水質(zhì)浮標在赤潮快速監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究＊

李忠強，王傳旭，卜志國，姜希波，曲 亮

（1.青島科技大學(xué) 青島 266061；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；3.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室 青島 266033）

水質(zhì)浮標在赤潮快速監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究＊

李忠強1，2，3，王傳旭1，卜志國2，3，姜希波2，3，曲 亮2，3

（1.青島科技大學(xué) 青島 266061；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；3.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室 青島 266033）

水質(zhì)浮標監(jiān)測作為一種在線監(jiān)測技術(shù)，在海洋環(huán)境監(jiān)測中具有重要作用。文章研究和探討了浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成和建設(shè)，介紹了水質(zhì)浮標在“863”項目“赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”和青島奧帆賽場的實際應(yīng)用情況，水質(zhì)浮標在赤潮快速監(jiān)測預(yù)警方面發(fā)揮了較好的作用，可進一步推廣應(yīng)用。

水質(zhì)浮標；在線監(jiān)測；快速監(jiān)測預(yù)警

1 概況

1.1 赤潮監(jiān)測預(yù)警技術(shù)概況

目前我國赤潮的監(jiān)測主要依靠常規(guī)船舶監(jiān)測，同時輔助航空和衛(wèi)星遙感監(jiān)測。常規(guī)船舶監(jiān)測主要是現(xiàn)場人工取樣、實驗室分析，常規(guī)船舶既可以獲取理化（水溫、pH值、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硝酸鹽、葉綠素、微量金屬鐵和錳等）、氣象（風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和氣壓）和海況（風(fēng)浪和潮汐等）等各種環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)，亦可以獲得赤潮生物監(jiān)測，還可以進行赤潮毒素分析。赤潮預(yù)警預(yù)報可利用常規(guī)船舶監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析赤潮影響因子的變化和異常狀況，以進行赤潮的預(yù)警預(yù)報。

遙感監(jiān)測主要是利用衛(wèi)星遙感、航空遙感監(jiān)測獲取遙感影像數(shù)據(jù)，然后進行遙感影像解譯，提取赤潮的相關(guān)信息。通過對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理提取監(jiān)測海域的衛(wèi)星圖像，同時提取海上試驗同步參數(shù)，包括：海表溫度SST、海表溫度梯度、NDVI、浮游植物細胞密度和葉綠素a等。航空遙感數(shù)據(jù)主要是獲得赤潮高光譜數(shù)據(jù)、微波輻射計數(shù)據(jù)、可見攝錄像照相數(shù)據(jù)及赤潮的分布范圍等。

海洋資料浮標是世界各國海洋環(huán)境監(jiān)測與海洋災(zāi)害預(yù)報的主要手段之一，它具有全天候、長期連續(xù)、定點進行監(jiān)測的特點，是其他海洋監(jiān)測手段無法替代的［1］。我國經(jīng)過不斷的研究與提高，海洋監(jiān)測浮標技術(shù)不斷發(fā)展，浮標在線監(jiān)測技術(shù)逐漸應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測中，為海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報提供在線連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 浮標在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展概況

20世紀90年代以來，國外海洋水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，逐漸從試驗、試用階段進入準業(yè)務(wù)運行階段。這些水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)以水質(zhì)監(jiān)測浮標的形式出現(xiàn)，少數(shù)以岸基水質(zhì)監(jiān)測站的形式出現(xiàn)［2］。水質(zhì)浮標監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了海洋水質(zhì)的在線、連續(xù)自動監(jiān)測，為赤潮的快速監(jiān)測預(yù)警提供了基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

我國也積極加強浮標在線監(jiān)測技術(shù)的研究，把生態(tài)水質(zhì)浮標的研制列入“十五”“863”計劃，并開展了生態(tài)水質(zhì)浮標監(jiān)測在赤潮快速監(jiān)測預(yù)警方面的應(yīng)用研究。生態(tài)水質(zhì)浮標在赤潮監(jiān)測預(yù)警中可提供實時、連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行浮標數(shù)據(jù)的分析，獲取赤潮影響因子的變化和異常狀況，以此進行赤潮的預(yù)警預(yù)測。浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)赤潮的快速、自動、連續(xù)在線監(jiān)測，是赤潮監(jiān)測預(yù)警中較好的有效監(jiān)測手段［3］。

2 水質(zhì)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 浮標組成結(jié)構(gòu)

水質(zhì)浮標的主體主要由浮標體、水質(zhì)參數(shù)傳感器、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，水質(zhì)浮標集成了傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、通信技術(shù)以及定位技術(shù)等高新技術(shù)。浮標體主要提供各子系統(tǒng)的搭載平臺，保障系統(tǒng)的正常運行；水質(zhì)參數(shù)傳感器是浮標監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要是利用傳感器技術(shù)進行水質(zhì)參數(shù)指標的測定，獲取水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)；供電系統(tǒng)主要為浮標監(jiān)測系統(tǒng)的電子儀器進行供電，保障儀器的正常運行，目前浮標電源系統(tǒng)主要是用太陽能板給蓄電池補充能源；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要集中采集和存儲各水質(zhì)參數(shù)傳感器測定的數(shù)據(jù)；GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)浮標位置信息的獲取和浮標的遠程監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時自動發(fā)送［4］。

2.2 浮標工作模式

水質(zhì)浮標工作模式一般是采用間歇式工作方式，用戶根據(jù)需要設(shè)定工作時間或者間隔時間。休眠工作時段傳感器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)等部分斷電休眠，只有值班電路工作；休眠結(jié)束時，系統(tǒng)給傳感器進行供電初始化，進入工作時段，水質(zhì)傳感器進行水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和存儲，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)定時把數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，系統(tǒng)斷電進入休眠時段。

2.3 浮標數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

浮標數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高，一般延時小于1min；浮標監(jiān)測系統(tǒng)一般布設(shè)于遠離陸地的近岸海域，因此浮標的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要采用無線通信方式，目前應(yīng)用較多的通信方式有：GSM、CDMA和GPRS通信方式、Inmarsat C通信方式［5］。

GSM、CDMA和GPRS通信方式，主要是利用移動通信公司的移動通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)以SMS短信息的方式進行發(fā)送。此方式靈活，性能可靠，成本較低，實時性較好，不受時間限制可連續(xù)工作。但該方式受移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的限制，只適合移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)的近岸海域，使用范圍受限［5］。

Inmarsat C通信方式主要是利用國家海事衛(wèi)星組織管理的Inmarsat系統(tǒng)提供的全球海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用信息存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式進行通信。此方式覆蓋范圍廣（覆蓋了世界大部分海洋），實用性強，穩(wěn)定性和可靠性高，實時性好，設(shè)備較小，但通信成本較高。

3 浮標監(jiān)測在赤潮監(jiān)測預(yù)警的應(yīng)用

赤潮暴發(fā)前往往會出現(xiàn)一些前兆，如水質(zhì)參數(shù)指標（pH值、溶解氧、葉綠素a等）異常變化，因此可以分析相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)指標，判斷是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，據(jù)此進行赤潮的發(fā)生情況的判斷，進行預(yù)警預(yù)報［6］。

國內(nèi)外專家研究表明，赤潮在暴發(fā)和形成中溶解氧、pH值、葉綠素和濁度等會出現(xiàn)異常變化。在赤潮暴發(fā)前，隨著浮游藻類的增多，溶解氧往往會突變?yōu)楦哂谡Ｆ骄?，赤潮形成后浮游生物會大量消耗溶解氧致使溶解氧迅速下降；正常海水的pH值一般在7～8之間，但在赤潮暴發(fā)伊始，水中增多的游離氧和溶解氧與氫離子結(jié)合成水分子，碳酸氫根作為碳源和其他營養(yǎng)鹽一起被藻類生物所消耗，成為快速繁殖藻類的含碳化合物及其他化合物，水中的酸度就會下降［2］，致使pH值上升；赤潮發(fā)生和形成之后，其結(jié)果表現(xiàn)為有害藻類暴發(fā)性繁殖（亦稱水華現(xiàn)象），它們具有多種色素，葉綠素是最重要的色素，因此赤潮發(fā)生時由于藻類的聚集和漂移致使葉綠素出現(xiàn)較大波動現(xiàn)象；這些異常變化現(xiàn)象都可作為赤潮暴發(fā)的重要依據(jù)［7］。

目前水質(zhì)浮標監(jiān)測的主要項目有：水溫、pH值、溶解氧、葉綠素a、濁度、鹽度、深度以及電源電壓和電導(dǎo)率等。水質(zhì)監(jiān)測浮標可實時獲取監(jiān)測海域的水質(zhì)參數(shù)指標，因此水質(zhì)浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析結(jié)果可作為赤潮預(yù)警預(yù)報的重要依據(jù)。浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可利用專門數(shù)據(jù)分析軟件進行分析，也可以開發(fā)浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析應(yīng)用系統(tǒng)，集浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、處理、分析于一體，同時可監(jiān)控浮標運行狀況。

4 應(yīng)用實例

4.1 國家“863計劃”課題“赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”

“赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”是在渤海灣赤潮監(jiān)控區(qū)建立了一個由浮標定點監(jiān)測、船載快速監(jiān)測、航空遙感監(jiān)測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測構(gòu)成的赤潮監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，研究了赤潮預(yù)警技術(shù)，對赤潮監(jiān)控區(qū)進行預(yù)警，開展了赤潮監(jiān)測預(yù)警試運行。項目建立了赤潮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可實現(xiàn)浮標數(shù)據(jù)實時接收、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析。

分析人員利用赤潮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)分析2006年8月初的浮標在線監(jiān)測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，溶解氧出現(xiàn)增加的趨勢，出現(xiàn)了pH值增加、葉綠素有較大波動的異?，F(xiàn)象，分析人員再分析船載快速監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)浮游生物量出現(xiàn)突增的異常現(xiàn)象，尤其是夜光藻。分析人員判斷赤潮暴發(fā)的可能性極大，發(fā)布了赤潮預(yù)警。果然在8月7日出現(xiàn)赤潮，8—9日到達高潮，10—11日赤潮開始消亡。

4.2 青島奧帆賽場“赤潮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”

2008年奧帆賽在青島舉行，為了避免赤潮的發(fā)生造成影響，國家海洋局開展了赤潮監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究，在青島奧帆賽場建立了以船載監(jiān)測、浮標監(jiān)測、遙感監(jiān)測組成的赤潮監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，開展赤潮監(jiān)測、數(shù)據(jù)在線分析，進行赤潮預(yù)警預(yù)報，防治赤潮的暴發(fā)。

2008年8月上旬，赤潮分析人員在利用赤潮預(yù)警系統(tǒng)分析浮標在線監(jiān)測數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)溶解氧、葉綠素、pH值出現(xiàn)異常波動。溶解氧先是突增，然后有突然降低；葉綠素也出現(xiàn)突增現(xiàn)象，波動加大；pH值則由7～8變至8以上，水的酸度下降。

赤潮分析人員同時對常規(guī)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，營養(yǎng)鹽也出現(xiàn)增加的趨勢，浮游植物密度也出現(xiàn)突增的異常波動。赤潮分析人員分析海水富營養(yǎng)化程度，發(fā)現(xiàn)2008年7月底至8月初比賽海區(qū)海水水質(zhì)富營養(yǎng)化程度較高，超過富營養(yǎng)化閾值指標。分析人員結(jié)合赤潮預(yù)警模型進行計算預(yù)測，發(fā)現(xiàn)赤潮發(fā)生的可能性較大，于是發(fā)布了赤潮預(yù)警預(yù)報，啟動了赤潮應(yīng)急系統(tǒng)，緊急進行赤潮消除和防治。

5 結(jié)論

赤潮是全球性的海洋災(zāi)害之一，赤潮的預(yù)報預(yù)警一直是研究的熱點，赤潮的預(yù)報預(yù)警的關(guān)鍵是能夠及時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展赤潮的預(yù)警預(yù)報。浮標監(jiān)測可獲取實時、連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利于監(jiān)測海域的環(huán)境質(zhì)量狀況趨勢性分析，可實現(xiàn)監(jiān)測海域的遠程在線實時監(jiān)控，為赤潮的預(yù)警預(yù)報提供可靠在線連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。浮標監(jiān)測在赤潮快速監(jiān)測預(yù)警中將發(fā)揮重要作用，發(fā)展前景較好，可進一步開展赤潮的浮標在線監(jiān)測技術(shù)研究工作，發(fā)揮浮標監(jiān)測的作用。

［1］ 王軍成 .國內(nèi)外海洋資料浮標技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.海洋技術(shù)，1998，17（1）：11－13.

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［3］ 山東儀器儀表研究所 .十一五國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題《定點連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)實施方案》［R］.2008.

［4］ 陳芙蓉 .生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測浮標在赤潮監(jiān)測中應(yīng)用［C］∥高振會，趙冬至，崔文林 .赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)論文集 .北京：海洋出版社，2008：159－162.

［5］ 李忠強 .赤潮監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［C］∥高振會，趙冬至，崔文林 .赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)論文集 .北京：海洋出版社，2008：78－80.

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赤潮重點監(jiān)控區(qū)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)（2005AA635200）.