寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

趙賓峰，馮輝強，林桂芳，甘付兵

（寧波市海洋與漁業(yè)信息監(jiān)測中心寧波市315010）

寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

趙賓峰，馮輝強，林桂芳，甘付兵

（寧波市海洋與漁業(yè)信息監(jiān)測中心寧波市315010）

海洋環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)海洋環(huán)境立體監(jiān)測的重要組成部分。本文通過介紹寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)的構建、運行及應用，討論了在線監(jiān)測系統(tǒng)項目的建設意義及社會經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)為決策者整體把握寧波市海洋環(huán)境監(jiān)測信息提供了高效一體化的手段，為社會公眾提供了準確有效的海洋生態(tài)環(huán)境狀況信息服務。

在線監(jiān)測；浮標；災害預警

1 項目背景

寧波市是海洋大市，擁有海域面積約9 758平方公里，大陸海岸線和海島岸線長達1 562公里，海洋資源豐富，深水港口岸線、漁業(yè)生物、濱海旅游等資源在全國均屬領先地位。然而隨著寧波沿海地區(qū)經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口的快速增長，海洋空間資源被大幅開發(fā)利用，大量污染物排入海洋，由此引發(fā)了水質(zhì)惡化、海洋功能區(qū)受損、赤潮等環(huán)境災害頻發(fā)等一系列問題，對沿海地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全造成了一定的威脅。

2 系統(tǒng)建設

寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設從2008年開始啟動，2009年6月在象山港海域建成全省第一座全天候、不間斷，集海洋水質(zhì)、水文、氣象于一體的岸基海洋自動監(jiān)測站（大礁島自動監(jiān)測站）。該自動站的正式啟用，對補充象山港海域生態(tài)環(huán)境資料和開展象山港赤潮監(jiān)測預報提供了強大的技術支持。2010年開始在象山港海域開展浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設。2011年12月31日在象山港海域投放了寧波市第一個近岸海域在線監(jiān)測浮標（強蛟生態(tài)浮標），安裝有氣象、水質(zhì)多參數(shù)、營養(yǎng)鹽等監(jiān)測設備，對象山港海域海洋環(huán)境進行連續(xù)不間斷的海洋水文、水質(zhì)與氣象的監(jiān)測。該浮標的順利投放，標志著寧波近岸海域浮標水質(zhì)在線自動監(jiān)測建設正式展開，為全市近岸海域浮標建設項目提供了有益的經(jīng)驗。2012年開始在強蛟生態(tài)浮標的基礎上，正式啟動了寧波市近岸海域?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的建設項目，在3年內(nèi)基本建成了能覆蓋寧波市近岸海域的在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，獲取水文、氣象、水質(zhì)、營養(yǎng)鹽等參數(shù)（表1）。截至2015年12月，寧波市已經(jīng)建成覆蓋赤潮高發(fā)區(qū)、增養(yǎng)殖區(qū)、濱海旅游區(qū)、海洋保護區(qū)等海洋環(huán)境敏感區(qū)域的全方位近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）。

系統(tǒng)包括海上自動監(jiān)測浮標系統(tǒng)、岸基自動站、數(shù)字化監(jiān)控平臺、實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)等部分。其中海上自動監(jiān)測浮標10個，岸基自動監(jiān)測站2套，數(shù)字化監(jiān)控分析平臺3套，岸基視頻系統(tǒng)1套及實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)等。

圖1 寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)

表1 寧波市在線監(jiān)測浮標

2.1浮標

目前，建設完成并正常運行的生態(tài)浮標有5套，波浪浮標3套，油類專項浮標1套，海濱浮標1套。投入運行后各套浮標系統(tǒng)運行穩(wěn)定，錨系牢固，GPS定位系統(tǒng)能準確顯示浮標布放點位置變化，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。監(jiān)測參數(shù)覆蓋了氣象、水質(zhì)、營養(yǎng)鹽、碳氫化合物以及波浪等參數(shù)（圖2-圖4）。

2.2岸基自動站

岸基自動站共有兩套，分別位于象山港港口部的大礁島自動站和杭州灣海域的杭州灣水文氣象自動站（表2）。監(jiān)測參數(shù)包括氣象、溫鹽及潮位等。

表2 岸基自動站

圖2 寧波市在線監(jiān)測浮標地理位置

圖3 生態(tài)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)

圖4 波浪浮標及專項浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.3監(jiān)控平臺

寧波市海洋在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控分析平臺設計為市、縣兩級平臺建設，用以實現(xiàn)對全市已投放的浮標及岸基自動站在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、分析。其中市級監(jiān)控分析平臺2個，縣級平臺1個（表3）。

為規(guī)范寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化監(jiān)控平臺業(yè)務化運行管理，確保實時監(jiān)測數(shù)據(jù)正常接收、顯示，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，中心制訂了寧波市浮標監(jiān)控平臺管理規(guī)定。浮標監(jiān)控值班由專人負責，每日對浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并作記錄，值班過程中如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移過大、數(shù)據(jù)大量缺失及浮標移位等異常情況，按照規(guī)定啟動應急處理，并通報系統(tǒng)集成商等相關單位。

2.4室外LED大屏數(shù)據(jù)實時發(fā)布系統(tǒng)

室外LED大屏數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)建設在象山石浦，實時發(fā)布海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)及預警信息以及有關海洋漁業(yè)的各項重要法律、法規(guī)、政策、公告、重要通知等。我中心根據(jù)《室外LED大型岸基視頻系統(tǒng)管理使用規(guī)定》，明確了管理職責，規(guī)范使用LED大屏信息發(fā)布系統(tǒng)，確保信息發(fā)布的暢通、有序、規(guī)范。

2.5實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)

寧波市實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)分生態(tài)浮標在線監(jiān)控系統(tǒng)、波浪浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)和專項浮標在線監(jiān)控系統(tǒng)（表4）。實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、診斷、數(shù)據(jù)采集、短信報警、數(shù)理統(tǒng)計、各類圖報表生成等功能。

表3 寧波市數(shù)字化監(jiān)控平臺

表4 實時監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)

通過監(jiān)控軟件中短信臨界值功能模塊的設置，實現(xiàn)實時監(jiān)控系統(tǒng)各項異常情況，包括電源故障、內(nèi)艙進水、數(shù)據(jù)異常、浮標移位等，并通過短信向有關人員發(fā)送報警信息。在監(jiān)控軟件的預警信息功能模塊里能查詢到歷史信息，分類分時段查詢報警數(shù)據(jù)。同時，軟件具備權限管理、角色管理等功能，提供了嚴密的授權機制，保障系統(tǒng)安全運行。

3 運行維護

3.1有效數(shù)據(jù)接收率

有效數(shù)據(jù)接收率=有效數(shù)據(jù)接收數(shù)/應接收數(shù)×100%。有效數(shù)據(jù)接收數(shù)為剔除無物理意義的異常值所得到的數(shù)據(jù)量。應接收數(shù)根據(jù)采樣周期進行計算，減去設備維護、維修后得到的數(shù)據(jù)量。具體統(tǒng)計結(jié)果如圖5-圖8所示：

經(jīng)統(tǒng)計，寧波市近岸海域浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)接收率達到93%，網(wǎng)絡連接率為97%，高于項目總體方案中設定的目標值要求。

3.2數(shù)據(jù)比對

在線監(jiān)測數(shù)據(jù)比對是保證數(shù)據(jù)可靠性和準確性的有效手段。自2012年第一個生態(tài)浮標投放以來，我市嚴格按照年度比對工作方案及實驗室質(zhì)量控制計劃穩(wěn)步推進數(shù)據(jù)比對工作。共組織實施浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)的比對試驗及驗證63個航次，參與比對的浮標包括生態(tài)浮標、海濱浮標和油類專項浮標。比對參數(shù)包括表層水溫、鹽度、pH值、營養(yǎng)鹽、氣象和碳氫化合物等15項參數(shù)，共獲取數(shù)據(jù)3 000余組。

圖5 多參數(shù)水質(zhì)有效數(shù)據(jù)接收率

圖6 氣象有效數(shù)據(jù)接收率

圖7 營養(yǎng)鹽有效數(shù)據(jù)接收率

圖8 磷酸鹽有效數(shù)據(jù)接收率

3.3系統(tǒng)維護

浮標系統(tǒng)及傳感器長期受惡劣的海洋環(huán)境影響，其測量精度會產(chǎn)生一定的漂移，影響了其測量參數(shù)的準確性，因此需要增加浮標及其傳感器的維護頻率，在更換試劑和檢測器后均應對準確度、精密度和標準曲線進行核查，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量[1]。

維護的主要工作內(nèi)容包括對浮標系統(tǒng)進行系統(tǒng)檢查和維護、浮標體生物附著物清理和傳感器檢修校準、更換試劑等。

通過長期的維護工作，可以發(fā)現(xiàn)在整個系統(tǒng)中，故障率較高的為多參數(shù)水質(zhì)傳感器，營養(yǎng)鹽傳感器和電源部分，分別占比19%、17%和14%（圖9）。多參數(shù)水質(zhì)傳感器和營養(yǎng)鹽傳感器的故障主要體現(xiàn)為長時間數(shù)據(jù)異常、漏傳、中斷等，而電源的故障主要是由于太陽能電板的損壞及老化所造成的。

圖9 故障率統(tǒng)計

4 成果應用

項目建設以來，寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取了大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。如何科學有效地應用這些海量數(shù)據(jù)自然成為我市海洋環(huán)境工作的一個重點和難點。近幾年，山東、廣西、海南、浙江、廣東、河北等沿海省份陸續(xù)在所轄海域投放了水質(zhì)在線監(jiān)測浮標[2]，對其監(jiān)測資料的應用也進行了一些研究。寧波市也一直在探索在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的開發(fā)與成果應用，目前初步應用于海洋環(huán)境敏感區(qū)域海水狀況通報、赤潮等災害預警以及為養(yǎng)殖業(yè)漁業(yè)提供及時有效的信息服務等方面。

4.1浮標數(shù)據(jù)周報

根據(jù)市海洋監(jiān)測工作方案的要求，開展重點港灣及保護區(qū)等敏感海域的數(shù)據(jù)通報，分析3個監(jiān)測區(qū)域水質(zhì)狀況，編制浮標數(shù)據(jù)周報，并發(fā)布到寧波市海洋與漁業(yè)局網(wǎng)站上。

4.2 LED室外大屏實時數(shù)據(jù)發(fā)布

室外LED大屏是發(fā)布實時海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)及預警信息，宣傳相關政策法規(guī)最直接最便捷的窗口。通過室外LED屏信息發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布了浮標在線監(jiān)測8時、12時、16時整點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，覆蓋了6個監(jiān)測海域及5項監(jiān)測指標（水溫、pH值、鹽度、溶解氧和葉綠素），同時還發(fā)布海浪潮汐預報與天氣預報等其他信息。

4.3災害預警

災害預警和預報是寧波市近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能之一，其不間斷連續(xù)實時監(jiān)測功能在赤潮等災害應急監(jiān)測方面發(fā)揮了重要的作用，在一定程度上可以代替人工監(jiān)測。

2014年菲特臺風過境期間，漁山和南韭山海域的波浪浮標為我市海洋預報提供了強大的數(shù)據(jù)技術支撐。2014年三門灣海域和漁山島海域生態(tài)浮標投放后，為該海域漁業(yè)養(yǎng)殖用戶提供了現(xiàn)場水溫和溶解氧等指標測試服務。2015年4月和2016年5月，漁山生態(tài)浮標在第一時間監(jiān)測到該海域水質(zhì)指標（葉綠素、pH值與溶解氧）的異常波動（圖10），經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測取樣后驗證赤潮發(fā)生。赤潮暴發(fā)前往往會出現(xiàn)一定的征兆，因此可以分析相應的水質(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，進行預警預報[3]。

圖10 漁山赤潮期間水質(zhì)關鍵指標變化

綜上所述，寧波市近岸海域在線監(jiān)測系統(tǒng)能及時準確地掌握海洋突發(fā)事件的第一手資料，并能全程監(jiān)視整個事件的發(fā)展過程。從而為災害預警預報、災害調(diào)查評估、應急決策等提供科學依據(jù)。

5 結(jié)語

寧波市近岸海域環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)建設實現(xiàn)了海洋環(huán)境監(jiān)測由瞬時監(jiān)測向過程監(jiān)測，由定期監(jiān)測到動態(tài)監(jiān)測的跨越，實現(xiàn)了海洋環(huán)境評價由定性評價到定量評價，由現(xiàn)狀描述到趨勢評價與預測的轉(zhuǎn)變。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)長期、連續(xù)、準確的監(jiān)測資料，可以及時準確地預測、預報海洋災害和海洋環(huán)境質(zhì)量變化和發(fā)展趨勢。為省、市、縣級政府制定海洋環(huán)境保護規(guī)劃、防災減災決策提供依據(jù)，為改善和恢復寧波近岸海域海洋生態(tài)環(huán)境，促進海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐；同時，長期積累的宏量監(jiān)測數(shù)據(jù)，也將為今后海洋環(huán)境大尺度的時空變動研究提供寶貴的資源；項目建設具有顯著的社會生態(tài)效益。

海上運輸、濱海旅游、海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等海洋經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)對海洋環(huán)境有很強的依賴性，準確的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和預報將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。海上在線監(jiān)測系統(tǒng)能多介質(zhì)及時展示海洋環(huán)境要素動態(tài)變化，具有預測、預報其發(fā)展趨勢和預警并加快處理突發(fā)事件等優(yōu)勢。利用實時、長期的監(jiān)測資料，不僅可以及時掌握和了解海洋資源的變化狀況，更好地開發(fā)利用海洋資源，有效避免和降低因為溢油、赤潮等海洋災害對海洋生態(tài)環(huán)境的污染和海洋功能的損害，進而改善海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還可以為海上運輸、漁業(yè)生產(chǎn)、海水養(yǎng)殖和濱海旅游等海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供及時、有效的服務，促進海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

6 意見與建議

寧波近岸海域海況復雜，海水濁度普遍較高，高濁度會造成浮標過濾系統(tǒng)的效率低下，甚至堵塞，影響了營養(yǎng)鹽傳感器和磷酸鹽傳感器的正常使用，數(shù)據(jù)的準確度和精確度也在一定程度上受到高濁度的影響。我中心協(xié)同系統(tǒng)集成商對傳感器進行了多次清洗，對海水過濾裝置也進行了改進，起到了一定的效果，但是由于技術條件和現(xiàn)場環(huán)境的限制，效果還未達到預期要求。另外，由于系統(tǒng)運行多年，部分傳感器及配件的故障率與前幾年相比有明顯增加。這些因素在一定程度上影響了在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和準確度，也加大了維護成本。多參數(shù)水質(zhì)、營養(yǎng)鹽以及碳氫化合物等傳感器都為國外進口，維護成本高、維修周期長，開展業(yè)務化推廣應用困難較多。因此，迫切需要加強營養(yǎng)鹽海水過濾設備以及海洋監(jiān)測傳感器國產(chǎn)化的技術攻關[2]。

在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評價技術上缺乏技術保障和支撐，系統(tǒng)運行以來，產(chǎn)生了大量的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何判斷這些海量數(shù)據(jù)的有效性和準確性，是監(jiān)測信息發(fā)布系統(tǒng)的基礎，也是今后工作的難點和重點。今后需進一步加強在線監(jiān)測數(shù)據(jù)評價準則的研究，建立數(shù)據(jù)量值溯源方法。

我市對在線數(shù)據(jù)成果應用進行了一些探索和應用。但是數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品的制作和發(fā)布還是不夠豐富。目前，制作的數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要有浮標數(shù)據(jù)周報和LED實時數(shù)據(jù)大屏發(fā)布系統(tǒng)，應用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對赤潮進行預警也起到了一定的作用。今后，要進一步豐富數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品和成果的種類和內(nèi)容，特別是將在線監(jiān)測系統(tǒng)應用于漁業(yè)養(yǎng)殖中，結(jié)合遠程控制等技術，有效避免養(yǎng)殖損失，使其成為漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)管理的利器。同時，基于云計算，綜合利用大數(shù)據(jù)分析等技術，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)自動評估應用系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，逐步提高項目投資效益。

[1]張江龍，莊馬展，劉方，等.近岸海域水質(zhì)自動監(jiān)測質(zhì)量保證和質(zhì)量控制[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30（5）：105-109.

[2]趙聰蛟，孔梅，孫笑笑，等.浙江省海洋水質(zhì)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)構建與應用[J].海洋環(huán)境科學，2016，35（2）：288-294.

[3]李忠強，王傳旭，卜志國，等.水質(zhì)浮標在赤潮快速監(jiān)測預警中的應用研究[J].海洋開發(fā)與管理，2011，28（11）：63-65.

2017-02-03

寧波市近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)建設項目（甬發(fā)改審批函[2012]145號）。