一种同步测定水化学与氢氧同位素的雨水收集装置及方法与流程

本发明属于水循环监测采样，具体涉及一种同步测定水化学与氢氧同位素的雨水收集装置及方法。

背景技术：

1、在水循环演化、大气环境监测与气候变化研究中，水化学离子与氢氧稳定同位素是揭示水文循环过程的两类核心示踪剂。水化学离子反映流域风化作用与人类活动影响等区域特征，是判别水体来源与流域属性的重要依据；氢氧稳定同位素则记录了水汽来源、降水-蒸发过程等信息，能够示踪水体的传输路径与相变历史。两类示踪剂结合使用，可从不同角度刻画区域水文循环规律，而获取上述数据的前提，是在野外采集到合格的降水样品。

2、降水样品的采集具有特殊的复杂性：降水事件具有随机性与突发性，要求采样装置能够自动感应、及时启闭；单次降水事件的化学组成随降水进程显著变化（即“淋洗效应”），要求实现分级采集，以保留降水过程的时间分辨率信息；同位素样品对采集与保存条件要求极为严格，任何微小的蒸发或气体交换均会引发同位素分馏，直接影响测定精度；同时，水化学离子分析对样品洁净度有明确要求，样品须经充分的前处理方可满足测定要求。

3、而现有降水采样装置功能单一，无法同步满足上述两类分析需求：水化学采样装置未考虑同位素样品的防分馏要求，同位素采样装置则缺乏水化学样品所需的前处理功能。开展两类研究时只能分别部署两套设备，不仅增加了野外监测的部署与运维成本，且两类样品的采样时序与环境条件难以保证一致，直接影响数据的可比性。因此，亟需一种能够同步满足水化学离子分析与氢氧同位素测定需求的雨水收集装置。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种同步测定水化学与氢氧同位素的雨水收集装置及方法。本发明将降水的自动采集、在线质控与恒温分级储存集于一体，同步满足水化学离子与氢氧同位素两类分析需求，抑制同位素分馏与样品变质，无需部署两套设备，降低成本，且采样时序与环境条件一致，数据可比性强。

2、收集部，其响应于降水信号自动启闭，以在降水期间承接降水样品，并在非降水期间封闭；

3、多级过滤器，其连通于所述收集部的出液端，沿样品流向逐级截留不同粒径的颗粒物；

4、脱气部，其连通于所述多级过滤器的下游，且内部构建负压环境，以脱除样品中的溶解性气体，抑制同位素分馏；

5、分光监测部，其设置于所述脱气部的下游，对流经样品的浊度和电导率进行在线检测；

6、杀菌通道，其连通于所述分光监测部的下游，对样品进行灭菌处理；

7、储存箱，其连通于所述杀菌通道的下游，根据所述分光监测部的检测结果，对样品进行选择性分流与分级储存。

8、进一步的，所述收集部包括收集斗，所述收集斗的上端口转动连接有开合盖，所述收集斗的上方罩设有防护罩，所述防护罩与所述开合盖之间留有可调间隙。

9、进一步的，所述收集斗的外壁铰接有电推杆，所述电推杆的推杆端铰接有驱动杆，所述驱动杆的另一端铰接于所述开合盖；

10、所述收集斗的外壁设置有雨量传感器，所述雨量传感器和所述电推杆分别与控制器信号连接，所述控制器根据降水信号控制所述电推杆伸缩。

11、进一步的，所述多级过滤器包括沿样品流向依次串联的三个过滤腔室，每个所述过滤腔室内均设置有滤膜，三级所述滤膜的过滤精度沿样品流向梯度递减，每个所述滤膜的下方均设置有独立排液口。

12、进一步的，所述脱气部包括布水器、脱气膜、吸气口和真空泵；

13、所述布水器设置于所述脱气膜的迎水侧并均布样品；

14、所述脱气膜为疏水性微孔膜，供气体分子透过而截留液态样品；

15、所述真空泵连通于所述脱气膜的背水侧，以在背水侧构建负压环境；

16、所述吸气口设置于所述脱气膜的背水侧，并经管路与所述真空泵连接，所述管路上设置有水分捕集器；

17、所述脱气部配置有压力传感器与监测传感器，分别用于监测负压值和除气后样品的溶解氧浓度或电导率。

18、进一步的，所述分光监测部包括流通池、浊度传感器和电导率传感器；

19、所述流通池的池腔为变截面流道，其顶壁沿样品流向倾斜布置，且所述流通池的顶部开设有排气口，以消除池腔内的气泡滞留；

20、所述浊度传感器包括红外光源和光检测器，所述红外光源的入射光路与所述光检测器的接收光路呈90°夹角布置；

21、所述电导率传感器包括沿样品流向间隔布置的四个电极，位于外侧的两个所述电极为电流电极，位于内侧的两个所述电极为电压电极。

22、进一步的，所述储存箱包括暗箱、进液分配器和样品瓶，所述样品瓶收容于所述暗箱内；

23、所述进液分配器连通于所述杀菌通道的出液端，并按采样时序或采样体积择一导通各所述样品瓶，以实现样品的分流与分级储存；

24、所述暗箱内配置有温度传感器和帕尔贴元件，二者构成闭环温控，以维持所述样品瓶的恒温避光储存环境。

25、一种同步测定水化学与氢氧同位素的雨水收集方法，采用上述的一种同步测定水化学与氢氧同位素的雨水收集装置，包括以下步骤：

26、s1：实时监测降水信号，控制器根据降水信号控制开合盖开启，收集斗承接降水样品，降水样品经多级过滤器沿样品流向梯度过滤，逐级截留不同粒径的颗粒物；

27、s2：过滤后的水样通入脱气部，经布水器均布于脱气膜的迎水侧，真空泵在脱气膜的背水侧构建负压环境，使水样中的溶解性气体透过脱气膜逸出并经吸气口抽除，以抑制同位素分馏；

28、s3：分光监测部对脱气后的水样进行浊度与电导率的在线检测，超出预设阈值的异常水样分流至废液通路，合格水样继续输送，合格水样流经杀菌通道，进行紫外灭菌处理；

29、s4：灭菌后的水样经进液分配器按采样时序或采样体积择一导通至各样品瓶分级储存，暗箱内由温度传感器与帕尔贴元件构成的闭环温控，维持恒温避光的储存环境。

30、进一步的，s1中，在降水初始阶段采集初始水样，进行浊度与电导率的检测；

31、根据检测结果评估本次降水的淋洗强度，并据此调整后续采样的预设阈值与分级储存的切换间隔；

32、结合历史降水数据预估本次降水的总采样量，动态分配各样品瓶的可用容积；

33、s2中，监测传感器实时检测脱气后水样的溶解氧浓度，压力传感器实时监测负压值，当溶解氧浓度高于预设浓度阈值时，延长脱气时长或提高负压值；所述负压值为-60kpa至-80kpa，所述脱气时长为30秒至120秒。

34、进一步的，s3中，所述在线检测包括：

35、使脱气后的水样流经分光监测部的流通池；

36、采用90°散射光法检测水样的浊度：红外光源发射的入射光经水样中的悬浮颗粒物散射，于与入射光成90°的方位接收散射光强，根据散射光强与浊度的标定关系获取浊度数值；

37、采用四电极法检测水样的电导率：向一对外侧的电流电极施加恒定激励电流，测量一对内侧的电压电极之间的电位差，根据欧姆定律计算水样的电阻并换算为实测电导率；

38、同步采集水样的实时温度，按温度补偿公式：，将实测电导率换算为25℃基准温度下的电导率数值，其中

kt为实测电导率，

t为实时温度，

α为温度系数；

39、将浊度数值与电导率数值附加时间戳后存储，以关联时序样品。

40、在上述技术方案中，本发明提供的一种同步测定水化学与氢氧同位素的雨水收集装置及方法，具有以下有益效果：

41、1.本发明将降水样品的自动采集、前处理、在线质控与恒温分级储存集成于同一装置，可同步产出适配水化学离子分析与氢氧同位素测定的合格样品，无需分别部署两套采样设备，显著降低野外监测的部署与运维成本；且两类样品的采样时序与环境条件一致，有效提升后续分析数据的可比性。

42、2.本发明通过降水自动启闭密封、负压脱气与暗箱恒温避光储存的多重防控设计，从采样入口、前处理至终端储存的全流程，阻断样品的蒸发与气体交换路径，避免样品与外界发生水汽交换，有效抑制氢氧同位素分馏效应，避免氢氧同位素比值失真，保障同位素测定结果的高精度与可靠性。

43、3.本发明采用三级梯度过滤与负压脱气相配合的前处理体系，沿样品流向逐级截留不同粒径的颗粒物，充分满足水化学离子分析的样品洁净度要求；过滤后的水样经负压脱气去除溶解性气体，消除其对同位素测定的干扰，一套前处理流程同步适配两类分析的样品质量标准。

44、4.本发明集成浊度与电导率的在线检测功能，采用90°散射光法与四电极法同步测定，并经温度补偿换算基准电导率，实时判定样品质量，自动分流剔除超出预设阈值的受污染水样，仅使合格水样进入储存环节，确保储存样品均具备降水代表性，提升后续分析数据的有效性。

45、5.本发明采用若干独立样品瓶分级储存的设计，按采样时序或采样体积自动切换导通的样品瓶，完整记录单次降水事件不同阶段的组分变化；暗箱内温度传感器与帕尔贴元件构成闭环温控，维持恒温避光环境、抑制样品变质，为淋洗效应与水汽来源演变研究提供数据支撑。

46、6.本发明通过雨量传感器实时感应降水信号，控制器驱动电推杆自动控制开合盖启闭，采集、过滤、脱气、监测、分流与储存全流程自动运行，无需人工现场操作，适配野外站点长期无人值守的连续监测需求，有效降低人工运维频次，保障监测数据的连续性与完整性。