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 L# A+ O3 r' K
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工作原理及系统组成
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3 q, A( e8 A& K( M* C 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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建设过程+ `$ o/ v+ \+ s
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(一)项目选址
W- B) ^! p6 z& \: v+ G! I1 r 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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/ ]( T% h* V- A' x" Z" ^+ E3 \$ y (二)监测要素项目及参数要求4 g( Z6 B9 B% I! g% E2 A
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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6 w: Z9 \- P7 `- @/ P; `% ^ e (三)设备及仪器性能检定
: X0 u) x: }" p: v- T 1. 标准曲线校核5 G: t" r ~! |4 T: @
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。
9 `" I& h% N# l0 r 2. 检出限) N0 y+ a- ?, e# h; c( p9 N2 W' K
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。9 V* x( }9 R% O" }5 b& k8 M
3. 准确度# Y3 O, k9 p$ l# Y9 a0 O7 a5 F) _) T
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。* ^* [& b* k; Z5 t: G; D3 ~
4. 精密度
; L: ~4 r$ [. g6 ^. v( N3 V 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 。1 M w) U. ^$ F% C" [
5. 零点漂移
$ S& W5 i* c8 L) U* q+ N. y 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。
' p3 x! O2 G6 y+ V L$ v! I 6. 量程漂移
+ i9 k8 y: w$ G: 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 。& y% u3 O; I7 }) ]. G* t8 @
- B. o( F+ T4 @5 M9 h4 O) Q) s (四)布放实施(见图 1)1 [5 [0 q9 m( X8 z
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6 Y! I; j4 X7 |: f (五)数据接收
4 c. a1 D) ?7 _5 Q" c- x1 a 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。% P% Q. H" s3 G* \7 f! x) J% w4 b
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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。+ S w8 b9 q) C
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(六)数据对比分析4 s% z8 p, ` c7 X9 [$ Q
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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9 o" Q t! Y" v, L! q, J (七)浮标系统运行维护% n% @/ 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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: h" s! ^% [" [( q 1.终端监视5 e- ]8 D8 _" U) J- A# @) E; {
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
) Y9 y* Q3 |9 q$ S$ V 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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3. 应急维护8 P4 B) R! l/ E5 h/ a
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
. j4 `5 ^0 ?0 d* e% z+ z% X 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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* r8 ]& B/ q$ ~' J1 @( ?& ~8 m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。7 Q6 R5 J% C. _. F/ M* I! ^0 z
3 m4 }6 b1 {: n! C4 N: o 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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+ R- |( t! S- `1 s: b; }+ Y2 ` 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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; Z+ }4 y" t1 J8 l+ ] 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。
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发展及前景' l6 w- s) T' \
4 F6 B$ b1 k) M+ W 目前，海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈，如：
0 l9 U& L) T2 C: _. {) 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 。
1 M* c/ y+ ?0 u1 J! q 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。 J9 m, n9 q( k$ A" `$ H7 g
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 P0 l; `1 k# l8 y2 v
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 。' K8 a" @+ u, l9 C7 V' ?' B
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! n5 {, q. [3 h' y5 v结语; ?5 M+ P2 c9 G' S
! {* `! m5 E' G4 ?) f 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。
! s- M9 ?. Q' m/ L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. ?$ d3 ^9 W' q/ V4 Y
作者 | 杨全武
/ w: u/ l4 t G2 \$ F- f9 o& \' q排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源. c# }% i. \: V8 S
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