩散路径及归宿，优选的，所述第一通信模块5包括用于与外界通信的感应耦合传输器，所述数据采集舱通过感应耦合传输器与外界通信装置连接，优选的，所述外界通信装置包括但不限于水面通信浮体7、外界的工作船只或者卫星。在本实施例中，所述数据采集舱4将实时监测模块3获得的数据以电信号形式发送至感应耦合传输器，感应耦合传输器再将获得的电信号转化成磁信号，并传输到包塑钢缆10上，以使水面通信浮体7获取包塑钢缆10上的磁信号，然后转化为电信号，发送至外界的工作船只或者卫星，实现将实时监测模块3中的监测数据实时发送至外界数据回收处，工作人员能够实时掌握目标水域的甲烷垂向梯度及水动力变化情况，进而推算海底渗漏甲烷对多个水层的影响及其在水体中的扩散、运移路径，为水合物开发工程及时提供环境影响评估及应对策略，进一步的，在本实施例中，根据监测需要，水面通信浮体7和监测机构还可以执行定时发送监测数据，从而提高续航时间。
31.优选的，海底甲烷渗漏强度监测装置12设置在声学释放器9与甲烷监测装置1之间，所述海底甲烷渗漏强度监测装置12包括用于测量近海底水体回波强度和海底甲烷喷发速度的声学多普勒流速剖面仪(adcp)和第二通信模块，优选的，第二通信模块同样为用于与外界通信的感应耦合传输器，即adcp获得的数据同样以电信号形式发送至感应耦合传输器，再由感应耦合传输器经包塑钢缆10传输至水面通信浮体7。在本实施例中，可使用声频率为75khz的adcp进一步监测海底400米内的甲烷渗漏、喷发强度，为分析甲烷在中、上层海洋中的扩散、运移提供初始场。优选的，在包塑钢缆10和重力锚8之间还设置有声学释放器9，具体的，声学释放器9的下端通过不锈钢锚链与重力锚8连接，声学释放器9的上端通过包塑钢缆10与监测机构连接，当监测作业完成之后，则控制声学释放器9中的机械脱钩机工作，声学释放器9的机械脱钩机与不锈钢锚链分离，以使声学释放器9与重力锚8分离，实现整套系统依靠各个浮球组件提供的浮力上浮至海表面，以便于回收，优选的，还包括若干第二浮球组件11，所述声学释放器9远离重力锚8的一侧与第二浮球组件11连接。当声学释放器9中的机械脱钩机完成脱钩动作后，所述第二浮球组件11向声学释放器9提供一个向上的浮力，以使声学释放器9能够尽快与重力锚8分离，提高分离操作的成功几率。
32.在本实施例中，重力锚8沉降至海底，通过包塑钢缆10将连接在包塑钢缆10上的甲烷监测装置1和海底甲烷渗漏强度监测装置12固定在目标水域，优选的，在包塑钢缆10上的
若干个甲烷监测装置1和海底甲烷渗漏强度监测装置12自水面通信浮体7至重力锚8之间排列分布设置，以实现对目标海域的甲烷浓度、水动力环境进行分水层同步监测，立体追踪海底渗漏甲烷在水体中的扩散、运移路径。具体的，海底甲烷渗漏强度监测装置12利用声学多普勒流速剖面仪监测水体回波强度和海底甲烷喷发速度，用以判断海底甲烷渗漏强度；每个甲烷监测装置1中的实时监测模块3中的海流计31、温盐深仪32和甲烷传感器33分别获取对应水层的海流、温度、盐度和甲烷含量，再分别储存至数据采集舱4，数据采集舱4将实时监测模块3获得的数据以电信号形式发送至感应耦合传输器，感应耦合传输器再将获得的电信号转化成磁信号，并传输到包塑钢缆10上，以使水面通信浮体7获取包塑钢缆10上的磁信号，然后转化为电信号，发送至外界的工作船只或者卫星。
33.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。