廣西海洋水質監(jiān)測浮標設計與建設

李斌 劉保良 魏春雷

摘 要：作為一種高技術監(jiān)測手段，海洋水質監(jiān)測浮標可實現(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，加強海洋環(huán)境的實時監(jiān)控能力。為完善廣西海洋環(huán)境保護和海洋災害應急管理工作，不斷提升海洋災害應急反應能力，為了實時掌握陸源入海物排海情況，更有效地保護海洋環(huán)境，需要改變傳統(tǒng)的監(jiān)測模式，改用自動化、數(shù)字化的實時監(jiān)控模式。文中介紹了廣西近岸海域海洋水質監(jiān)測浮標的結構設計和自動監(jiān)測的實現(xiàn)。

關鍵詞：廣西 在線監(jiān)測 浮標

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

隨著《廣西北部灣經濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》逐步實施，北部灣經濟區(qū)逐步成為中國沿海經濟新高地和發(fā)展新一極，廣西沿海社會經濟發(fā)展進入快速發(fā)展階段，然而同時也帶來了一定的環(huán)保壓力。張學良[1]探討了從浮標系統(tǒng)安裝、調試、考機、布放、運行、檢修、回收的觀測資料接收和數(shù)據比對及修正值等方面進行質量管理控制。阮華杰、馬駿等[2]根據浙江省海洋與漁業(yè)局在臺州大陳海域投放的生態(tài)浮標監(jiān)測數(shù)據對赤潮暴發(fā)過程中生態(tài)浮標監(jiān)測數(shù)據變化趨勢進行了分析。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)據變化的差異，起到較好的控制和預警作用。李鵬等[4]對浮標系統(tǒng)在海洋預報、防災減災、海洋權益維護及保障工作中的作用進行了探討。生態(tài)在線監(jiān)測浮標則能夠全天候獲取各種現(xiàn)場資料，真實觀測海洋水質變化全過程。為完善廣西海洋環(huán)境保護和海洋災害應急管理工作，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批完成了海洋水質監(jiān)測浮標建設投放工作，在廣西近岸海域共布設了16套水質監(jiān)測浮標，具體站位見圖1。

1 浮標工作原理及監(jiān)測參數(shù)

浮標系統(tǒng)通過浮體承載水質水文氣象監(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、運行、傳輸，利用數(shù)采器實時采集監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據，通過數(shù)據傳輸，將數(shù)據回傳到用戶的控制中心，達到實時監(jiān)測遙測遙報的目的。浮標構造見圖2。

水質水文浮標監(jiān)測參數(shù)如下：常規(guī)水質參數(shù)包括水溫、電導、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素、藍綠藻共8項；氣象參數(shù)包括溫度、濕度、氣壓、風速、風向、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；水文參數(shù)包括流速、流向。

2 浮標選型配置

2.1 浮標選型及依據

采用美國Endeco/YSI公司的EMM700和EMM2000型浮標。Endeco/YSI公司是國際著名的水質監(jiān)測浮標制造商，有超過35年的海洋水質監(jiān)測浮標生產經驗。

2.1.1 EMM型浮體特性

（1）Surlyn特殊離子聚合泡沫膠浮體，耐受外力強烈碰撞能力極強。不銹鋼支承架，承載水下和水上儀器設備。（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，平衡電控室內溫度在適當?shù)乃剑乐瓜奶鞙囟冗^高損壞設備。（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)據浮標中心及USGC（美國海岸保衛(wèi)隊）航標及數(shù)據浮標首選的物料。

2.1.2 系統(tǒng)配置

標準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層，耐磨并能抵受嚴峻的海洋腐蝕性環(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)水質監(jiān)測儀器保護管，利用浮標自體防撞性能保護儀器。（4）營養(yǎng)鹽監(jiān)測儀置于浮標體內，受到浮體的充分保護，即使大型船只正面沖撞也不會損壞儀器設備。（5）配套固定及回收系統(tǒng)。（6）航標燈標與雷達反射器。（7）YSI公司6600V2型多參數(shù)水質監(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)據采集平臺。

2.1.3 數(shù)據采集與傳送系統(tǒng)

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

2.2 儀器選型依據及性能特點

pH、溫度、電導率、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)水質監(jiān)測儀器，該型號是6600EDS的換代產品。具備三大優(yōu)點：（1）將原來的電化學溶解氧探頭更換為高科技含量的光學溶解氧探頭；（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、藍綠藻、光學溶解氧和濁度，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)生電化學反應，目前全球99%以上的廠家都是采用這種原理生產溶解氧探頭，電化學穩(wěn)態(tài)極化法有4個弱點：（1）測量溶解氧時發(fā)生電化學反應，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充；（2）測量溶解氧時發(fā)生電化學反應，隨著時間推移，電極表面形成氧化膜，探頭性能逐漸下降，零點漂移，嚴重時探頭失效，必須定期校準探頭、打磨探頭表面和技術處理；（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、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）某些化學物質干擾電極，如水中的硫離子會與銀電極發(fā)生電化學反應，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。

為了克服電化學穩(wěn)態(tài)極化法的弱點，使用快速脈沖極化法。反應強度只有穩(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%，但從本質上講仍屬于電化學方法，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：光學溶解氧測量法。該方法不發(fā)生電化學反應，不消耗水中溶解氧，不受硫離子等干擾，零點不漂移，探頭運行穩(wěn)定，維護量小，數(shù)據質量非常好。YSI 6600V2型是為長期水質監(jiān)測而設計。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，主要依據是：6025型葉綠素探頭可直安裝在6600V2型多參數(shù)水質監(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，需要有經驗的分析人員方能確保良好的數(shù)據及長期的一致性；且不能用于連續(xù)監(jiān)測。YSI公司使用光纖技術，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)水質監(jiān)測儀，實現(xiàn)了輕便、操作簡單而經濟的葉綠素監(jiān)測。該探頭基于葉綠素的熒光特性，向水體照射一適當波長的光束（約470nm），導致葉綠素釋放出熒光（約670nm），測量發(fā)射的熒光，計算出葉綠素含量。測試方法簡單，不需要有經驗的分析人員與實驗室設備?？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行，不需傳統(tǒng)的方法把細胞攪碎，故能真實反映細胞中葉綠素在現(xiàn)場條件中的活性表現(xiàn)。由于測試是基于現(xiàn)場結果，可獲取實時讀數(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 產品認證

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

2.2.2 儀器技術性

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。儀器具有RS-232和SDI-12接口。YSI 6600V2與數(shù)據采集平臺的連接設定為SDI-12。SDI-12接口單線多點連接（RS-232為單對單連接），SDI-12除可以用作數(shù)據傳輸外，同時向儀器供電。 YSI 6600V2通過SDI-12連接，可向數(shù)據采集平臺直接取電。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，提供雙重保險。YSI 6600V2的測量頻次（間隔）可以設定為每秒1次至無限長。由于海水的水質在短時間內變化一般不會太大，故實際監(jiān)測間隔設定為每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的改進型，檢測倉和試劑倉分成兩個獨立倉室。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，維護量減少，維護效率更高，因此能保持更完整的數(shù)據采集率。

3 結語

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監(jiān)測浮標的布設，能夠實時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警預報，更有效地保護海洋環(huán)境，形成覆蓋廣西近岸海域重大潛在污染源的水質在線自動監(jiān)測網絡，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，為科學研究和環(huán)境評價提供科學的依據。

參考文獻

[1] 張學良.淺談大型浮標的資料管理與質量控制[J].海洋信息，2014（2）：6-10.

[2] 李天深.進岸海域自動監(jiān)測浮標在赤潮預警中的應用及其缺陷[J].海洋預報，2015（2）：71-77.

[3] 阮華杰，馬駿，何志強.生態(tài)浮標預測赤潮暴發(fā)的分析[J].聲學與電子工程，2014（2）：44-49.

[4] 李鵬，許嘯春，潘靈芝.東海海洋環(huán)境監(jiān)測網浮標觀測站布設及其科學意義[J].上海國土資源，2014（1）：71-76，87.