CN103398877A - 具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统及其方法，该系统包括若干个现场采样器和一个远程数据处理器，每一个现场采样器包括箱体、雨水感应器、雨量计、翻转盖板、干沉降收集缸、湿沉降收集缸、位置传感器、电机以及控制与传输系统，翻转盖板与电机相连，控制与传输系统分别与雨水感应器、电机、雨量计、位置传感器相连，远程数据处理器与每一个现场采样器通过公共无线数据通讯服务进行数据传输。本发明通过无线通讯方式将采集到的降雨量数据和翻转盖板位置信息由现场采样器传递到远程数据处理器，并可实现基本的远程控制，最大限度地保证了野外复杂环境下大气干湿沉降样品采集和分析的质量。

Description

具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统及其方法

技术领域

本发明涉及环境监测设备及方法研究领域，特别涉及一种具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统及其方法。

背景技术

大气沉降是指大气中各种物质的自然沉降，分为干沉降和湿沉降。其中，干沉降指不发生降水时，大气中物质受重力、颗粒物吸附等作用由大气沉降到地面的过程；湿沉降指发生降水事件时，高空雨滴吸收和冲刷大气中物质降到地面的沉降过程。有关大气沉降的研究较早，但长期以来研究的重点主要集中在酸雨和重金属污染方面，其所传输营养物质对生态环境的影响一直被人们忽视。然而，对于演变机制复杂、生态环境敏感的河口、湖泊、水库等地表水环境来说，大气氮磷沉降不仅是维持初级生产力所需营养元素的主要来源，同时也是外在的和新增的污染负荷。近年来，随着有机污染逐步得以控制，近岸海域和重点湖库的富营养化问题日益突显，但化石燃料和现代农业向大气中排放的活性氮还在急剧增加，使得通过大气沉降输入河流、湖库和海洋生态系统的营养负荷也不断加大，并已逐渐成为世界各国水体富营养化问题的重要污染来源之一。

目前，虽然大气氮磷干湿沉降对水生态环境的影响已逐渐受到关注，但在其沉降负荷定量观测方面的研究基础还较为薄弱。一方面，不仅缺乏统一的大气氮磷干湿沉降样品采集与监测分析技术规范，而且现有干湿沉降样品采集系统的稳定性也较差，经常需要及时快速的现场维护与维修，否则难以保证样品采集的质量；另一方面，由于部分氮磷干湿沉降观测站点需要布设在远离城市的野外露天环境，而降雨的不确定性，要求采样人员必须准确掌握观测现场的情况，并及时收集和保存湿沉降样品，否则将会影响检测分析的结果。现有的大气干湿沉降采样设备虽然通过雨量感应器实现了干沉降和湿沉降的自动分离，大大减少了样品采集的工作难度，但仍然难以解决上述两个方面的问题，必须有专门的人员驻守在观测现场才能保证样品采集和检测分析的质量。

申请号为201010104400.9的中国发明专利公开了一种辐射环境干湿沉降自动采样器，该采样器包括箱体，箱体顶上设置有雨水感应器，箱体顶板上设有沉降物收集筒和雨水收集筒，雨水收集筒上设有密封盖，密封盖与升降旋转开闭机构的输出轴连接。但是此发明存在以下不足：1所述控制器是采用单片机进行控制，通过通信总线上传数据。在一些远离城市的野外露天环境进行总线布置成本是非常高的，且很容易受到环境的破坏。2、此采样器没有配置雨量计，也不具备降雨量远程数据传输功能。因此，在一些远离城市的野外露天环境下，难以在降雨停止后立刻收集和保存湿沉降样品，将会影响检测分析的结果，尤其对于氮、磷等非保守物质。3、此采样器不具有设备工作状态远程监视和控制功能，在发生干湿分离故障时难以快速进行设备维护或维修，严重影响样品采集的质量。申请号为201210229259.4的中国发明专利公开了多功能大气干湿沉降自动采样器，该采样器同样具有上述的缺点，仅是一个独立的采样器，不具备无线通信的功能。

因此，提供一种成本低、能在环境恶劣场合应用的，能够实时掌控设备运行状态的大气氮磷干湿沉降采样系统及其方法具有重要研究价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，该系统通过远程降雨数据传输和干湿分离状态监控，能够准确掌握沉降观测现场的情况和样品采集设备的工作状态，以使维护和采样人员及时到达观测现场，保证大气干湿沉降样品采集和检测分析的质量。本发明还提供了一种基于上述采样系统的大气氮磷干湿沉降采样方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，包括若干个现场采样器和一个远程数据处理器，每一个现场采样器包括箱体、设置在箱体顶部的雨水感应器、翻转盖板、干沉降收集缸、湿沉降收集缸以及置于箱体侧面的雨量计；所述现场采样器还包括控制与传输系统、电机和蓄电池，所述翻转盖板与电机相连，所述控制与传输系统分别与雨水感应器、电机、雨量计相连，蓄电池为上述各器件进行供电；所述远程数据处理器与每一个现场采样器中的控制与传输系统通过无线信号传输方式进行通信。通过无线方式，远程数据处理器可以远程掌握现场采样器的设备工作状态、远程获得现场降雨量数据，并可实现基本的远程控制，从而降低工作人员的工作强度，提高工作稳定性，并节省系统布置成本。

优选的，所述干沉降收集缸和湿沉降收集缸缸口处还设置有若干个用于检测翻转盖板位置的位置传感器，每个位置传感器均分别与控制与传输系统连接。控制与传输系统可根据位置传感器传来的翻转盖板位置信息判断当前翻转盖板是否运行正常。

优选的，所述干沉降收集缸和湿沉降收集缸均嵌入在箱体中，分成左右两组并排设置。缸体可用不锈钢材质加工而成。

优选的，所述电机为蜗杆式减速电机。采用此电机可使控制行程更精确。

优选的，所述通过无线信号传输方式进行通信是指公共无线数据通讯服务，包括GPRS、CDMA、3G手机卡、无线电台、卫星通讯。

优选的，所述蓄电池可通过交流电源或太阳能板等多种方式为蓄电池充电，提高了本发明在野外复杂环境下的工作稳定性。

一种基于上述装置的大气氮磷干湿沉降采样方法，包括：

在没有降雨时，翻转盖板覆盖在湿沉降收集缸上；一旦雨水感应器检测到有降水，则将信号传递到控制与传输系统；控制与传输系统通过控制电机驱动翻转盖板进行旋转，将翻转盖板覆盖在干沉降收集缸上，同时控制与传输系统将雨量计采集的降雨量数据以及当前翻转盖板的位置信息通过无线通讯方式发送到远程数据处理器；降雨停止时，控制与传输系统通过控制电机驱动翻转盖板移动至湿沉降收集缸上。

具体包括以下步骤：

（1）准备阶段：在每次使用前，先将干沉降收集缸和湿沉降收集缸用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗，其中湿沉降收集缸须在使用前晾干或哄干；

（2）采集阶段：通过雨水感应器检测是否有降水，如果没有降水，则进入步骤（2-1），否则进入步骤（2-2）；

（2-1）进行干沉降样品采集，采样人员定期采样；

（2-2）进行湿沉降样品采集，降雨开始时，雨量计记录降雨量数据，控制与传输系统控制翻转盖板移动至干沉降收集缸上端，并将降雨量数据和翻转盖板位置信息通过无线通讯方式实时发送到远程数据处理器；降雨停止时，控制与传输系统控制翻转盖板移动至湿沉降收集缸上端，并将当前的降雨量数据和翻转盖板位置信息发送到远程数据处理器，远程数据处理器通知采样人员赴现场采集或处理湿沉降样品；

（3）采样人员赴现场采集完成后，回到步骤（1）。

优选的，所述步骤（2-1）中的干沉降样品采集包括干法收集和湿法收集，其中湿法收集采用去离子水或当地地表水体作为收集液。

优选的，所述步骤（2-2）中，当远程数据处理器接收的翻转盖板位置信息不正确时，通过远程强制翻转盖板翻转、或重新启动现场采样器或立刻指派人员赴现场方式进行维修。以清除故障。

优选的，所述步骤（2-2）中的湿沉降样品采集时，降雨停止时，工作人员根据远程数据处理器接收的降雨量数据估算湿沉降样品量是否在设定限值以上，如果是，则安排采样人员赴观测现场进行样品收集；如果不是，继续采集24小时内的降雨直至达到设定限值以上，如果24小时内的湿沉降样品仍不能达到设定限值，则进行废弃处理，安排采样人员赴观测现场重新清洗湿沉降收集缸备用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过远程降雨数据、干湿分离状态和系统故障等数据和信息的无线传输，能够准确掌握沉降观测现场的情况和样品采集设备的工作状态，保证了大气干湿沉降样品采集和检测分析的质量。

2、本发明中采用蓄电池作为电源，并可通过交流电源或太阳能板等多种方式为蓄电池充电，提高了大气氮磷干湿沉降现场采样设备在野外复杂环境下的工作稳定性。

3、与现有大气氮磷干湿沉降采样器相比，本发明大大减少了样品采集和设备维护的人员和技术需求，也降低了对野外观测环境的要求，更适合应用于整个区域或流域尺度范围的大气氮磷干湿沉降观测站网建设。

附图说明

图1是本发明中现场采样器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，包括两个现场采样器和一个远程数据处理器，其中一台现场采样器安装在珠海市滨海某商务中心楼顶天台（N22°20′39.9″，E113°35′19.9″），另一台现场采样器安装在广州市华南环境科学研究所某办公楼顶天台（N23°7'28.53"，E113°21'15.02"）；远程数据处理器b为中山大学地环学院某办公用计算机（N23°6'10.09"，E113°17'40.93"）。基于上述实际系统，具体详述如下。

本实施例所述的大气氮磷干湿沉降采样系统中现场采样器包括箱体1、设置在箱体顶部的雨水感应器5、翻转盖板3、左侧位置传感器2、右侧位置传感器7、湿沉降收集缸4和干沉降收集缸6以及设置在箱体侧面的雨量计10。箱体1内设置有蓄电池9、控制与传输系统11和蜗杆式减速电机8。

所述干沉降收集缸6和湿沉降收集缸4均嵌入在箱体1中，分成左右两组并排设置。缸体采用不锈钢材质加工而成。所述蓄电池可以是通过普通交流电源方式进行充电，也可以采用太阳能板来进行充电，采用太阳能板充电不仅节能环保，还能够在采样间隔时间较长时仍能够维持现场采样器的正常运作，使得采样器在野外复杂环境下的工作稳定性得到提高。

本实施例中控制与传输系统11可采用两个单片机和开通GPRS功能的手机卡来实现。根据运行的功能不同，对应采用不同的单片机来控制，例如第一单片机与雨水感应器和电机连接，实时采集雨水感应器数据，一旦发现有降雨，则驱动电机运作，电机驱动翻转盖板进行旋转。第二单片机则与雨量计、位置传感器相连，实时采集二者的数据，并通过开通GPRS功能的手机卡这种无线传输的方式将数据发送到远程数据处理器。这里无线传输方式可以根据实际应用需求进行更换，例如现有技术中的CDMA、3G手机卡、无线电台、卫星通讯等方式均可以进行置换使用。

在进行样品采集与数据传输时，将干沉降收集缸6和湿沉降收集缸4用自来水清洗干净，并用去离子水冲洗3遍，其中湿沉降收集缸4须哄干。因本实施例中干沉降收集缸内进行湿法收集，所以在干沉降收集缸内加入约500mL去离子水作为收集液，一起放置于箱体1的顶面。在无雨时，翻转盖板3盖紧湿沉降收集缸4，由干沉降收集缸采集干沉降样品；发生降雨时，雨量计10记录降雨量数据，雨水感应器5将降雨信号传送到控制与传输系统11，控制与传输系统11控制蜗杆式减速电机转动，使翻转盖板5移动并盖紧干沉降收集缸6，由湿沉降收集缸4采集湿沉降样品；降雨停止后，翻转盖板3重新移动至湿沉降收集缸4一侧，盖紧湿沉降收集缸。采样器工作期间，无论是否发生降雨，雨量计10记录的数据、翻转盖板3触发位置传感器2或7的位置信息均可经控制与传输系统11通过无线通讯方式传输至远程数据处理器b。

对于样品收集与检测分析：工作人员根据远程数据处理器b接收的现场数据和信息进行任务安排。降雨过程停止，工作人员根据降雨量数据估算湿沉降样品量是否在200mL以上（满足水质指标检测分析样品量的要求），大于200mL则安排采样人员赴观测现场进行样品收集，否则继续采集24小时内的降雨直至达到200mL以上，如果24小时内的湿沉降样品仍不能满足水质指标检测分析的样品量要求，则进行废弃处理，并重新清洗湿沉降收集缸备用；干沉降样品则每月采集一次，定期在月底收集。如果雨量计未有数据记录、翻转盖板3位置信息错误，工作人员可通过手动请求数据、强制盖板翻转或重新启动采样器等方式进行远程控制，并根据现场故障情况指派合适人员赴现场进行维护或维修。沉降样品采用环境保护部门推荐的标准方法进行检测分析，水质指标包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮、磷酸盐和总磷等氮磷组份。

在样品采集后进行数据处理与通量计算，不考虑沉降缸内液体可能发生的物理、化学和生物过程，根据干沉降的收液量、降雨量和所采集的沉降样品浓度，分别采用式（1）～（2）计算干沉降和湿沉降的月通量。

S_D=CVfA（1）

$S_W=R\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{c}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i---\left(2\right)$

式中，S_D和S_W分别为表观的干沉降和湿沉降月通量，kg/(km²·月)；

C为当月干沉降样品的氮磷组份浓度，mg/L；

V为干沉降采样后沉降缸内剩余的液体量，L；

f为干沉降采样时间折算系数，即实际采样小时数与月平均730小时之比；

A为干沉降缸的面积，m²；

c_i为当月第i次湿沉降样品的氮磷组份浓度，mg/L；

r_i为第i次湿沉降采样时的降雨量，mm；

R为湿沉降采样当月的总降雨量，mm。

根据本实施例采集的数据，分别计算了广州城区和珠海滨海两个观测站位在2012年1～3月份期间的大气氮磷干湿沉降通量，结果见表1。干沉降通量主要受局部区域污染源排放的影响，大气中的氮主要以氨态氮和硝态氮的形式存在，广州站由于位于珠三角城市群的中心，受内陆农业源氨挥发和城市源氮氧化物排放的影响较为显著，因此其氨态氮、硝态氮和总氮的干沉降通量明显较高；大气中的磷一般认为主要来自农田磷肥挥发、畜禽粪便释放以及海洋表层气泡破碎产生的生物气溶胶，珠海站毗邻海岸且区域内存在海水养殖区，因此其磷酸盐和总磷的干沉降通量明较高。湿沉降通量与降雨量、降雨云团远距离传输、降雨冲刷作用等密切相关，从总体上看，氮磷的湿沉降通量基本与降雨量呈正相关关系，但广州站雨水中的总氮浓度略高，总磷浓度则略低，体现了降雨对局部区域大气污染物的冲刷作用。由此可见，本发明的观测结果能够准确地反映干湿沉降的影响因素与区域的污染特征，表明样品采集和分析具有很好的效果。

表1广州城区和珠海滨海观测站位2012年1～3月份大气氮磷干湿沉降通量

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，其特征在于，包括若干个现场采样器和一个远程数据处理器，每一个现场采样器包括箱体、设置在箱体顶部的雨水感应器、翻转盖板、干沉降收集缸、湿沉降收集缸以及置于箱体侧面的雨量计；所述现场采样器还包括控制与传输系统、电机和蓄电池，所述翻转盖板与电机相连，所述控制与传输系统分别与雨水感应器、电机、雨量计相连，蓄电池为上述各器件进行供电；所述远程数据处理器与每一个现场采样器中的控制与传输系统通过无线信号传输方式进行通信。

2.根据权利要求1所述的具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，其特征在于，所述干沉降收集缸和湿沉降收集缸缸口处还设置有若干个用于检测翻转盖板位置的位置传感器，每个位置传感器均分别与控制与传输系统连接。

3.根据权利要求1所述的具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，其特征在于，所述干沉降收集缸和湿沉降收集缸均嵌入在箱体中，分成左右两组并排设置；

所述电机为蜗杆式减速电机。

4.根据权利要求1所述的具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，其特征在于，所述通过无线信号传输方式进行通信是指公共无线数据通讯服务，包括GPRS、CDMA、3G手机卡、无线电台、卫星通讯。

5.根据权利要求1所述的具有无线通信功能的大气氮磷干湿沉降采样系统，其特征在于，所述蓄电池通过交流电源或太阳能板进行充电。

6.一种基于权利要求2所述采样系统的大气氮磷干湿沉降采样方法，其特征在于，包括：

在没有降雨时，翻转盖板覆盖在湿沉降收集缸上；

一旦雨水感应器检测到有降水，则将信号传递到控制与传输系统；控制与传输系统通过控制电机驱动翻转盖板进行旋转，将翻转盖板覆盖在干沉降收集缸上，同时控制与传输系统将雨量计采集的降雨量数据以及当前翻转盖板的位置信息通过无线通讯方式发送到远程数据处理器；

降雨停止时，控制与传输系统通过控制电机驱动翻转盖板移动至湿沉降收集缸上。

7.根据权利要求6所述的大气氮磷干湿沉降采样方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）准备阶段：在每次使用前，先将干沉降收集缸和湿沉降收集缸用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗，其中湿沉降收集缸须在使用前晾干或哄干；

（2）采集阶段：通过雨水感应器检测是否有降水，如果没有降水，则进入步骤（2-1），否则进入步骤（2-2）；

（2-1）进行干沉降样品采集，采样人员定期采样；

（2-2）进行湿沉降样品采集，降雨开始时，雨量计记录降雨量数据，控制与传输系统控制翻转盖板移动至干沉降收集缸上端，并将降雨量数据和翻转盖板位置信息通过无线通讯方式实时发送到远程数据处理器；降雨停止时，控制与传输系统控制翻转盖板移动至湿沉降收集缸上端，并将当前的降雨量数据和翻转盖板位置信息发送到远程数据处理器，远程数据处理器通知采样人员赴现场采集或处理湿沉降样品；

（3）采样人员赴现场采集完成后，回到步骤（1）。

8.根据权利要求7所述的大气氮磷干湿沉降采样方法，其特征在于，所述步骤（2-1）中的干沉降样品采集包括干法收集和湿法收集，其中湿法收集采用去离子水或当地地表水体作为收集液。

9.根据权利要求7所述的大气氮磷干湿沉降采样方法，其特征在于，所述步骤（2-2）中，当远程数据处理器接收的翻转盖板位置信息不正确时，通过远程强制翻转盖板翻转、或重新启动现场采样器或立刻指派人员赴现场方式进行维修。

10.根据权利要求7所述的大气氮磷干湿沉降采样方法，其特征在于，所述步骤（2-2）中的湿沉降样品采集时，降雨停止时，工作人员根据远程数据处理器接收的降雨量数据估算湿沉降样品量是否在设定限值以上，如果是，则安排采样人员赴观测现场进行样品收集；如果不是，继续采集24小时内的降雨直至达到设定限值以上，如果24小时内的湿沉降样品仍不能达到设定限值，则进行废弃处理，安排采样人员赴观测现场重新清洗湿沉降收集缸备用。

Images