基于標(biāo)準(zhǔn)雨量計的降水采樣方法比較

崔 陽，郭文帝，范曉周，郭曉方，張桂香，趙艷紅，何秋生

1.太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院,山西 太原 030024

2.山西省環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030027

基于標(biāo)準(zhǔn)雨量計的降水采樣方法比較

崔 陽1，郭文帝1，范曉周2，郭曉方1，張桂香1，趙艷紅1，何秋生1

1.太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院,山西 太原 030024

2.山西省環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030027

對太原市2013年7—11月的大氣降水使用標(biāo)準(zhǔn)雨量計、國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型自動降水采樣設(shè)備進(jìn)行同步記錄，分析國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品的pH、電導(dǎo)率和無機(jī)陰陽離子。結(jié)果表明，進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品的降雨量(155.35 mm)比標(biāo)準(zhǔn)雨量計記錄值(117.50 mm)高32.21%，而國產(chǎn)A型設(shè)備采集降水樣品的降雨量(107.12 mm)比標(biāo)準(zhǔn)雨量計記錄值低8.83%。7—9月的15場降水，國產(chǎn)A型設(shè)備采集大多數(shù)降水樣品的電導(dǎo)率和離子加權(quán)濃度均值基本上低于進(jìn)口B型設(shè)備，差異程度分別達(dá)65.51%和62.52%；而pH則基本上高于進(jìn)口B型，酸雨比例差異程度為61.53%。

降水；采樣設(shè)備；比較

降水可以有效地清除空氣中氣態(tài)或顆粒態(tài)的污染物，降水中的化學(xué)組分濃度在某種程度上可以反映出大氣的污染水平[1-2]。標(biāo)準(zhǔn)雨量計是通過體積或光學(xué)測量的原理來記錄每次降水的降雨量。在很多研究中，由于需要對許多參數(shù)測量以及測量精度需求等原因，需要采集到降水樣品進(jìn)行儀器分析。國內(nèi)外學(xué)者采用不同的采樣方法對降水樣品進(jìn)行采集，并對其中的相關(guān)污染物進(jìn)行研究。Kiss等[3]研究意大利中部地區(qū)降水中多氯聯(lián)苯時用玻璃瓶進(jìn)行采樣；楊忠平等[4]在分析長春市城區(qū)重金屬的大氣干濕沉降時用陶瓷缸采樣，然而此類采樣方法需要研究人員時刻關(guān)注天氣變化，才能及時準(zhǔn)確地采集到降水樣品，不適宜長期監(jiān)測[5]。隨著自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，人工采樣方法逐漸被淘汰，由降水傳感器自動控制的采樣方法越來越多地運用到濕沉降樣品的采集中。He等[6]用日本Model US-330自動采樣儀采集新加坡城區(qū)降水，分析了其中的半揮發(fā)性有機(jī)物；張菊等[7]用嶗應(yīng)5020型智能降水采樣器采集內(nèi)蒙古草原降水，對氮沉降進(jìn)行了分析；崔鍵等[8]在研究江西鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的大氣氮、硫濕沉降特征時，用APS-2A降水降塵采樣儀采集降水樣品。采樣是環(huán)境監(jiān)測過程中最重要的環(huán)節(jié)，采樣方法不當(dāng)將會直接影響對降水的正確評價。本文以太原2013年7—11月降水為例，比較了標(biāo)準(zhǔn)雨量計和國產(chǎn)A型、進(jìn)口B型2類降水自動采樣設(shè)備對降雨量記錄，進(jìn)一步分析了2類自動采樣設(shè)備采集降水樣品的pH、電導(dǎo)率以及離子濃度，探討了降水采樣方法，以期為制定更為規(guī)范的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提供可靠的依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 采樣區(qū)域概況

太原市是山西省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，以冶金、機(jī)械、煤炭為支柱產(chǎn)業(yè)，以輸出能源、原材料、礦山機(jī)械產(chǎn)品為主要特征的全國重能源重化工城市。太原市屬暖溫帶季風(fēng)性氣候類型，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，晝夜溫差較大，無霜期較長，日照充足。年平均降水量為456 mm，四季降水分配不均勻，降水主要集中在夏季。

本研究采樣點設(shè)置在太原市萬柏林區(qū)太原科技大學(xué)一辦公樓樓頂，距地面約25 m，具體位置參見文獻(xiàn)[9]，周圍無高大建筑和樹木遮擋，也沒有明顯局地污染源，不會對采樣產(chǎn)生影響。

1.2 樣品采集與保存

參照中國國家標(biāo)準(zhǔn)《大氣降水樣品的采集與保存》(GB 13580.2—1992)，設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)雨量計、國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型設(shè)備來記錄降雨量，并通過國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型設(shè)備采集了2013年7—11月的降水樣品[10]。采樣設(shè)備的濾布、漏斗及收集降水的聚乙烯樣品瓶在每次采樣前均用自來水和去離子水清洗3次，以防止降水樣品受到其他物質(zhì)的污染。2種采樣設(shè)備相距2 m，能保證采集降水樣品的一致性。國產(chǎn)A型自動采樣設(shè)備，采用梳狀雨水感應(yīng)器，由2塊金屬片組成，雨滴在2塊金屬極板上導(dǎo)電，使2塊金屬片成為通路，雨水持續(xù)導(dǎo)通感應(yīng)器3 s以上，信號經(jīng)放大送入微處理器進(jìn)行處理，輸出開門信號，驅(qū)動電機(jī)打開滑板，開始采集樣品，靈敏度為0.4 mm/h(降雨量)。進(jìn)口B型自動采樣設(shè)備，感應(yīng)器采用塔狀雨水感應(yīng)器，表面積為60 cm2左右的敏感鍍金層，雨水激活傳感器表面的電極，形成電子回路，使一個電子開關(guān)被激活，繼電器被接通，發(fā)出脈沖信號，開啟漏斗采集樣品，開啟條件為雨水持續(xù)導(dǎo)通感應(yīng)器0.1 s以上。與此同時，距采樣點5 m處的標(biāo)準(zhǔn)雨量計記錄了降雨量，標(biāo)準(zhǔn)雨量計為翻斗式雨量計，分辨力為0.5 mm，構(gòu)造為機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個斗室接水時，另一個斗室處于等待狀態(tài)，當(dāng)所接降水體積達(dá)到預(yù)定值時，由于重力作用翻倒，處于等待狀態(tài)，由降雨量數(shù)據(jù)采集終端機(jī)接收信號并顯示。采樣期間，除儀器故障外，國產(chǎn)A型設(shè)備共采集到21場降水樣品，進(jìn)口B型設(shè)備共采集到24場降水樣品。

1.3 樣品分析

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨量

研究中自動降水采樣設(shè)備采集降水樣品降雨量的計算公式：

P=103×V/(π×R2)

式中：P為降雨量，mm；V為采樣體積，mL；R為采樣盤半徑，mm。

國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)雨量計在2013年7—11月每場降水的降雨量見圖1。

圖1 國產(chǎn)A型、進(jìn)口B型設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)雨量計的降雨量

從圖1可見，7月25日、7月31日和9月3日的3場降雨中，國產(chǎn)A型設(shè)備未能采集到雨水，而進(jìn)口B型設(shè)備則采集到雨水。采樣期間，國產(chǎn)A型設(shè)備采集每場降水的降雨量均小于進(jìn)口B型設(shè)備，差異程度為5.96%～100%，這是因為，進(jìn)口B型采樣設(shè)備的雨水感應(yīng)器更為靈敏，僅需持續(xù)導(dǎo)通0.1 s就可發(fā)出脈沖信號進(jìn)行采樣，而國產(chǎn)A型設(shè)備的雨水感應(yīng)器需要降水達(dá)到一定量，雨水感應(yīng)器持續(xù)導(dǎo)通3 s以上才能導(dǎo)通電路進(jìn)行采樣，未能采集到降雨量較小的雨水及降雨初期的部分雨水。與標(biāo)準(zhǔn)雨量計的記錄值相比較，進(jìn)口B型設(shè)備采集每場降水的將雨量均大于標(biāo)準(zhǔn)雨量計的記錄值，而國產(chǎn)A型設(shè)備采集每場降水的降雨量基本上小于標(biāo)準(zhǔn)雨量計的記錄值，差異程度分別為11.73%～117.20%和-49.54%～46.84%，這與2類采樣設(shè)備雨水感應(yīng)器的靈敏性及標(biāo)準(zhǔn)雨量計的工作原理有很大關(guān)系。就總降雨量而言，三者從大到小順序依次為進(jìn)口B型設(shè)備(155.35 mm)>標(biāo)準(zhǔn)雨量計(117.50 mm)>國產(chǎn)A型設(shè)備(107.12 mm)。進(jìn)口B型設(shè)備的降雨量高出標(biāo)準(zhǔn)雨量計記錄值32.21%，而國產(chǎn)A型設(shè)備的降雨量則比標(biāo)準(zhǔn)雨量記錄值低出8.83%。

2.2 降水的pH和電導(dǎo)率

選取2013年7—9月的15場降水，對雨水樣品的相關(guān)表征參數(shù)進(jìn)行了比較。pH是判斷降水是否為酸雨的重要指標(biāo)，pH<5.60為酸雨，pH越低，表明降水酸度越高，對環(huán)境的影響程度越嚴(yán)重。期間，國產(chǎn)A型設(shè)備采集降水樣品的pH為5.01～7.64，進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品的pH為4.44～7.60，2類設(shè)備所采集每場降水的雨量加權(quán)平均pH比較見圖2，可以看出，進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品的pH均低于國產(chǎn)A型設(shè)備所采集降水樣品的pH(除8月4日和9月4日外)，這是因為，進(jìn)口B型設(shè)備的雨水感應(yīng)器比國產(chǎn)A型設(shè)備更為靈敏，僅需持續(xù)導(dǎo)通0.1 s就能夠開啟儀器進(jìn)行采樣，采集到的降雨量更大，而降水pH與降雨量呈負(fù)相關(guān)[11]。對國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品的酸雨比例進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品中酸雨比例為61.90%，而國產(chǎn)A型設(shè)備采集降水樣品中酸雨比例僅為23.81%，差異程度為61.53%。

雨滴在降落過程中會沖刷大氣氣溶膠和吸收大氣污染物并溶解其中的可溶性組分，因此降水樣品電導(dǎo)率的高低可以反映可溶性離子總濃度的大小[12]。國產(chǎn)A型與進(jìn)口B型設(shè)備在2013年7—9月15場降水的電導(dǎo)率和總離子濃度比較分別見圖3和圖4。降水樣品的電導(dǎo)率差異幅度為-43.06～10.80 μS/cm，差異程度達(dá)65.51%?？扇苄噪x子總濃度的差異幅度為-759.97～438.06 μmol/L，差異程度達(dá)62.52%。

圖2 國產(chǎn)A型與進(jìn)口B型采樣設(shè)備采集降水樣品的pH比較

圖3 國產(chǎn)A型與進(jìn)口B型采樣設(shè)備采集降水樣品的電導(dǎo)率比較

2.3 降水中陰陽離子組成

圖4 國產(chǎn)A型與進(jìn)口B型采樣設(shè)備采集降水樣品的總離子濃度比較

圖5 國產(chǎn)A型與進(jìn)口B型設(shè)備采集降水樣品的加權(quán)離子濃度的比較

進(jìn)口B型設(shè)備雨水感應(yīng)器更為靈敏，采集降水樣品更為完整，同時在采集降水樣品時濕沉降采樣漏斗上的蓋子先上移，再轉(zhuǎn)移至干沉降采樣桶，這種運行方式不會使灰塵等雜質(zhì)帶入雨水采樣漏斗。相比之下，國產(chǎn)A型設(shè)備，雨水感應(yīng)器靈敏度較差，同時密封金屬板采樣及關(guān)閉時采用平板滑動方式，較易把儀器上殘留的灰塵帶入采樣桶，會對雨水的采集產(chǎn)生一定的影響。綜上所述，由于國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型2種降水采樣設(shè)備雨水感應(yīng)器靈敏性差異、運行方式、密封性能等差異，造成所采集降水樣品中主要陰陽離子組成上產(chǎn)生一定的差異。

3 結(jié)論

2013年7—11月，太原市國產(chǎn)A型和進(jìn)口B型采樣設(shè)備采集降水樣品與標(biāo)準(zhǔn)雨量計記錄的降雨量順序從小到大依次為進(jìn)口B型設(shè)備(155.35 mm)>標(biāo)準(zhǔn)雨量計(117.50 mm)>國產(chǎn)A型設(shè)備(107.12 mm)。對2013年7—9月期間的15場降水進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)A型設(shè)備采集的絕大多數(shù)降水樣品的電導(dǎo)率以及雨量加權(quán)離子濃度均值低于進(jìn)口B型設(shè)備，而pH則基本高于進(jìn)口B型設(shè)備，同時由于采樣設(shè)備的差異也導(dǎo)致對降水中主要陰陽離子的相關(guān)評價(酸雨類型、堿性物質(zhì)的中和作用、二次組分去除等)產(chǎn)生了一定的差異。通過研究發(fā)現(xiàn)，這是由于國產(chǎn)A型設(shè)備的雨水傳感器靈敏度低于進(jìn)口B型設(shè)備的雨水傳感器，導(dǎo)致國產(chǎn)A型設(shè)備未能采集到雨量較小的降水和降水初始階段的雨水所致。由于不同降水采樣器采集降水的降雨量、pH、電導(dǎo)率及離子濃度等相關(guān)表征參數(shù)存在一定的差異，而較為靈敏的降水采樣器所采集降水樣品能夠更好地反映降水的真實污染狀況，因此進(jìn)口B型采集降水樣品的真實程度高于國產(chǎn)A型設(shè)備。在采樣中，建議使用進(jìn)口B型設(shè)備或更為靈敏的設(shè)備進(jìn)行降水樣品的采集。

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Comparison of Collecting Methods of Precipitation Based on the Standard Precipitation Gauge

CUI Yang1, GUO Wendi1, FAN Xiaozhou2, GUO Xiaofang1, ZHANG Guixiang1, ZHAO Yanhong1, HE Qiusheng1

1. School of Environment and Safety, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China

2. Environmental Monitoring Central Station of Shanxi Province, Taiyuan 030027, China

Rainfall was recorded synchronously during the period from July 2013 to November 2013 in Taiyuan by the standard gauge, automatic precipitation domestic sampler A and imported sampler B. Rain samples were collected by domestic sampler A and imported sampler B, and the important rain parameters, such as pH value, electrical conductivity and major inorganic ions were analyzed. The results showed that:the rainfall (155.35 mm) collected by imported sampler B was higher than the record values (117.50 mm) by the standard precipitation gauge by 32.21%, and the rainfall (107.12 mm) by domestic sampler A was lower than the standard precipitation gauge by 8.83%. In terms of 15 fields of precipitation during the period from July 2013 to September 2013, pH values in samples by domestic sampler A were higher than imported sampler B, which led to 61.53% difference in the frequency of acid rain. While the electrical conductivity and weighted ions average concentrations in most samples by domestic sampler A were lower than those by imported sampler B, and the difference degree could reach 65.51% and 62.52%, respectively.

precipitation;sampler;comparison

2015-01-19;

2015-07-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(41172316)；山西省回國留學(xué)人員科研資助項目(2011080)；太原科技大學(xué)校青年基金項目(20103017)

崔 陽(1989-)，男，山西運城人，在讀碩士研究生。

何秋生

X830.1

A

1002-6002(2016)01- 0088- 06