海洋论坛▏海洋水质监测技术存在的问题及展望 -海洋水质调查

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21世纪是海洋的世纪，在陆地生态资源极度紧缺和自然环境不断恶化的形势下，许多国家把经济开发的目光投向了海洋，开采海上油气资源、发展海洋牧场和水产养殖成为沿海国家海洋经济的热门产业。然而，在发展海洋产业创造经济效益的同时，引发了不少环境污染问题。目前，我国近海海域的水产养殖环境日益恶劣，海洋水质环境遭受严重破坏。沿海城市的渔民在近海捕鱼时时常发现赤潮现象，渔民的安全作业受到严重干扰。

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相关资料统计，我国近海区域的水质污染的源头主要来自陆地排放，包括工业废渣、工业废水、化肥农药、石油、重金属和未处理的生活垃圾等。在二十世纪七十年代以前，赤潮现象仅在少部分海域发生，近年来赤潮的出现频率日趋上升，且覆盖面积大，持续周期长，产生的危害加重，对海洋生物的生存环境带来严重威胁，制约了海洋经济的发展。

如果将海洋水质监测技术在沿海城市推广并普及，不仅能避免巨大的经济损失，还可以对海洋环境的发展态势作出预测，及时掌握赤潮等海洋灾害的规律，以便海洋环境部门和渔业部门采取治理决策，也是坚持海陆统筹，建设海洋强国，实施“碧海”行动的要求。

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一、水质监测技术研究现状

水监测技术是环境保护和治理的关键技术之一，对我国开展水资源保护工作的意义非凡。水质监测技术的发展对生态产业的和谐展具有强大的促进作用。二十世纪初期，国外开始着手研究水质监测技术，受当时技术和设备条件的限制，研究进展缓慢。进入二十世纪六十年代后，随着电化学分析法在水质传感器中的应用，水质监测技术发展迅速，如ChenDY等研制出可监测酸碱度的智能型传感器。二十世纪七十年代左右，欧美国家最先掌握了水质自动监测技术，研制出许多便携式监测设备，但是受当时条件的限制，其精确度不高。二十世纪中后期，浊度、温度等多种连续性水质监测设备不断诞生，监测的时效性和准确性也增强，基本达到了实时监测的要求，如OrricoCM等人研制的生物传感器，可对浑浊度、温度和盐度等多种水质参数监测。

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二十世纪的后期，随着新型半导体技术的涌现，研发出大量高性能的水质传感器，并且被推广应用到环境监测水域。目前，欧美等国家一直保持有许多著名的水质传感器厂商，如奥利龙、哈希和YSI公司、WTW公司、METROM公司。

二十一世纪初期，随着物联网和无线通信技术的大量发展，研究人员逐渐开始研究无线水质自动监测技术，水质监测技术步入了新的台阶。我国开始对水质监测开展研究的时间比欧美国家晚，但是成果颇丰且发展迅速。

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二十世纪时，我国的水质监测的设备主要依赖国外的进口，随后我国逐渐加大对水质监测技术的重视，水质传感器的研发立即增多并诞生了许多生产传感器的厂家。进入二十一世纪后，随着我国信息化技术的不断提升，水质传感器的种类和性能均得到显著提升，水质监测能力不断增强，许多国产的水质监测系统在近海水域和湖库水域投入使用。虽然近年来我国的水质监测技术取得了很大的进步，但与欧美国家的监测水平相比还是存在差距，主要表现在仪器体积庞大、监测的精度和实时性较低，可靠性和创新能力有待加强。

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二、近海海洋水质监测方法

对于近海海洋水质的监测方法，传统的方法是人工采样监测，即通过驾驶船舶到达指定的目标点进行水质采样并带回陆地上的实验室进行分析和处理。这种人工方法受制于复杂的气象条件和海况环境，工作效率较低，不仅存在从业人员危险系数高，而且还要面对实时性差、监测水域有限等问题，监测的效率较低，需要配备大量工作人员和大量的设备，而且不能保证监测数据的实时性，也无法反映采样点水质环境的动态变化过程。

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随着海洋工程技术和物联网技术的迅速发展，我国对近海海域水质监测的技术主要包括浮标监测、卫星监测、机载监测和无人船监测。

⒈浮标监测

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通过物联网技术和智能传感器技术对近海水域中的水质和海流等参数的实时监测，可为海洋水质环境和水动力特性的研究提供数据支撑。在选取的监测点上安装锚泊式浮标系统，搭载各种参数的传感器，浮标平台上的仪器设备不仅可以定点投放还能通过垂直升降系统进行移动，进而实现在海水中分层监测。如图1所示，浮标监测系统集成了供电系统和数据采集与传输系统，依托GPRS/北斗卫星将监测的水质数据实时传输到陆地管理站，该系统还具备安全保护和自检功能，以确保水质监测能够在无人值班的模式下稳定运行。浮标监测方法的优点在于高度自动化，监测连续，无需耗费人力和物力，维护管理方便。缺点在于浮标只能布放在固定的监测位置，只能实现对小尺度海域的水质监测，台风环境下表层的设备可能遭受破坏。

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图1 近海水质浮标监测系统

⒉卫星监测

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卫星监测是近年来较热门的新型海洋水质监测方法，与浮标监测技术相比具有监测速度快、监测连续、监测范围广的优点。该方法是研究海上赤潮发生时间、覆盖面积、扩散程度和方向以及发生规律的有效手段。自然界中的全部物质都具有光谱特征，不同物质的光谱特性不同，光谱的差异与物质的差异呈正相关。海洋水质遥感监测的原理是根据纯净水体和其他水体具有不同的光谱特性，在卫星上搭载传感器接收一定波长范围内的辐射值，分析水质参数对特定波长的光的吸收和散射情况，结合光谱和水质参数浓度的数学关系，最终反演出各种水质参数的浓度值。如图2所示，卫星遥感监测时卫星上的传感器接收到三部分的太阳辐射：⑴水面反射后的辐射；⑵大气散射后的辐射；⑶太阳光进入海水后散射和反射的辐射。

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图2 卫星遥感监测原理

⒊机载监测

机载监测是采用直升机等航空工具作为传感器的搭载工具在空中对水质进行遥感监测的手段。机载监测具有监测灵敏准确和分辨率高等优势，在水质监测的应用方面发展迅速。由于空中监测更加机动和灵活，故这种方法适合大面积巡检和重点区域的挖掘。机载监测可以灵活搭载微波、红外、紫外、激光雷达等各种类型的传感器，及时获取海域的水质信息，现已广泛应用在海洋环境监测中。当前，无人机作为机载监测发展的新方向，这种手段性能可靠，还可搭载多种高分辨率探测设备，具备高机动性、低成本的优势，已在近海海洋水质监测和海岸线监测等领域投入使用，未来将在近海海洋灾害应急监测中凸显巨大作用。

⒋无人船监测

无人船监测是将水质监测系统搭载到无人船上并借助无线通信技术将监测结果实时传回到陆上基站的可移动式监测方法。

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图3 无人船水质监测系统

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三、海洋水质监测技术存在的问题及展望

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在当前海洋水质监测技术的研究和应用中，虽然监测的技术突飞猛进，但是还存在一些问题与不足之处：

⑴在海洋水质监测系统中，由于需要监测的指标过多，需要通过不同类型不同功能的多种设备才能实现整个系统的监测工作，设备不同所具备的参数、原理、技术、费用、性能、维护、检修等都存在很大的差异，不仅为工作人员带来极大的工作压力，设备使用方面也较为繁杂，无法实现统一化。若想实现对水质的高效监测和管理，需要保证诸多设备的运行稳定性，并要求定期对监测设备进行保养与维护。

⑵由于监测设备的频繁更换与性能的不同，对监测的水质数据会产生一定程度的影响，且不同时间段监测到的数据未统一处理就接入监测系统，导致监测的数据零散，最终无法感知到水质参数的浓度。

⑶应用卫星遥感监测海水时其空间分辨率较低、观测重复周期过长，且仅对有色物质浓度的变化监测，存在无法监测的水体。同时遥感水质反演模型的时空移植性差，对水质监测结果的准确性造成一定影响。

⑷目前市面上主流的海洋水质监测系统大多只注重水质数据的监测，忽略了数据的属性情况和海量数据中有效信息的挖掘。

海洋水质监测技术的研究是保护海洋环境、防止海洋污染的一个重要课题，未来的研究将主要在以下几方面重点突破：

⑴海洋监测方法和数据处理技术正朝着综合化和可视化的方向发展，在传感器和通信设备日益成熟和稳定的条件下，与之相适应的海洋信息数据处理、融合和监管等方面的软件将逐步兴起。

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⑵物联网产业的迅猛发展，使信息的共享变得越来越便捷，xml技术、GIS技术、云计算服务等先进技术的应用将推动海洋信息数据的交换与共享，而且使共享的速度和内容飞跃提升。

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⑶随着水面和水下组网传输技术的应用，高精度的水质监测传感器将逐步涌现，海洋水质监测设备将向微型和智能化方向发展。

⑷随着人工智能技术的迅猛发展，大数据挖掘技术将在水质监测领域逐步普及。针对海量的水质监测数据进行分析和挖掘，可提升水质监测的快速性和准确性，也便于无人监守的实施，并对可海洋水质污染问题作出实时预警和治理决策。

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四、结论

本文总结了近年来国内外水质监测技术的特点和应用，探讨和分析了近海海域水质监测的方法，指出了近海水质自动监测存在的问题，并对近海海洋水质监测的发展提出展望。随着海洋环境保护工作的大力实施，近海水域的水质监测要求也将越来越严格，为了使海洋水质监测工作更加的高效和准确，应当继续扩充监测的指标，拓宽监测的海域，完善水质监测体系，充分发挥人工智能和数据挖掘技术的优势。

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【作者简介】文/李凯 欧阳杰铭 李海龙，来自广东海洋大学海运学院。文章来自《轻工科技》（2022年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归期刊及作者所有。

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