国际标准酸沉降监测系统

国际标准的酸沉降监测系统

何毅　李静敏　汤大钢

何毅先生，中国环境科学研究院工程师;李静敏女士，助理研究员；汤大钢先生，大气环境科学研究所所长。

关键词：SCD　自动投药　控制系统检测仪表

酸雨问题是世界重大环境问题之一。继欧洲和美国之后，中国目前已成为世界上第三大酸雨区。酸性降水出现的区域大，频率高。通常，酸雨对环境的影响主要表现在如下方面：(1)对于某些敏感的水体、河流因酸度的上升而使得多种鱼类的产量明显减少；(2)酸雨会使森林土壤中原有的营养物质遭到严重破坏，导致森林退化；(3)酸雨能腐蚀损坏建筑物的结构和所涂涂料，酸化合物干沉降还对汽车等金属构造物进行腐蚀并导致维修费用大大增加；(4)二氧化硫的排放导致大气中硫酸盐粒子的形成，造成能见度下降，其形成的硫酸盐气溶胶会危害公众健康，增加哮喘和支气管炎等疾病的发病率和严重程度。当前中国最主要的酸雨区是中部和南部，严重的酸雨污染造成了巨大的经济损失。控制酸雨及其有害影响已成为国家的紧迫任务。

酸沉降科学研究和认识以及问题的解决方法需要长期、综合性的监测。欧美等国经过30多年长期研究后，在不断总结经验基础上，开发设计出一种国际标准的酸沉降监测方法，并已在许多地区应用。由于亚洲地区经济发展，酸沉降问题日益严重。为将国际标准的酸沉降监测技术应用于中国和其他亚洲国家的酸雨控制，本文对国际标准的酸沉降监测系统作一介绍。

一纸币识别器系统介绍

1. 国际标准的酸雨监测项目及采样频率

国际标准的酸雨监测项目包括图1所示的两大部分。一部分为必测项目，另一部分为选测项目。

2. 国际标准的酸雨监测的主要仪器设备

a. 气象监测

气象测量包括风速、风向、温度、相对湿度等。(1)最常用的测温方法是利用铂电阻随温度变化的原理。通常使用Pt100温度计，适用于空气和土壤的长期监测。(2)测量相对湿度一般使用的被动式湿度计有两类，即毛发湿度计和湿敏电容。精确度应控制在±3%以内。其耗电量都比较低，且一般与Pt100温度探头一起使用。(3)用风向标和风速仪测量水平方向的风向和风速。通常使用螺旋桨翼片或风杯来测量风速。

b. 采样设备

(1)全沉降采样器

全沉降采样器(见图2a)是一种由挪威大气研究所(NILU)制造的专门用于同时采集干湿沉降混和样品的设备。采样器由雨水收集器、钢圈、2.5l瓶子、盖子、滤网、O型圈、篮子和支架组成。收集器部分是由高密度聚氯乙烯制成，而支架则由不锈钢制成。

(2)湿沉降采样器

湿沉降采样器(见图2b)是一种由瑞典斯德哥尔摩大学气象科学系制造的专门用于采集湿沉降样品的设备。采样器由降水收集器(容量为5l的瓶子)、自动感应盖和漏斗组成。采样器盖子会在传感器感应到有水时自动打开。雨停后采样器会通过内置加热装置烘干传感器；这样感应盖就会自动关闭。采样器可由太阳能作为能源。感应器应经常用蘸有酒精的棉纸清洁。

(3)冲击式采样器(NILU-EK)

EK型冲击式采样器用滤膜组收集空气中的气溶胶和气体。采样头里装有气溶胶过滤器，还安有一个或多个浸透膜，这是该设备的部件之一。采样器在两个通道安有采样头，由控制器、泵、干空气流量计和流量控制器组成。泵按照事先预置时间通过滤膜抽取空气。

(4)PM2.5/PM10颗粒物采样器(NILU-EK)

这种采样器与图3中所描述的冲击式采样器十分相似。颗粒物采样时先用一个冲击器切割大于10μm的颗粒物，见图4；然后用第一层滤膜吸收掉2.5～10μm的大颗粒物，即只让小于2.5μm的颗粒物能通过这个滤膜而被第二层滤膜吸收。这种采样器用于加强观测。建议每年选择一个月做加强观测，并需每日监测，如需要可延长时间。要切割大于10μm的颗粒物，前提是必须保证流量为10L/min，也就是每天14.4m3。需用凡士林膏密封冲击器内部的层面，见图4。

(5)穿透水收集器

挪威林业研究所设计的地表植被穿透水收集器(图5)和林冠穿透水收集器(图6) 。原设计为2l的聚乙烯塑料瓶、一个漏斗(d=11.5cm)、一个带有尼龙过滤网的接口、一个固定样瓶的装置。地表植被穿透水收集器的漏斗口距地表10cm，它们被放置在PVC管内(d=12cm)。将3个地表植被穿透水收集器放置在加强样地以及土壤溶液水样收集点的地表植被下。林冠穿透水收集器漏斗口距地面1m，在每个加强样地内系统地安置4个林冠穿透水收集器。

(6)土壤水收集器

现有两种不同原理的土壤水收集器：过滤式土壤溶液收集器和陶杯式土壤水收集器。两者区别在于是否在使用过程中抽真空(即小于0.5Psig)。

过滤式土壤水收集器为挪威奥斯陆大学制造的由30cm×30cm大小的塑料盘、尼龙网和有机玻璃管组成(图7)。过滤式土壤水收集器通过管子连接到一个5L的聚丙烯容器，将土壤水导入此容器中。容器上的刻度用于测量已收集到溶液的体积。

陶杯式土壤水收集器(图8)是将一根特氟隆(Teflon)管插入一个PVC瓶。特氟隆管将土壤溶液导进一个放置在土壤表面的瓶子中，瓶子需在使用前抽真空(约为0.5Psig)。

(7)枯落物收集器

枯落物收集器是放置在林冠穿透水收集器旁边的一种采集枯枝落叶的采样装置。枯落物收集器制作简单，制作方法基于挪威林业研究所的设计(图9)。改进后的枯落物收集器是一个0.45m×0.45m的钢圈，然后安上一个褐或绿针织物制作的收集袋。枯落物收集器顶端距离地面1m，并固定在木桩上。考虑到每次取样时要更换收集袋，必须准备另外一套收集袋。

c. 监测及实时监测设备

(1)连续二氧化氮采样器(NILU SS2000型)

连续二氧化氮采样器装备了8个采样管(见图10)，流速为0.5L/min(大约每24h为0.7m3)。空气流量计安装在电磁阀和泵之间，用于测定穿过采样管空气的流速。

(2)土壤温度感应器

由Geonor出品的热电偶是带有延长电路的热敏电阻。感应器用于测量土壤温度。用手持数字温度计读取土壤温度(Geonor C9003)。感应器通常安装在与土壤溶液收集器相同深度的土层内，温度单位用摄氏度。

(3)土壤湿度计

土壤湿度计(Watermark)由Eijkelkamp出品。土壤湿度计(Eijkelkamp 14.27.05)安装在未受干扰的土壤中，靠近土壤温度计。土壤凭借土壤水势能可留住水使其不流失，土壤湿度计就是用来测量土壤水势能大小。

d. 水坝及水流量计

水坝建于小流域溪流的出口。水坝用于测量水的流量，在小流域计算时须先确定它。坝由一个V型堰、一个流量计(Limigraph)及放置流量计的小房子组成。

3. 国际标准的酸沉降监测的综合分析

采集到的样品需经过样品处理、化学分析和结果计算3个步骤。

(1)气象学数据

气象是对生态系统影响最大的，研究风向、风速、温度、相对湿度等气象变量的量级和变化，是为区分人为干扰和自然现象。

(2)大气化学

冲击式采样器(NILU-EK)、PM2.5/PM10颗粒物采样器(NILU-EK)等仪器采集的样品用于大气化学分析。通过测量空气中各种气体和悬浮物的量，评估空气长距离输送而输入到生态系统中的大气污染物。各种气体和悬浮物可直接落在树冠上，直接影响树木生长；也可通过影响土壤和地表水，间接影响树木生长。

ICP综合监测SO2推荐的方法是碱性浸泡滤网法，再用离子谱分析。对于那些二氧化硫年平均浓度高于10g/m3的观测点，使用溶液吸收法的效果会更理想。

在ICP综合监测点监测硫酸盐的推荐方法是碱性浸泡滤膜法采样，然后用离子谱分析。

监测二氧化氮的方法是化学发光法测量二氧化氮的原理是通过一加热催化转换器使二氧化氮还原为一氧化氮，然后计算(NO+NO2)和NO的浓度差(未经转化器的信号)。

ICP综合监测推荐监测大气气溶胶和气态硝酸中硝酸盐(NO3-(颗粒)+ HNO3(气态))护士应具备的素质总量的推荐方法是多层滤膜吸收法，再用离子谱进行分析。

测定臭氧使用紫外吸收法。

二氧化碳的监测使用GAM气体分析方法。

另有一种简单测定SO2、NO2、NH3和O3的方法是被动采样。采样器里面装有浸透过的滤膜。实践证明此方法在没有电力供应的监测点应用具有其独特的优越性。

(3)降水化学和穿透水化学

湿沉降采样器采集的样品用于监测降水化学，穿透水采样器采集的样品用于监测穿透水化学。监测降水化学目的是测量输入到ICP综合监测点内的降水量和其中的离子(湿沉降)。监测穿透水监测项目的主要目标是监测森林树冠或植被下土壤中总沉积物的输入量。降水和穿透水(TF)的监测内容相似，并且在长距离跨界空气污染协定框架下，与其他UN ECE的工作相比较。污染物随降水沉降到生态系统中，降水被认为是影响环境中自然过程的主要因素。分析时要特别注意化合物和营养物的酸化。通过气象、大气化学、穿透水和径流等监测项目的相关信息，就可以推断出某些化合物在整个监测点或者部分监测点的总沉降。

l型匹配

降水化学必须分析的参数：硫酸盐、硝酸盐、铵、氯化物、钠、钾、钙、镁、碱度(pH值)。为了保证数据的质量，还推荐测定电导率。

推荐分析主要离子的方法是离子谱法，也可使用其他的方法，如原子吸收分光光度法测定Na、K、Ca、Mg，分光光度法测定铵。

推荐测量pH值、强酸或弱酸的方法是电位测定法。可选的测量强酸或弱酸的方法是库仑滴定法。

推荐测量电导率的方法是电导法。

(4)土壤化学和土壤水化学

氮矿化管用于采集土壤样品，土壤温度感应器和土壤温度计测量的土壤温度和土壤潜势也是用于分析土壤化学的主要参数。土壤溶液收集器采集样品用于分析土壤水化学。渗过土壤的呈酸性水溶解和侵蚀岩石，它们释放出阳离子提供给微生物和植物根系所需吸收的养份，然后渗入更深的土层和地下水，并最终流到河流和湖泊中。土壤水与上层土壤中的化学和生物过程密切结合，并且对酸化和氮的污染很敏感。因此，土壤水监测项目对于理解小流域尺度上地下水文化学和生物的微生物影响非常重要。

氮矿化管管子里土壤要用锋利的小刀按照F+H、A+AB、B1层(如果可行)分为3部分，然后测量和记录其长度。把土壤样品在KCl萃取之前应保存在零下18℃。将10g有机质土层土壤和40g矿质土层土壤放入100ml的烧瓶中，然后添加50ml/mol的KCl。然后轻轻的摇动烧瓶高压绝缘材料30min(每分钟100次)。将悬浮物滤掉(滤纸类型为Blauband, 125mm, Schleicher & Schull, Germany)。分析之前把滤出液保存在4℃下，要尽快分析。用比法分析NO3-和NH4+的浓度。

对土壤水收集器采集样品要优先进行非金属检测：pH、N张家口北新村小学化合物、DOC等。加入酸后使金属元素从储存瓶壁析出。

(5)径流水监测

V型堰和流量计是测量径流水的必要仪器。径流是小流域溶质的主要输出方式。通过测量径流和分析径流水浓度，可计算元素流失总量。

确定小流域流量非常重要，最好方法是建一个坝，然后在上面安装自动的水流量计。至少应当记录每日径流量，在高流量、融雪期、大雨、风暴期间，应加大流量测量的频率。在采集水样的时候，也应多进行流量测量。径流水采样应在上游距离坝一段距离处进行。

必分析参数除个别外，都与其他ICP水监测项目相同，并主要与酸度有关。检测方法也与其他监测项目相同。

必选参数：阴离子：氢氧根、硫酸根、硝酸根、氯离子。有机物：溶解有机碳(DOC)。阳离子：氢、钙、镁、钠、钾、无机(非稳态)铝。营养成分：总氮、铵。物理性质：河流径流、精密电导。

(6)枯落物化学

枯落物采样器采集样品风干后称重，然后将样品分为三组：由树枝、细枝、球果组成的粗枯落物, 马尾松针叶，其他(包括叶片、地衣和种子)并称重。并在65℃条件下干燥48h，之后称重，储存到年底。之后进行大量元素(N、P、S、Ca、K、Mg)分析，如同分析针叶样品一样。但是没有必要分析检验样品。

分析树叶可提供很多信息，最重要的是可提供树木营养方面的信息。对树叶表面或内部金属元素的化学分析在某些情况下可提供不同类型污染物的相对含量信息。

二系统在中国的实际应用

中国国家环境保护总局(SEPA)、外经贸部和挪威发展合作局(NORAD)联合设立了中国酸沉降综合影响观测研究(IMPSCTS)项目，致力于中国的酸雨研究。项目由中国和挪威的研究机构共同完成。自2000年起开始实施，为期5年。

项目的总体目标是测定和预测在大气污染物，尤其是氮和硫的影响下，陆地和淡水生态系统在较长时期内的状态和变化。它将对对流层中的臭氧、重金属、持久性有机污染物的生态效应进行测定。实施此项目有助于提供如天气变化、生物多样性和同温层中臭氧消耗对生态系统的影响等研究工作所需的数据。项目的重点是提供科学、可信的数据，然后利用这些数据进行模拟并协助中国政府制订环境政策。项目把工作重点放在为环境变量建立连续的时间序列上，而不仅仅局限于区域调查上。

IMPSCTS项目已在重庆市铁山坪，贵州省鹿冲关、雷公山，湖南省韶山和广东省流溪河建立符合为我们的今天喝彩5个国际标准的酸雨监测点，现场观测已从2001年1月开始。

虽然IMPSCTS项目只开始了两年多，但是已经取得了大量的数据，数据包括自动监测设备分析的，还包括进行区域调查时监测点的植被和地形信息，还有就是把采集的样品拿回实验室通过处理，然后再通过各种分析设备分析的数据，仅最后这类分析数据，一个监测点一年就能得到15000多个，这些数据覆盖了几十种离子和参数，像pH值、Ca2+、NO3-等。通过对这些数据的分析，已得到了以下一些初步结论，对于进一步了解酸雨的影响具有重要意义。

(1)IMPACTS项目得到的数据证明，中国存在硫的长距离输送。雷公山观测站位于贵州的偏远山区，但是从其那里也可看到沉降了相当数量的硫。因此，在偏远的地方设立观测站是十分重要的。但是到目前为止中国的观测站大都位于城市。

(2)IMPACTS观测站硫沉降高的事实也验证了国家监测网络的监测结果。

(3)排放和沉降的关系并非线性的。因此，IMPACTS项目观测站对于揭示排放和沉降量的关系问题非常重要。

(4)硫只是酸沉降组分之一。钙、铵和氮氧化物沉降也非常重要。钙和铵中和了大气中的酸沉降，而且铵还能通过土壤中的化学过程酸化土壤和地表水。

(5)干沉降的总量大于湿沉降。因此，干沉降观测应与湿沉降一样重要。IMPACTS项目对于改进干沉降估算方法提供了重要的数据。

(6)氨和氮氧化物对于酸化都起到很重要的作用。氨主要来自于农业(农作物)，而主要的硝酸盐都来自于燃烧。到现在为止，关心的焦点是硫排放，以后应在酸沉降控制中考虑氮的削减。

(7)氮氧化物排放有利于臭氧形成。臭氧可以危害到森林和植被，使农作物减产。所以氮氧化物排放的增加应该得到足够的重视。

(8)既然氨和硝酸盐对于陆地和水体的富营养化有重要作用，对于这些化合物和环境影响的观测就变得非常重要。

(9)氨能改变雨水pH值。因此，pH值并不能很好地反应酸雨酸度，也可说用pH来表示酸雨的强弱是不科学的，在考虑目标区域的酸雨时，要注意这点。

(10)大气中的颗粒物对酸雨有中和作用。颗粒物有人为和自然两个来源。目前，颗粒物的大量沉降可以减少酸沉降的影响。在总量控制里，改善城市空气质量时要求降低颗粒物，这可能导致酸化程度的增加。

(11)在不同观测点监测到森林的生命力受到不同程度的危害。重庆周边地区的落叶率已达50%。虽然昆虫对于树木危害是最直接的，但是空气污染物的影响也不能轻视。

(12)在中国已有酸雨造成大量经济损失的报告，森林损害和酸雨之间的关系是很复杂的。IMPACTS项目能够提高对于这种关系的认识。

(13)应该考虑酸雨对于生态系统的直接和间接影响，例如计算临界负荷和临界水平。计算时应该同时考虑几类环境影响。

(14)土壤酸化可使铝发生转移，会对树木造成危害。钙又能改变铝的毒性，所以这两种化合物的观测十分重要。

(15)在“十五”规划中计划削减20%的SO2排放，IMPACTS项目模拟了一个重庆周边地区削减的情景案例，降低酸化的负面影响需大量削减SO2排放。

三结论

在评价酸雨对于环境的影响时要充分考虑它对于森林的危害、生物多样性的损失、土壤和水体级别的降低和对于健康的影响。所以以往只是局限在城市的酸雨监测不能很好地说明这些问题，而选择远离城市的背景点的酸雨监测更能说明问题。而且，以往的监测只是局限在简单的物理和化学监测上，为评价酸雨的危害需要更全面的监测，不仅应包括常规物理和化学监测，还需纳入对生态系统的观测。综合监测这个概念作为监测生态系统变化的最适合的方法已得到国际上广泛地认可。应考虑在酸雨区范围设立足够数量的国际标准的检测系统。每个系统在3～4km2的监测区域内，进行长期、全方位的生态系统监测十分必要。在世界上这种监测的理念是最前沿的，不管在科学还是经济上，都要求较大投入，所以以前也只在欧洲和美国有相似的观测站，而在发展中国家较少应用。在这方面中国应给予更高的重视。现有5个监测点还不能满足进行酸雨影响评估和控制对策开发的需求。为得到更大区域上的长期的观测数据，还应建设和长时间地运行更多的此类综合观测点。

（全文完）

来源：《世界仪表与自动化》

出版日期：2003年9月

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