学术分享 | 海湾环境监测预警能力建设与应用

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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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) S! i& L: y4 P8 h工作原理及系统组成: s# h- d- E- K. k+ v' H7 ^
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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。% I8 X$ F( v8 Z( j9 W2 o4 p
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建设过程- a# E6 o3 I3 G6 }: u

; S0 ~; c$ D, ]: g& a  (一)项目选址
0 z0 n+ J) y8 w2 W6 H3 d: ~/ X- Q  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& J) I2 U) U' A# x% H' Q
  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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  (三)设备及仪器性能检定
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  1. 标准曲线校核8 V6 k+ [7 `) [/ K) S; G$ y1 l" U
  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。
" s/ H, ?2 X0 n7 s" z0 L5 G+ C  2. 检出限5 }% R4 f8 {- Q8 z+ v: ~2 b1 m
  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。
- _" v) n+ G* Q! C  3. 准确度2 S0 _* _8 ]" U9 Z
  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。
2 D8 ~  g4 Y7 H5 c- S  4. 精密度) j2 d, l! Z+ N& _; d% b- S
  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 。, w0 {+ N9 H& M" ~
  5. 零点漂移' O  u/ N: V6 Q9 g1 E
  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。* e7 ?# L4 Q0 M) a0 N9 T
  6. 量程漂移
6 L) s+ j# Z0 d4 K5 H, ~  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 。

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3 p/ K+ E% [; G0 M7 J/ F. X% E$ U  (四)布放实施(见图 1)

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( T' X' r" R+ T  (五)数据接收
8 c0 p" h" a$ P# l9 Q  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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0 e9 s# M7 a# L0 h5 o  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
' `* m( r% h6 U9 _0 @* L" C& {  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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* j7 a9 g! F6 i  (七)浮标系统运行维护
1 X1 n" ]8 u- x* g  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% p7 E2 v# P4 z) l* l  G
  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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  2. 常规维护" W/ c/ X& b9 J: f
  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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2 {" V2 |- C( @% p# k4 ^1 Z% ]  3. 应急维护& d! L4 N6 d- {+ M3 D! l4 |
  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$ ~! a% x( k( W6 P% a  |
  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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7 x8 g: L0 v8 ~) Q  C! j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。
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  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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* `# s* O% [! E' w- {0 Z" ~
  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。
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6 V; i4 s: |0 ~+ m1 m% Z
  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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/ ]+ b! z" n" p. Z  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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6 u0 b: i, M% ] 发展及前景
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  目前,海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈,如:3 Q% k/ d1 b' c9 X: G( R- ^
  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 。) x& U" w  X+ b# B: Z8 J6 v  o( \" ~
  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。8 m: d0 @. C7 w: h. z
  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。
3 {; [. q/ m3 P( n% N& a; v; H7 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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! k4 a$ d( `3 H) D/ k4 G) b4 U结语
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) }: u  A4 ~3 E) R# a0 ~3 J  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。
% R. ~" x* G( ]  R2 Y$ [1 G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4 Z4 e9 d: e" d# E: R: y6 c
作者 | 杨全武
$ Z1 g+ y3 G5 }7 U- 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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; L9 e! W4 R6 I5 n% Q& _该文章来源互联网,如有侵权请联系删除

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活跃在2021-7-31
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