学术分享 | 海湾环境监测预警能力建设与应用

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。
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工作原理及系统组成
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　　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。
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3 V" R3 K/ d' h8 ~5 ^建设过程
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　　(一)项目选址
3 _0 i8 T9 {- F1 p　　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。

: S6 x; t/ q8 u　　(二)监测要素项目及参数要求
0 \" \6 u; J, U) k$ z# M5 |　　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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. R6 e1 j# i: B# d" ^3 B. F　　(三)设备及仪器性能检定
. k$ a1 n9 x4 q" `. c6 {/ N　　1. 标准曲线校核
　　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。
3 w) n! n( x% Y. r3 I　　2. 检出限
　　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。
8 k& y  i! V6 P% D' [　　3. 准确度
( A. y% Y: G: I4 A( d' t$ A0 D　　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。
  @/ F4 X! s& _　　4. 精密度
　　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 。
　　5. 零点漂移
9 i! h4 ?  a8 i　　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。
　　6. 量程漂移
. ~+ ?3 W, @! a. V8 t　　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 。

　　(四)布放实施(见图 1)
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　　(五)数据接收
　　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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, z1 g9 j2 c3 h; X/ u　　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。

) N3 h  q& U/ u/ I1 x2 q( B9 z　　(六)数据对比分析
　　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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　　(七)浮标系统运行维护
　　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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　　1.终端监视
" S) H9 ^, q& y5 Q+ }' A1 F& Z　　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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5 J! O1 z) s% u3 j9 l5 ?　　2. 常规维护
$ b" N. s8 t( l. q8 }! ^/ {　　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。
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7 e3 q, x8 B: F4 I% |' A　　3. 应急维护
6 Q) i8 R1 a3 N1 n. @　　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。

　　4. 年度检修
　　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  U! A6 i7 U( Y' m6 e应用

5 @% w' p' S" N; X/ F# d　　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。

5 H: T9 i9 k0 @* [  ]. n' ~　　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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　　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。

6 q: J. T; p# _1 G4 G7 ^　　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。

　　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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! k% k8 V  O8 p/ ?　　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。
　
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　发展及前景

　　目前，海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈，如：
　　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 。
　　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。
　　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。
9 ^/ U, R0 v( b5 j# G　　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 。
　　
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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。
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
作者 | 杨全武
. n: l1 ^" G* f) a$ e, O: X排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源
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