基于監(jiān)測機器魚應(yīng)用的海岸帶發(fā)展研究

段元暉 夏添愷 劉歧峰 集美大學(xué)

1.緒論

1.1 研究背景

海岸帶在地球生態(tài)系統(tǒng)中扮演者重要的角色，似母親般包容卻富有生機，大氣、海洋、大陸以及島嶼等在這個界域內(nèi)作用活躍。除河流流域外，人類的活動往往集中于海岸帶。據(jù)有關(guān)調(diào)查研究顯示，中華人民共和國的大陸海岸線長度約為18400千米，而島嶼岸線長度約為14247千米，海岸線總的長度超過了32600千米，南北跨度大。海岸線漫長、海岸帶占地比例大隨附著的是豐富的資源。誠然，中國是一個海洋大國，海岸帶是中國發(fā)展的重要戰(zhàn)略基地。這里有密集的人口，眾多發(fā)達(dá)的城市分布于此，這里也集中分布了我國最好的漁場，又是海上交通的主要通道，對外交流與國際貿(mào)易的口岸。除此之外，海岸帶包括能源資源、礦產(chǎn)資源、生物資源、濱海旅游資源等。海岸帶經(jīng)濟在中國經(jīng)濟總量中占有十分重要的地位，全國40%的人口和60%的國民生產(chǎn)總產(chǎn)值(GDP)集中在這一地區(qū)。

而正因為它復(fù)雜度高、利用率大等的屬性，它也面臨著自然和人為的雙重挑戰(zhàn)。由上文所說，海岸帶是陸地和大洋之間的過渡地帶，受陸地、海洋和大氣的影響，它的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)對于大范圍各種自然過程變化所引起的波動和人類活動的影響十分敏感，如陸海污染，生態(tài)系統(tǒng)平衡十分脆弱，對其造成的影響往往是廣泛而深遠(yuǎn)的。

當(dāng)前海岸帶水質(zhì)巡檢對海岸帶開發(fā)、管理、保護等意義重大，若通過調(diào)查船或人工采樣工具現(xiàn)場采樣再送去實驗室監(jiān)測分析或者水質(zhì)監(jiān)測站自動監(jiān)測，這樣傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方式，耗時長、投入大、工作量大、整合對比數(shù)據(jù)量大，無法實現(xiàn)大范圍全水域的多點全天候水質(zhì)監(jiān)測。而自動監(jiān)測浮標(biāo)固定實時監(jiān)測，無法快速的更換監(jiān)測水域，要想實現(xiàn)對大面積的水域監(jiān)測只能通過增加布設(shè)浮標(biāo)數(shù)量來解決，但這會大大增加投資。為了對海岸帶水質(zhì)進行更好的監(jiān)測與獲得數(shù)據(jù)進行海岸帶生態(tài)環(huán)境變化與生物多樣性研究，更快更準(zhǔn)確地制定海岸帶水質(zhì)保護的對策，監(jiān)測機器魚有良好的應(yīng)用前景。

由于海岸帶對人類生存和發(fā)展意義重大，結(jié)合當(dāng)今海岸帶開發(fā)、管理、保護等的現(xiàn)狀，通過監(jiān)測機器魚的研發(fā)與應(yīng)用，拓展新思路、創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)，協(xié)助海岸帶管理和污染治理、環(huán)境或水質(zhì)監(jiān)測與采樣、海洋生物多樣性、數(shù)據(jù)整理與存儲、科普服務(wù)、為小型船舶拓展新功能，以期海岸帶經(jīng)濟、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

1.2 國內(nèi)外海岸帶保護現(xiàn)狀

以2021年3月青島膠州灣海星泛濫事件為例，海星泛濫的原因主要有：一、海岸帶、海洋生態(tài)環(huán)境變化。海域水質(zhì)的營養(yǎng)鹽、pH值、水溫等各種水文因子的變化為海星的生長繁殖提供了適宜的天然條件。海星繁殖力強但卵成活率低，但海星在海洋生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生微小變化使海星幼體成活率提高，若此時幾乎沒有它們的天敵的情況下將極容易大量增加。海星從深海移動至淺海，致使海星在貝類養(yǎng)殖區(qū)迅速蔓延、暴發(fā)。二是海星攝食習(xí)性。海星食物主要為雙殼貝類、海膽、牡蠣和?？?。膠州灣為牡蠣、蛤仔等貝類養(yǎng)殖區(qū)域，海星食物充足。三是海星天敵生物數(shù)量的減少。近海以海星卵及幼蟲為食的魚類受氣候等因素影響數(shù)量銳減，為海星生物量的增長提供了可能。海岸帶作為重要的漁業(yè)發(fā)展的自然資源，隨著沿海城市經(jīng)濟發(fā)展，人為活動帶來一定程度的海域污染再加上水產(chǎn)養(yǎng)殖加重水體富營養(yǎng)化，造成海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，新的海洋生態(tài)環(huán)境，對捕食海星卵及幼蟲的天敵生長不利。

海洋生態(tài)系統(tǒng)可劃分為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)（潮上帶、潮間帶、潮下帶）、島嶼生態(tài)系統(tǒng)、淺海生態(tài)系統(tǒng)、外海和大洋生態(tài)系統(tǒng)和極地海洋生態(tài)系統(tǒng)。目前，國際上對海洋生態(tài)系統(tǒng)的保護已經(jīng)覆蓋了全部類型，并建立了大洋和極地生物多樣性及其生物資源保護區(qū)和國際公約。作為主權(quán)國家，我國海洋生態(tài)保護修復(fù)的重點是圍繞海岸帶、海島兩類生態(tài)系統(tǒng)而展開。近年，我國正在加快推進“智慧海洋工程”建設(shè)，以應(yīng)對我國海岸帶區(qū)域逐漸出現(xiàn)水質(zhì)污染、富營養(yǎng)化、缺氧、酸化、生物入侵、物種消失和漁業(yè)資源衰退等；赤潮、綠潮、臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、溢油和?；肺廴镜雀黝悶?zāi)害和突發(fā)性環(huán)境事故頻發(fā)等的生態(tài)環(huán)境問題。投入研發(fā)先進的海岸帶智能監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，以期在環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、優(yōu)化養(yǎng)殖、應(yīng)急處理等方面發(fā)揮重要的實際作用。

1.3 本文研究內(nèi)容

針對我國海岸帶環(huán)境問題，重點利用監(jiān)測機器魚的水質(zhì)實時監(jiān)測、立體斷面監(jiān)測、全范圍全天候監(jiān)測，靈活下達(dá)監(jiān)測、探查、采樣任務(wù),環(huán)境監(jiān)察部門、海洋漁業(yè)局等部門通過水質(zhì)監(jiān)測探明污染源，各因素的占比，就海岸帶水質(zhì)監(jiān)測和治理保護提出對策，本文并簡要對海岸帶可持續(xù)發(fā)展提出意見和建議。

2.監(jiān)測機器魚系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能需求

監(jiān)測機器魚需要能夠與受陸岸操作系統(tǒng)指揮操控，設(shè)定工作水深范圍、運行速度、巡查范圍，搭載BDS導(dǎo)航系統(tǒng)，自動傳回衛(wèi)星定位遇險報警（自動避險），向上位機操作臺實時傳回pH傳感器、水溫傳感器、ORP (氧還原電位)傳感器、DNH氨氮傳感器、電導(dǎo)率傳感器、濁度（NTU）傳感器、TOC傳感器、水中油傳感器、UV法COD水質(zhì)傳感器的用于水質(zhì)評估的數(shù)據(jù)。

可以完成海岸帶水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（針對海岸帶水質(zhì)污染情況、廢水排放、養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)交換、水體富營養(yǎng)化、氣候或地質(zhì)因素造成的海水異常等）的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳遞，實時反饋水文變化，可以根據(jù)操作臺指令完成單次水樣、土質(zhì)、水生物采集，攝像頭可根據(jù)需要記錄視頻數(shù)據(jù)。自動避障（大范圍魚類、雜亂的水草），配備大容量電池、軟性太陽能發(fā)電電源系統(tǒng)，工作時間長，能耗小，當(dāng)機器魚浮于水面充電時監(jiān)測海水水面漂浮物質(zhì)、懸浮物質(zhì)。可在水下時刻保持自身姿態(tài)穩(wěn)定。可通過調(diào)節(jié)胸鰭前端角度實現(xiàn)在水中上浮、下潛、輔助水平運動等功能。噪音小。用于環(huán)境監(jiān)測或研究的傳統(tǒng)的水下航行器或機器人的推進裝置一般采用螺旋槳,這種推進方式往往噪聲能耗大、效率較低、環(huán)境擾動大、易傷害到水下生物，在水草茂密的水域，螺旋槳極易被纏住而無法工作。相比于螺旋槳推進器,自然魚類在運動過程中機動性高、效率高、噪聲低、隱蔽性好且環(huán)境擾動小監(jiān)測機器魚利用仿生學(xué)原理，采用流線型設(shè)計，驅(qū)動方式為兩關(guān)節(jié)尾鰭搖擺驅(qū)動。在設(shè)定范圍內(nèi)巡查，可定點原位取樣。

2.2 機器魚各部件組成

機器魚外部構(gòu)造如圖1所示。

核心部件：依據(jù)中華人民共和國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3097-1997)，選定參數(shù)，通過機器魚腹下傳感器，完成對水體PH 值、總磷、溶氧、電導(dǎo)率、濁度、葉綠素、UV-COD、氨氮（NH3-N）等參數(shù)的收集，并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)特定任務(wù)需求對傳感系統(tǒng)選定部分啟動。

（1）超聲波傳感器、紅外線避障傳感器、碰撞傳感器用于機器魚避碰。

圖1 機器魚外部構(gòu)造圖

（2）PH傳感器常用來檢測水系流域中氫離子的濃度。

（3）ORP（氧還原電位）傳感器:主要用于海水中污染物氧化還原反應(yīng)，測定電子活性測定污染物含量。

（4）DNH氨氮傳感器：通過鉀離子傳感器作為矯正、pH電極作為參比電極。

（5）電導(dǎo)率傳感器檢測水中所有離子濃度之和，作為判斷水體富營養(yǎng)化的程度的依據(jù)。

（6）濁度（NTU）傳感器是通過測量透過水的光量程度來測量水中的固體懸浮物，以此來顯示水體受污染的情況。

（7）葉綠素傳感器：葉綠素a廣泛分布于藻類、植物中，傳感器通過測定水中葉綠素a的含量分析水中藻類、植物分布量。

（8）TOC傳感器：測定水中碳含量表示水體中有機物質(zhì)總量，用于污染分析的指標(biāo)。

（9）水中油傳感器：測定水中石油含量。

（10）UV法COD水質(zhì)傳感器：測定水中的還原性無機物（亞鐵鹽、硫化物等）和有機污染。

（11）壓力傳感器：測定當(dāng)前機器魚所在位置水的壓力測定當(dāng)前水深。

（12）軟性太陽能板：兩片縱向位于機器魚首尾縱中剖面，充電時機器魚浮于水面，太陽能板向上展開。

（13）蓄電池、BDS定位儀、數(shù)據(jù)采集傳輸控制單元、雙舵機系統(tǒng)（尾鰭、胸鰭）、下位機系統(tǒng)、尾部驅(qū)動電機等。

3.由水質(zhì)監(jiān)測助力海岸帶可持續(xù)發(fā)展

由操作臺設(shè)定監(jiān)測機器魚的初始值，工作區(qū)域（水平范圍及深度）定點監(jiān)測的點位，攝像頭是否在巡查監(jiān)測過程中啟動。操作臺可根據(jù)天氣信息、機器魚電量可讓其在完成一次充電周期前浮到水面進行充電，并可給予機器魚定點取樣、定點監(jiān)測數(shù)據(jù)更新、立體斷面監(jiān)測等指令，操作臺可以通過岸邊的信號轉(zhuǎn)換設(shè)備大大延長與機器魚通訊的有效距離，并可以將數(shù)據(jù)傳回環(huán)境保護部門，監(jiān)測機器魚需定期檢查并在持續(xù)惡劣天氣時取回。

通過監(jiān)測機器魚傳回的數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測系統(tǒng)評價有效性的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是：顯示器可以實時調(diào)取各項指標(biāo)的數(shù)值，圖表橫軸分別以天、月、季、年為時間度量單位，經(jīng)過短時間的數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測機器魚巡查范圍內(nèi)的水質(zhì)信息就可通過操作臺發(fā)送到環(huán)境分析中心的服務(wù)器中，該圖表將做到信息公開。通過觀察比對數(shù)據(jù)或當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出異常警報，環(huán)境監(jiān)管部門或海洋與漁業(yè)局等部門可以立刻采取相應(yīng)的措施，取樣具體分析并有相關(guān)部分采取措施，避免惡化或造成更大的損失。由多個監(jiān)測機器魚構(gòu)建大范圍的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)通過算法對收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，快速確定目標(biāo)區(qū)域的污染狀況和發(fā)展趨勢。若長時間的異常將逐級上報。

海岸帶對人類生存發(fā)展至關(guān)重要，要及時采取有效的保護措施，對海岸帶資源做到集約節(jié)約利用并保持海岸線的自然形態(tài)、長度和鄰近海域底質(zhì)類型的穩(wěn)定。

海岸帶水質(zhì)監(jiān)測只是對其保護的一小步，實現(xiàn)海岸帶可持續(xù)發(fā)展還要從以下幾個方面做到統(tǒng)籌規(guī)劃：海域和陸域；漁業(yè)、農(nóng)業(yè)、城建、旅游業(yè)和工業(yè)；污染物排放、沙灘使用、土地利用、濕地、船舶；國土資源、環(huán)境保護、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)（規(guī)劃）、交通運輸、林業(yè)、水利、海事部門；海岸帶環(huán)境、海水上溯、土壤鹽漬化及海洋災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報等。還需要從涉及到各部門監(jiān)察、管理、治理職能的協(xié)調(diào)與配合。

由于該監(jiān)測機器魚傳感器監(jiān)測的部分水質(zhì)指標(biāo)等級較高，用于低風(fēng)險水域會增大成本投入，建議與浮標(biāo)觀測系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，物盡其用。