[发明专利]一种测定地表地气流量与蒸发量的监测装置

说明书

本发明公开了一种监测地表地气流量与蒸发量装置的构成、使用安装及判读的方法，它由聚氨酯(PU)漏斗；气体流量计；无纸记录仪；温湿度监测仪(HOBO‑U23‑002A)和计算方法组成。本发明可无损监测地面、建筑或壁画表面的地气活动，为中华文明探源、资源勘探、地球关键层研究和洞窟文物保护提供技术与设备支撑。

技术领域

本发明涉及一种测量地表地气流量与水分蒸发量的监测装置。具体地说，一种测量地表地气活动数量和地气湿度的装置。该装置可直接测量地表、壁画和墙壁等表面的地气活湿度动和数量，确定地气活动规律、水汽通量和净蒸发量，为地气、古代24节气、矿物资源勘探研究及文物保护提供技术支撑。

背景原理和技术

地气是指包气带内的空气。在中国，“地气”一词深植于中国传统文化，在民间语言中广为流传，如“接地气”、“地气升降”、“天气上升，地气下降”等。在古代有专门的地气监测和研究。地气活动是制定24节气和历法的依据。然而，由于古代地气监测和研究早已失传，目前地气活动数量、升降活动规律和形成机制尚不明确。申请人研究发现，在大气压波动过程中，若将地表到地下水面的包气带的整体区域作为一个封闭系统。当外界大气压由P₁转变为P₂时，地气的体积由V₁转变为V₂。根据波义尔定律，

P₁V₁＝P₂V₂

可得到，

ΔV＝V₂–V₁＝V₁(P₁–P₂)/P₂＝V₀(P₁–P₂)/P₂ (1)

这里ΔV是地气的变化量。若将V₁当作初始值V₀，那么单位面积的地气量为：

V₀＝tn (2)

这里t包气带的厚度，n是孔隙度。因此，

ΔV＝tnΔP/P₂ (3)

这里ΔP＝P₁–P₂。因此，地气的升降幅度h为,

h＝ΔV/n＝tnΔP/nP₂＝tΔP/P₂

因此，对一定深度的包气带，当外部存在一定地气压波动时，地气存在升降。当大气压减小时，地气上升，有部分地气流出地表。当大气压上升时，地气下降，有地气进入土壤。地气活动量与大气压波动幅度和包气带厚度呈正比。因此，地气受大气压波动的影响，地面广泛存在地气活动。但同时受包气带厚度、地层孔隙度、空气粘滞程度和地形地貌等影响，各地地表地气活动量不同，与公式(3)理论值会存在一定的差距。因此发明一种测定地气活动数量的监测装置，对研究地气活动强弱、活动规律和潜在影响因子非常关键。

另外，水汽是地气的主要构成成分，地气的活动数量和水汽浓度是决定净蒸发量的关键因素。当外界大气压下降、地气上升时，潮湿地气向上运移。对于存在相对湿度梯度的干燥土壤，地气在透出土壤的过程中，大部分水分被上面的干燥土壤吸收，有少部分水汽流出地面，地表空气湿度上升。当大气压上升、地气下降、外部干燥空气进入土壤，地表空气的湿度下降。对于潮湿土壤，地气流出时的湿度由地表土壤决定；当地气下降时，外部不饱和空气进入土壤，土壤水分迅速补充至饱和。因此，可通过监测地表地气流量和空气湿度确定水汽通量及净蒸发量。但通常地表直接监测不到地气活动对空气湿度的影响。主要原因是地表以上空气对流扩散非常迅速，使透出数量较小的地气水分影响湮没于大气流动中。这也是现代人们很难发现地气活动的重要原因。因此，发明一种监测水汽通量的监测装置，对研究净蒸发量和水循环非常重要。