基于标准雨量计的降水采样方法比较

崔 阳，郭文帝，范晓周，郭晓方，张桂香，赵艳红，何秋生

1.太原科技大学环境与安全学院,山西 太原 030024

2.山西省环境监测中心站，山西 太原 030027

基于标准雨量计的降水采样方法比较

崔 阳1，郭文帝1，范晓周2，郭晓方1，张桂香1，赵艳红1，何秋生1

1.太原科技大学环境与安全学院,山西 太原 030024

2.山西省环境监测中心站，山西 太原 030027

对太原市2013年7—11月的大气降水使用标准雨量计、国产A型和进口B型自动降水采样设备进行同步记录，分析国产A型和进口B型设备采集降水样品的pH、电导率和无机阴阳离子。结果表明，进口B型设备采集降水样品的降雨量(155.35 mm)比标准雨量计记录值(117.50 mm)高32.21%，而国产A型设备采集降水样品的降雨量(107.12 mm)比标准雨量计记录值低8.83%。7—9月的15场降水，国产A型设备采集大多数降水样品的电导率和离子加权浓度均值基本上低于进口B型设备，差异程度分别达65.51%和62.52%；而pH则基本上高于进口B型，酸雨比例差异程度为61.53%。

降水；采样设备；比较

降水可以有效地清除空气中气态或颗粒态的污染物，降水中的化学组分浓度在某种程度上可以反映出大气的污染水平[1-2]。标准雨量计是通过体积或光学测量的原理来记录每次降水的降雨量。在很多研究中，由于需要对许多参数测量以及测量精度需求等原因，需要采集到降水样品进行仪器分析。国内外学者采用不同的采样方法对降水样品进行采集，并对其中的相关污染物进行研究。Kiss等[3]研究意大利中部地区降水中多氯联苯时用玻璃瓶进行采样；杨忠平等[4]在分析长春市城区重金属的大气干湿沉降时用陶瓷缸采样，然而此类采样方法需要研究人员时刻关注天气变化，才能及时准确地采集到降水样品，不适宜长期监测[5]。随着自动化技术的不断进步与发展，人工采样方法逐渐被淘汰，由降水传感器自动控制的采样方法越来越多地运用到湿沉降样品的采集中。He等[6]用日本Model US-330自动采样仪采集新加坡城区降水，分析了其中的半挥发性有机物；张菊等[7]用崂应5020型智能降水采样器采集内蒙古草原降水，对氮沉降进行了分析；崔键等[8]在研究江西鹰潭农田生态系统的大气氮、硫湿沉降特征时，用APS-2A降水降尘采样仪采集降水样品。采样是环境监测过程中最重要的环节，采样方法不当将会直接影响对降水的正确评价。本文以太原2013年7—11月降水为例，比较了标准雨量计和国产A型、进口B型2类降水自动采样设备对降雨量记录，进一步分析了2类自动采样设备采集降水样品的pH、电导率以及离子浓度，探讨了降水采样方法，以期为制定更为规范的环境标准提供可靠的依据。

1 实验部分

1.1 采样区域概况

太原市是山西省的政治、经济、文化中心，以冶金、机械、煤炭为支柱产业，以输出能源、原材料、矿山机械产品为主要特征的全国重能源重化工城市。太原市属暖温带季风性气候类型，冬无严寒，夏无酷暑，昼夜温差较大，无霜期较长，日照充足。年平均降水量为456 mm，四季降水分配不均匀，降水主要集中在夏季。

本研究采样点设置在太原市万柏林区太原科技大学一办公楼楼顶，距地面约25 m，具体位置参见文献[9]，周围无高大建筑和树木遮挡，也没有明显局地污染源，不会对采样产生影响。

1.2 样品采集与保存

参照中国国家标准《大气降水样品的采集与保存》(GB 13580.2—1992)，设计了标准雨量计、国产A型和进口B型设备来记录降雨量，并通过国产A型和进口B型设备采集了2013年7—11月的降水样品[10]。采样设备的滤布、漏斗及收集降水的聚乙烯样品瓶在每次采样前均用自来水和去离子水清洗3次，以防止降水样品受到其他物质的污染。2种采样设备相距2 m，能保证采集降水样品的一致性。国产A型自动采样设备，采用梳状雨水感应器，由2块金属片组成，雨滴在2块金属极板上导电，使2块金属片成为通路，雨水持续导通感应器3 s以上，信号经放大送入微处理器进行处理，输出开门信号，驱动电机打开滑板，开始采集样品，灵敏度为0.4 mm/h(降雨量)。进口B型自动采样设备，感应器采用塔状雨水感应器，表面积为60 cm2左右的敏感镀金层，雨水激活传感器表面的电极，形成电子回路，使一个电子开关被激活，继电器被接通，发出脉冲信号，开启漏斗采集样品，开启条件为雨水持续导通感应器0.1 s以上。与此同时，距采样点5 m处的标准雨量计记录了降雨量，标准雨量计为翻斗式雨量计，分辨力为0.5 mm，构造为机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态，当所接降水体积达到预定值时，由于重力作用翻倒，处于等待状态，由降雨量数据采集终端机接收信号并显示。采样期间，除仪器故障外，国产A型设备共采集到21场降水样品，进口B型设备共采集到24场降水样品。

1.3 样品分析

2 结果与讨论

2.1 降雨量

研究中自动降水采样设备采集降水样品降雨量的计算公式：

P=103×V/(π×R2)

式中：P为降雨量，mm；V为采样体积，mL；R为采样盘半径，mm。

国产A型和进口B型设备及标准雨量计在2013年7—11月每场降水的降雨量见图1。

图1 国产A型、进口B型设备和标准雨量计的降雨量

从图1可见，7月25日、7月31日和9月3日的3场降雨中，国产A型设备未能采集到雨水，而进口B型设备则采集到雨水。采样期间，国产A型设备采集每场降水的降雨量均小于进口B型设备，差异程度为5.96%～100%，这是因为，进口B型采样设备的雨水感应器更为灵敏，仅需持续导通0.1 s就可发出脉冲信号进行采样，而国产A型设备的雨水感应器需要降水达到一定量，雨水感应器持续导通3 s以上才能导通电路进行采样，未能采集到降雨量较小的雨水及降雨初期的部分雨水。与标准雨量计的记录值相比较，进口B型设备采集每场降水的将雨量均大于标准雨量计的记录值，而国产A型设备采集每场降水的降雨量基本上小于标准雨量计的记录值，差异程度分别为11.73%～117.20%和-49.54%～46.84%，这与2类采样设备雨水感应器的灵敏性及标准雨量计的工作原理有很大关系。就总降雨量而言，三者从大到小顺序依次为进口B型设备(155.35 mm)>标准雨量计(117.50 mm)>国产A型设备(107.12 mm)。进口B型设备的降雨量高出标准雨量计记录值32.21%，而国产A型设备的降雨量则比标准雨量记录值低出8.83%。

2.2 降水的pH和电导率

选取2013年7—9月的15场降水，对雨水样品的相关表征参数进行了比较。pH是判断降水是否为酸雨的重要指标，pH<5.60为酸雨，pH越低，表明降水酸度越高，对环境的影响程度越严重。期间，国产A型设备采集降水样品的pH为5.01～7.64，进口B型设备采集降水样品的pH为4.44～7.60，2类设备所采集每场降水的雨量加权平均pH比较见图2，可以看出，进口B型设备采集降水样品的pH均低于国产A型设备所采集降水样品的pH(除8月4日和9月4日外)，这是因为，进口B型设备的雨水感应器比国产A型设备更为灵敏，仅需持续导通0.1 s就能够开启仪器进行采样，采集到的降雨量更大，而降水pH与降雨量呈负相关[11]。对国产A型和进口B型设备采集降水样品的酸雨比例进行计算发现，进口B型设备采集降水样品中酸雨比例为61.90%，而国产A型设备采集降水样品中酸雨比例仅为23.81%，差异程度为61.53%。

雨滴在降落过程中会冲刷大气气溶胶和吸收大气污染物并溶解其中的可溶性组分，因此降水样品电导率的高低可以反映可溶性离子总浓度的大小[12]。国产A型与进口B型设备在2013年7—9月15场降水的电导率和总离子浓度比较分别见图3和图4。降水样品的电导率差异幅度为-43.06～10.80 μS/cm，差异程度达65.51%。可溶性离子总浓度的差异幅度为-759.97～438.06 μmol/L，差异程度达62.52%。

图2 国产A型与进口B型采样设备采集降水样品的pH比较

图3 国产A型与进口B型采样设备采集降水样品的电导率比较

2.3 降水中阴阳离子组成

图4 国产A型与进口B型采样设备采集降水样品的总离子浓度比较

图5 国产A型与进口B型设备采集降水样品的加权离子浓度的比较

进口B型设备雨水感应器更为灵敏，采集降水样品更为完整，同时在采集降水样品时湿沉降采样漏斗上的盖子先上移，再转移至干沉降采样桶，这种运行方式不会使灰尘等杂质带入雨水采样漏斗。相比之下，国产A型设备，雨水感应器灵敏度较差，同时密封金属板采样及关闭时采用平板滑动方式，较易把仪器上残留的灰尘带入采样桶，会对雨水的采集产生一定的影响。综上所述，由于国产A型和进口B型2种降水采样设备雨水感应器灵敏性差异、运行方式、密封性能等差异，造成所采集降水样品中主要阴阳离子组成上产生一定的差异。

3 结论

2013年7—11月，太原市国产A型和进口B型采样设备采集降水样品与标准雨量计记录的降雨量顺序从小到大依次为进口B型设备(155.35 mm)>标准雨量计(117.50 mm)>国产A型设备(107.12 mm)。对2013年7—9月期间的15场降水进行分析发现，国产A型设备采集的绝大多数降水样品的电导率以及雨量加权离子浓度均值低于进口B型设备，而pH则基本高于进口B型设备，同时由于采样设备的差异也导致对降水中主要阴阳离子的相关评价(酸雨类型、碱性物质的中和作用、二次组分去除等)产生了一定的差异。通过研究发现，这是由于国产A型设备的雨水传感器灵敏度低于进口B型设备的雨水传感器，导致国产A型设备未能采集到雨量较小的降水和降水初始阶段的雨水所致。由于不同降水采样器采集降水的降雨量、pH、电导率及离子浓度等相关表征参数存在一定的差异，而较为灵敏的降水采样器所采集降水样品能够更好地反映降水的真实污染状况，因此进口B型采集降水样品的真实程度高于国产A型设备。在采样中，建议使用进口B型设备或更为灵敏的设备进行降水样品的采集。

[1] 杨懂艳, 李秀金, 陈圆圆, 等. 北京市湿沉降特征分析[J]. 环境科学, 2011, 32(7):1 867-1 873.

[2] 徐敬, 张小玲, 徐晓斌, 等. 上甸子本底站湿沉降化学成分变化与来源解析[J]. 环境科学学报, 2008, 28(5):1 001-1 006.

[3] KISS G, VARGA-PUCHONY Z, HLAVAY J. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in precipitation using solid-phase extraction and column liquid chromatography[J]. Journal of Chromatography A, 1996, 725(2):261-272.

[4] 杨忠平, 卢文喜, 龙玉桥. 长春市城区重金属大气干湿沉降特征[J]. 环境科学研究, 2009, 22(1):28-34.

[5] 白强. 酸雨监测手工采样的可靠性[J]. 环境监测管理与技术, 1992, 4(4):37-38.

[6] HE J, BALASUBRAMANIAN R. Semi-volatile organic compounds (SVOCs) in ambient air and rainwater in a tropical environment:concentrations and temporal and seasonal trends[J]. Chemosphere, 2010, 78(6):742-751.

[7] 张菊, 康荣华, 赵斌, 等. 内蒙古温带草原氮沉降的观测研究[J]. 环境科学, 2013, 34(9):3 552-3 556.

[8] 崔键, 周静, 杨浩. 农田生态系统大气氮、硫湿沉降通量的观测研究[J]. 生态环境学报, 2009, 18(6):2 243-2 248.

[9] 张桂香, 闫雨龙, 郭利利, 等. 太原市大气PM2.5中碳质组成及变化特征[J].环境科学,2015,36(3):780-786.

[10] 中国环境监测总站.大气降水样品的采集与保存：GB 13580.2—1992[S].北京：中国标准出版社，1993.

[11] 陈德林, 谷淑芳, 李洪珍. 降水酸度与降水物理量关系的分析[J]. 气象科学研究院院刊, 1989, 4(1):82-87.

[12] 王艳, 葛福玲, 刘晓环, 等. 泰山降水化学及大气传输的研究[J]. 环境科学学报, 2006, 26(7):1 187-1 194.

[13] 王跃思, 李雪, 姚利. 等. 2007年北京夏季降水分段采样酸度和化学成分分析[J]. 环境科学, 2009,30(9):2 715-2 721.

[14] 赵亚南, 王跃思, 温天雪, 等. 长白山PM2.5中水溶性无机离子观测研究 [J]. 环境科学, 2011, 30(4): 812-815.

[15] 唐蓉, 王体健, 石春娥, 等. 合肥市降水化学组成成分分析[J]. 气息科学, 2012, 32(4):459-465.

[16] 刘君峰, 宋之光, 许涛. 广州地区雨水化学组成与雨水酸度主控因子研究[J]. 环境科学, 2006, 27(10): 1 998-2 002.

[17] 王剑, 徐美, 叶霞, 等. 沧州市大气降水化学特征分析[J]. 环境科学与技术, 2014, 37(4):96-102.

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

国家自然科学基金资助项目(41172316)；山西省回国留学人员科研资助项目(2011080)；太原科技大学校青年基金项目(20103017)

崔 阳(1989-)，男，山西运城人，在读硕士研究生。

何秋生

X830.1

A

1002-6002(2016)01- 0088- 06