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        廣西海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)設(shè)計(jì)與建設(shè)

        2018-01-26 10:25:30李斌劉保良魏春雷
        科技資訊 2018年21期

        李斌 劉保良 魏春雷

        摘 要:作為一種高技術(shù)監(jiān)測手段,海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動監(jiān)測而不受惡劣海況的影響,近年來得到了廣泛的重視和快速發(fā)展,通過在線自動監(jiān)測技術(shù),加強(qiáng)海洋環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控能力。為完善廣西海洋環(huán)境保護(hù)和海洋災(zāi)害應(yīng)急管理工作,不斷提升海洋災(zāi)害應(yīng)急反應(yīng)能力,為了實(shí)時掌握陸源入海物排海情況,更有效地保護(hù)海洋環(huán)境,需要改變傳統(tǒng)的監(jiān)測模式,改用自動化、數(shù)字化的實(shí)時監(jiān)控模式。文中介紹了廣西近岸海域海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和自動監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)。

        關(guān)鍵詞:廣西 在線監(jiān)測 浮標(biāo)

        中圖分類號:P71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2018)07(c)-0066-03

        隨著《廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》逐步實(shí)施,北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)逐步成為中國沿海經(jīng)濟(jì)新高地和發(fā)展新一極,廣西沿海社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入快速發(fā)展階段,然而同時也帶來了一定的環(huán)保壓力。張學(xué)良[1]探討了從浮標(biāo)系統(tǒng)安裝、調(diào)試、考機(jī)、布放、運(yùn)行、檢修、回收的觀測資料接收和數(shù)據(jù)比對及修正值等方面進(jìn)行質(zhì)量管理控制。阮華杰、馬駿等[2]根據(jù)浙江省海洋與漁業(yè)局在臺州大陳海域投放的生態(tài)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)對赤潮暴發(fā)過程中生態(tài)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行了分析。李天深等[3]利用位于廣西北部灣的自動監(jiān)測站,研究球形棕囊藻的赤潮自動監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的差異,起到較好的控制和預(yù)警作用。李鵬等[4]對浮標(biāo)系統(tǒng)在海洋預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)及保障工作中的作用進(jìn)行了探討。生態(tài)在線監(jiān)測浮標(biāo)則能夠全天候獲取各種現(xiàn)場資料,真實(shí)觀測海洋水質(zhì)變化全過程。為完善廣西海洋環(huán)境保護(hù)和海洋災(zāi)害應(yīng)急管理工作,廣西自治區(qū)海洋和漁業(yè)廳通過統(tǒng)籌部署,2013年10月至2015年12月,分3批完成了海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)建設(shè)投放工作,在廣西近岸海域共布設(shè)了16套水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo),具體站位見圖1。

        1 浮標(biāo)工作原理及監(jiān)測參數(shù)

        浮標(biāo)系統(tǒng)通過浮體承載水質(zhì)水文氣象監(jiān)測儀器,系統(tǒng)通過控制器發(fā)送指令監(jiān)測儀器的測量、運(yùn)行、傳輸,利用數(shù)采器實(shí)時采集監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)傳輸,將數(shù)據(jù)回傳到用戶的控制中心,達(dá)到實(shí)時監(jiān)測遙測遙報的目的。浮標(biāo)構(gòu)造見圖2。

        水質(zhì)水文浮標(biāo)監(jiān)測參數(shù)如下:常規(guī)水質(zhì)參數(shù)包括水溫、電導(dǎo)、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素、藍(lán)綠藻共8項(xiàng);氣象參數(shù)包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水;營養(yǎng)鹽參數(shù)包括硝酸鹽、亞硝酸鹽、活性磷酸鹽、氨氮共4項(xiàng);水文參數(shù)包括流速、流向。

        2 浮標(biāo)選型配置

        2.1 浮標(biāo)選型及依據(jù)

        采用美國Endeco/YSI公司的EMM700和EMM2000型浮標(biāo)。Endeco/YSI公司是國際著名的水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)制造商,有超過35年的海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

        2.1.1 EMM型浮體特性

        (1)Surlyn特殊離子聚合泡沫膠浮體,耐受外力強(qiáng)烈碰撞能力極強(qiáng)。不銹鋼支承架,承載水下和水上儀器設(shè)備。(2)密封防水電控室。電器室不銹鋼底部透過穩(wěn)定硾直接與海水接觸,平衡電控室內(nèi)溫度在適當(dāng)?shù)乃剑乐瓜奶鞙囟冗^高損壞設(shè)備。(3)高浮力重量比。(4)雙錨系固定及回收系統(tǒng)。(5)為NOAA(美國國家海洋及大氣局)國家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心及USGC(美國海岸保衛(wèi)隊(duì))航標(biāo)及數(shù)據(jù)浮標(biāo)首選的物料。

        2.1.2 系統(tǒng)配置

        標(biāo)準(zhǔn)Surlyn黃色離子聚合泡沫膠浮體包括:(1)三塊海洋專用太陽能電池板。太陽板上涂有塑料保護(hù)層,耐磨并能抵受嚴(yán)峻的海洋腐蝕性環(huán)境。海洋級水密防水太陽能電池接頭。(2)GPS全球定位系統(tǒng)、100AH蓄電池、海洋級水密GPRS移動電話天線。(3)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器保護(hù)管,利用浮標(biāo)自體防撞性能保護(hù)儀器。(4)營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀置于浮標(biāo)體內(nèi),受到浮體的充分保護(hù),即使大型船只正面沖撞也不會損壞儀器設(shè)備。(5)配套固定及回收系統(tǒng)。(6)航標(biāo)燈標(biāo)與雷達(dá)反射器。(7)YSI公司6600V2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀。(8)Systea公司NPA Plus分體式營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀。(9)CSI公司CR10X型數(shù)據(jù)采集平臺。

        2.1.3 數(shù)據(jù)采集與傳送系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)采集采用美國Campbell Scientific Instrument(CSI)公司的CR10X型測試和控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸通過GPRS調(diào)制解調(diào)器來完成。調(diào)制解調(diào)器直接接駁于CR10X。YSI公司的EcoWatch for Window軟件具有遙控、數(shù)據(jù)采集、處理、統(tǒng)計(jì)、制表、繪圖等功能。

        2.2 儀器選型依據(jù)及性能特點(diǎn)

        pH、溫度、電導(dǎo)率、溶解氧和濁度與葉綠素測量儀采用美國YSI公司6600V2 6型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器,該型號是6600EDS的換代產(chǎn)品。具備三大優(yōu)點(diǎn):(1)將原來的電化學(xué)溶解氧探頭更換為高科技含量的光學(xué)溶解氧探頭;(2)改善pH探頭穩(wěn)定性和延長測量壽命50%;(3)可同時監(jiān)測葉綠素、藍(lán)綠藻、光學(xué)溶解氧和濁度,而原型號只能同時監(jiān)測其中的兩個參數(shù)。

        傳統(tǒng)測量水中的溶解氧含量采用電化學(xué)穩(wěn)態(tài)極化法,金銀電極覆蓋半透膜,只允許水體中的溶解氧透過半透膜與電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),目前全球99%以上的廠家都是采用這種原理生產(chǎn)溶解氧探頭,電化學(xué)穩(wěn)態(tài)極化法有4個弱點(diǎn):(1)測量溶解氧時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),溶解氧被消耗,在電極附近形成缺氧層,測量數(shù)值失真,解決辦法是測量溶解氧時攪拌水體,讓電極表面層溶解氧得到及時補(bǔ)充;(2)測量溶解氧時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),隨著時間推移,電極表面形成氧化膜,探頭性能逐漸下降,零點(diǎn)漂移,嚴(yán)重時探頭失效,必須定期校準(zhǔn)探頭、打磨探頭表面和技術(shù)處理;(3)半透膜有許多溶解氧滲透的微孔,隨著時間推移水中的微小雜質(zhì)、膠狀物會逐漸堵塞微孔,或者水生物和泥沙覆蓋半透膜,阻止了水中溶解氧滲透,電極性能逐漸下降以至失效,必須定期更換;(4)某些化學(xué)物質(zhì)干擾電極,如水中的硫離子會與銀電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),生成極難溶的硫化銀覆蓋在電極表面,致使電極性能下降或失效。

        為了克服電化學(xué)穩(wěn)態(tài)極化法的弱點(diǎn),使用快速脈沖極化法。反應(yīng)強(qiáng)度只有穩(wěn)態(tài)極化法的4%,大大改善了電極性能,測量溶解氧不攪拌水體誤差小于3%,但從本質(zhì)上講仍屬于電化學(xué)方法,不能克服半透膜被堵和硫離子干擾等缺陷?,F(xiàn)在YSI全新技術(shù):光學(xué)溶解氧測量法。該方法不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),不消耗水中溶解氧,不受硫離子等干擾,零點(diǎn)不漂移,探頭運(yùn)行穩(wěn)定,維護(hù)量小,數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好。YSI 6600V2型是為長期水質(zhì)監(jiān)測而設(shè)計(jì)。傳感器前端配有自動清潔刷,使溶解氧、pH、ORP、濁度、葉綠素探頭能抵受長期沾污之影響,探頭保持長期穩(wěn)定。葉綠素采用美國YSI公司的6025型葉綠素探頭,主要依據(jù)是:6025型葉綠素探頭可直安裝在6600V2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器上使用,省掉多添置一臺儀器的成本。葉綠素的傳統(tǒng)測試采用提取分析方法,測試程序耗時,需要有經(jīng)驗(yàn)的分析人員方能確保良好的數(shù)據(jù)及長期的一致性;且不能用于連續(xù)監(jiān)測。YSI公司使用光纖技術(shù),將熒光儀縮小至一個探頭的大小,可直接安裝于YSI多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀,實(shí)現(xiàn)了輕便、操作簡單而經(jīng)濟(jì)的葉綠素監(jiān)測。該探頭基于葉綠素的熒光特性,向水體照射一適當(dāng)波長的光束(約470nm),導(dǎo)致葉綠素釋放出熒光(約670nm),測量發(fā)射的熒光,計(jì)算出葉綠素含量。測試方法簡單,不需要有經(jīng)驗(yàn)的分析人員與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備??捎糜谌~綠素的連續(xù)監(jiān)測,觀察浮游生物生長趨勢。由于測量在水體中直接進(jìn)行,不需傳統(tǒng)的方法把細(xì)胞攪碎,故能真實(shí)反映細(xì)胞中葉綠素在現(xiàn)場條件中的活性表現(xiàn)。由于測試是基于現(xiàn)場結(jié)果,可獲取實(shí)時讀數(shù),對于水體中出現(xiàn)的特殊狀況(如赤潮),可即時做出判斷和決定。

        2.2.1 產(chǎn)品認(rèn)證

        YSI公司于1993年取得ISO9001質(zhì)量認(rèn)證,1999年取得ISO14000環(huán)保認(rèn)證。YSI多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀1998年通過中國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的技術(shù)鑒定,獲頒發(fā)“中華8人民共和國計(jì)量器具形式批準(zhǔn)證書”,證書編號為:98-C211。YSI 6600V2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測量方法符合以下國家或國際標(biāo)準(zhǔn)。水溫:熱敏電阻法;溶解氧:熒光法、酸堿度:GB6920-86(玻璃電極法);電導(dǎo)率:GB6908-86(電計(jì)法);濁度:ISO7027(90度散射法);葉綠素(In Vivo[體內(nèi)―在浮游生物/藻類體內(nèi)]:熒光法)。

        2.2.2 儀器技術(shù)性

        YSI 6600V2儀器自身的記錄存儲器為快閃存儲器,能恒久存貯,直至人為地刪除,不會因斷電而丟失。存儲器的容量為384KB,可存儲15萬個測量數(shù)據(jù)。儀器具有RS-232和SDI-12接口。YSI 6600V2與數(shù)據(jù)采集平臺的連接設(shè)定為SDI-12。SDI-12接口單線多點(diǎn)連接(RS-232為單對單連接),SDI-12除可以用作數(shù)據(jù)傳輸外,同時向儀器供電。 YSI 6600V2通過SDI-12連接,可向數(shù)據(jù)采集平臺直接取電。YSI 6600V2本身帶有電池室,一套8節(jié)的一號堿性電池可提供90d的操作(15min采樣率,25℃工作溫度),可確保在整個監(jiān)測系統(tǒng)完全斷電的情況下不會丟失任何一個數(shù)據(jù),提供雙重保險。YSI 6600V2的測量頻次(間隔)可以設(shè)定為每秒1次至無限長。由于海水的水質(zhì)在短時間內(nèi)變化一般不會太大,故實(shí)際監(jiān)測間隔設(shè)定為每30分鐘1次。

        2.3 營養(yǎng)鹽檢測儀

        選用意大利Systea公司生產(chǎn)的 NPA Plus分體式營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀NPA Plus分體式營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀是NPA Plus的改進(jìn)型,檢測倉和試劑倉分成兩個獨(dú)立倉室。在兩方面改善了營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀的使用性能:(1)原型號營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀裝滿試劑后重達(dá)130斤,在海上操作很不方便,特別在海浪較大時,裝卸儀器幾乎不可能,NPA Plus分體型營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀檢測倉長期固定在浮標(biāo)上,每次只需更換試劑倉,重量只有60多斤,大大減輕操作難度。(2)分體式的試劑倉可以裝載更多的試劑,監(jiān)測周期更長,維護(hù)量減少,維護(hù)效率更高,因此能保持更完整的數(shù)據(jù)采集率。

        3 結(jié)語

        近年來,廣西沿海溢油、赤潮的海洋污染事故時有發(fā)生,且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。廣西近岸海域海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)的布設(shè),能夠?qū)崟r掌握陸源入海物排海情況,做到提前對赤潮、溢油等污染事故的預(yù)警預(yù)報,更有效地保護(hù)海洋環(huán)境,形成覆蓋廣西近岸海域重大潛在污染源的水質(zhì)在線自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),為海洋資源開發(fā)利用、決策與規(guī)劃,為海洋環(huán)境和生態(tài)管理,為科學(xué)研究和環(huán)境評價提供科學(xué)的依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

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