海洋浮标作为海湾环境监测预警的手段之一，是一种新兴的现代化海洋监测技术，逐步受到各海洋 国家的重视和利用。相比其他监测手段，其可在恶劣的海洋环境条件下对海洋环境进行自动 、连续 、长期的监测和预警。 V+ G8 v4 k& p$ d: v" v: w
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! X- o4 u' n! |% Z1 r$ a2 H工作原理及系统组成
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' F( O0 ]* q/ _( \! I+ R1 ? 在电源系统支持下，浮标内安装的气象传感器、波浪传感器、水质传感器、海流计等传感器设备实时采集环 境要素数据，经过数据采集系统的处理后，通过加密算法形成数据文件自动发送到接收站，并同时在采集器内存储。接收站进行数据接收、数据处理、参数配置和数据查询，最终通过信息终端和显示屏进行浮标实时数据的展示与分析。系统由浮标标体、传输系统、数据采集系统、系留系统、供电系统、接收系统组成。: ~1 J" b/ V' |4 ]8 _
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建设过程
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% U# N; Q5 H5 ~+ r; _- W" s (一)项目选址* S, g6 \/ x: j+ m6 n
拟选定投放区域的监测对象应具有代表性，浮标所接触的水体特征与监测范围内大多数水体特征具有一致性;满足海洋观测的自然条件，包括水深 、浪况 、流 况 、底质等;不影响船舶通航，避免影响渔业生产，同时满足浮标运输布放条件。
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(二)监测要素项目及参数要求 K- ~3 c) }1 \1 K
气象观测包括风速、风向 、气温 、湿度 、气压，海流观测包括流速、流向，波浪观测包括波高、周期 、波 向，水质观测包括水温、盐度 、pH、浊度 、溶解氧、叶绿素。
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2 x, ~0 E; h- ^( f7 h (三)设备及仪器性能检定
1 p" R) `0 Y2 T 1. 标准曲线校核* ^0 n* b4 k% v* `* W
对叶绿素参数采用标准曲线校核，以标准曲线相关系数为检查指标 。对量程10% 、20%、40% 、60% 、80%共5个浓度的标准溶液按样品方式测试，并和空白值计算其相关系数。
' W, u/ V$ V3 n 2. 检出限
; Q+ ?- l. b( m" v5 n4 P 仪器的检出限采用实际测试方法获得 。以《环境监测分析方法标准制订技术导则》(HJ.168—2020) 中的一般确定方法的相关要求为依据，按仪器2～5倍检出限浓度配制标准溶液。
7 H1 ] r) t& t/ k; a/ R% { 3. 准确度
# e! Z: _. m/ X- h& E' I 仪器准确度检查采用实验的方法进行，根据实验条件和实际情况，采用标准样品检验法和比对法。根据《近岸海域水质自动监测技术规范》(HJ731-2014)中近岸海域自动监测系统仪器性能指标技术要求对比，对结果进行统计评价。
: r4 q1 E8 L7 p 4. 精密度
?+ O5 Q# M' l% \3 M0 k 精密度(pH除外)检查选择国家有证标准样品，用仪器连续测定标准样品7次以上，以测定结果计算精密度，标准样品浓度采用20%和80%量程 。采用相对标准偏差(RSD%)来确定仪器的精密度 。
9 Y+ \9 f" p& W( O* Z 5. 零点漂移- m' z8 N+ |/ D- X
以空白溶液为试样连续测试，测量值在一定时间内变化。测试指标包括浊度和叶绿素，测试连续7次以上。第一次测量值作为初期零值，计算7h内的变化幅度，其中最大变化幅度相对于满量程的百分率为零点漂移。8 n4 u" t; @' r. ?
6. 量程漂移
8 B% X& m3 W2 R4 n( l 采用浓度为20%量程和80%量程的标准溶液为试样连续测试，仪器测量值在一定时间内变化 。测试指标包括温度 、盐度、溶解氧、pH、浊度和叶绿素，测试连续7次以上，其中浊度和叶绿素最大变化幅度相对于满量程的百分率为量程漂移，温度 、盐度 、溶解氧和pH的最大变化幅度即为量程漂移 。6 h5 @" T# Y1 _8 O1 y& [
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(四)布放实施(见图 1)% K! X7 C/ i0 t4 h3 x
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3 [; z- K. L$ }0 D: K! L (五)数据接收
! r. @+ G& }3 g4 L6 ] 接收软件主要由数据接收 、数据处理 、参数配置和数据查询四部分组成，其主要功能是实时、准确、可靠地接收和处理浮标数据，并具有即时报警、数据查询统计及遥控等功能。
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; r4 N) ^& n# o6 ^+ P0 E5 H& e& v 软件采用标准的语言编程，运行环境适用 Windows XP或更新的操作系统;软件界面友好、操作简便，具有良好的可维护性和可扩充性;数据库具有良好的开放性，工作安全可靠。软件支持手机等移动设 备展示和操作。
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(六)数据对比分析
9 N. Q5 u8 V$ ]/ @ S! n5 G' w# f 委托政府海洋与渔业信息监测中心进行了现场采水比对，将比对数据和浮标数据绝对误差 、相对误差等指标进行对比分析，进一步验证浮标系统是否符合《近岸海域水质自动监测技术规范》的验收标准。
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3 C$ k3 j `" s* P (七)浮标系统运行维护
2 s; {8 o& A% `1 g: G6 x6 n9 L 浮标安装调试后，进行至少3个月的试运行，自浮标建站之日起，进行为期一年的运营维护，以保障 浮标观测系统的正常运行。
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) M' H% t) y! c& C 1.终端监视
$ ]% ~# ~) r o; Z+ c' P 每日两次在软件平台上查看设备工作状态，主要查看设备是否正常运转，查看浮标GPS信息，确认有无漂移。
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# m* l: J9 A& I0 g. w 2. 常规维护/ D6 x, F1 `) @
浮标系统每30～45;d进行一次常规维护，并与校准同时进行。校准前对检测仪器进行清点 、清洗维 护，每次维护和校准后调整检测仪器自动采样测试时间为整点时间。$ b& C1 y9 Z, h$ V
$ ?) ]) I# e O. h 3. 应急维护
( c, q5 A' |5 o, S! k* y 浮标系统运行过程中，受到台风、过往船只碰撞或者其他因素影响，导致系统通信故障、传感器损坏 等，出现数据异常 、数据中断或其他影响系统正常运行的情况时，应及时进行应急处理，排除相应的故障， 保障系统正常运行。
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4. 年度检修
: P; B ^; W+ ~; e0 V5 `: `6 [ 每年至少进行一次年度检修，消除浮标隐患，确保正常运行，更换锚缆、转环、卸扣，修复腐蚀受损件等。全面检查各部分线路，检查电缆、连接器等各部件，如有老化或其他形式损坏的，则进行更换。
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" A( }) H" F, E/ u. V: _- j* K. p应用
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应用系统由数据库、查询分析、评估预警、结果输出四个子系统构成。/ n+ ], v7 W2 d5 a% v. B
) y% x1 s2 Q P, l* J 数据库管理模块：进行数据存储、查询 、转换 。可以根据用 户要求查询实时数据 、统计数据以及评估 结果，或对数据进行必要的更新 、转换处理。
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3 [6 }! H. d/ V. f 综合分析模块：利用系统自带的统计分析工具对大量的实时数据进行统计分析处理，或对某个时段 水质变化趋势进行评估分析，为区域水环境质量报告提供支撑。' h- v- V! Q4 [ B% [1 T" |
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评价模块：用户可根据监测要求选择不同的评价方法，也可用多种方法进行综合评估，对结果进行有 效融合。
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预警模块：根据评价模块计算出任意时间内各个水质监测断面的综合评价结果，当综合评价结果超 出警戒目标值时，系统将采用红色警示，发出预警预报。
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输出模块：系统最终的数据以表格 、统计图件及空间图件形式输出 。利用GIS空间分析统计功能将 水质数据变得生动 、直观和全面，以达到可视化效果。# r5 R" B& O# U: n% A
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) @: W5 _) x' E! Q 发展及前景# o1 S- x$ d- L) Y
) g: d2 d4 D" I0 R+ i0 m' _ 目前，海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈，如：
; b1 s& d) i) J( R) k& e5 } 一是数据传输目前突破不了大容量传输，数据传输有小于1min的延时，实现不了高精度 、大容量数据的实时传输 。; b4 l4 [- D z
二是监测传感器依赖进口 。传感器依然是弱势，虽然我国已能自主生产部分传感器，但在精度、实时性、长期可靠性和稳定性方面与进口设备存在很大差异。
9 f+ A2 I: f) V9 Q: b 三是难以从根本上克服海洋生物附着的影响。传感器长期与高盐度海水接触，难以避免海水腐蚀现 象，更无法克服热带海洋生物的附着，目前只能采用简单的物理方法进行定期清洁。
; e* M: M. g7 b7 _0 ^5 ` 远期可凭借大量的实时数据，利用水质容量模型，估算研究区域动态环境容量，为流域总量控制与质量管理提供依据。在水质水文在线监控基础上，可开发特定水域水质预测模型，针对突发性污染事故进 行水质预报 、预警，为水质应急监测提供决策依据。通过对大量水质水文参数变化情况进行分析，开发基于物理、化学和生物净化原理的分析模型，从而推算出水体自净化的能力 。8 F% K) i6 y* z
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结语
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长期以来，我国海洋生态环境监测、海洋调查仍然没有摆脱“现场取样—实验室分析”的传统工作思路。监测预警能力的建设取代了传统的取水采样测量方式，可以实时不间断测量，为所在海域的水质积累了大量历史资料，也可利用数据进行污染物报警、蓝绿藻报警等，并有效地指导渔业发展。
. l4 W& ]3 ]$ Y6 r, e5 R# K来源 | 本文来源于中国交通建设监理协会2022年度学术论文集. S1 t$ K! a3 v+ T. Q
作者 | 杨全武
. A! u, h9 W! Z O排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源' w7 b: J! Y @) ~7 X- K% e1 `
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