学术分享 | 海湾环境监测预警能力建设与应用

海洋浮标作为海湾环境监测预警的手段之一，是一种新兴的现代化海洋监测技术，逐步受到各海洋 国家的重视和利用。相比其他监测手段，其可在恶劣的海洋环境条件下对海洋环境进行自动 、连续 、长期的监测和预警。
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工作原理及系统组成
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　　在电源系统支持下，浮标内安装的气象传感器、波浪传感器、水质传感器、海流计等传感器设备实时采集环 境要素数据，经过数据采集系统的处理后，通过加密算法形成数据文件自动发送到接收站，并同时在采集器内存储。接收站进行数据接收、数据处理、参数配置和数据查询，最终通过信息终端和显示屏进行浮标实时数据的展示与分析。系统由浮标标体、传输系统、数据采集系统、系留系统、供电系统、接收系统组成。

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8 @( @! G0 R- e( g# s4 n建设过程
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　　(一)项目选址
) o. E$ L: m* J2 @% }3 T　　拟选定投放区域的监测对象应具有代表性，浮标所接触的水体特征与监测范围内大多数水体特征具有一致性;满足海洋观测的自然条件，包括水深 、浪况 、流 况 、底质等;不影响船舶通航，避免影响渔业生产，同时满足浮标运输布放条件。
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) k6 r$ `5 |$ |! T　　(二)监测要素项目及参数要求
! \" e2 d0 J7 _8 T6 q　　气象观测包括风速、风向 、气温 、湿度 、气压，海流观测包括流速、流向，波浪观测包括波高、周期 、波 向，水质观测包括水温、盐度 、pH、浊度 、溶解氧、叶绿素。
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) |0 w4 q) c" H' l4 \3 x% Z　　(三)设备及仪器性能检定
/ j  n3 E+ K- X2 |, t　　1. 标准曲线校核
　　对叶绿素参数采用标准曲线校核，以标准曲线相关系数为检查指标 。对量程10% 、20%、40% 、60% 、80%共5个浓度的标准溶液按样品方式测试，并和空白值计算其相关系数。
- p" @9 a' l/ K" h　　2. 检出限
　　仪器的检出限采用实际测试方法获得 。以《环境监测分析方法标准制订技术导则》(HJ.168—2020) 中的一般确定方法的相关要求为依据，按仪器2～5倍检出限浓度配制标准溶液。
0 W2 Q0 O( e9 V7 x5 a8 @* ?( s  c　　3. 准确度
　　仪器准确度检查采用实验的方法进行，根据实验条件和实际情况，采用标准样品检验法和比对法。根据《近岸海域水质自动监测技术规范》(HJ731-2014)中近岸海域自动监测系统仪器性能指标技术要求对比，对结果进行统计评价。
: K  {' g' v# L6 k" v　　4. 精密度
; U% B- F/ }* i! a) M. }4 _8 g, p　　精密度(pH除外)检查选择国家有证标准样品，用仪器连续测定标准样品7次以上，以测定结果计算精密度，标准样品浓度采用20%和80%量程 。采用相对标准偏差(RSD%)来确定仪器的精密度 。
  I8 f9 Q: L, T5 ?3 f& @　　5. 零点漂移
2 T& A: H" t6 z7 @+ A' u  z　　以空白溶液为试样连续测试，测量值在一定时间内变化。测试指标包括浊度和叶绿素，测试连续7次以上。第一次测量值作为初期零值，计算7h内的变化幅度，其中最大变化幅度相对于满量程的百分率为零点漂移。
( v  {1 U& Y. ]8 k　　6. 量程漂移
　　采用浓度为20%量程和80%量程的标准溶液为试样连续测试，仪器测量值在一定时间内变化 。测试指标包括温度 、盐度、溶解氧、pH、浊度和叶绿素，测试连续7次以上，其中浊度和叶绿素最大变化幅度相对于满量程的百分率为量程漂移，温度 、盐度 、溶解氧和pH的最大变化幅度即为量程漂移 。
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　　(四)布放实施(见图 1)


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　　(五)数据接收
　　接收软件主要由数据接收 、数据处理 、参数配置和数据查询四部分组成，其主要功能是实时、准确、可靠地接收和处理浮标数据，并具有即时报警、数据查询统计及遥控等功能。


1 O% n$ _# x3 o5 O　　软件采用标准的语言编程，运行环境适用 Windows XP或更新的操作系统;软件界面友好、操作简便，具有良好的可维护性和可扩充性;数据库具有良好的开放性，工作安全可靠。软件支持手机等移动设 备展示和操作。
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　　(六)数据对比分析
# Z: C: n8 U) ^7 R5 ]1 E0 [　　委托政府海洋与渔业信息监测中心进行了现场采水比对，将比对数据和浮标数据绝对误差 、相对误差等指标进行对比分析，进一步验证浮标系统是否符合《近岸海域水质自动监测技术规范》的验收标准。

5 @; O0 |3 p; C' p　　(七)浮标系统运行维护
; s/ ?* t# h; J: `2 i( C; U　　浮标安装调试后，进行至少3个月的试运行，自浮标建站之日起，进行为期一年的运营维护，以保障 浮标观测系统的正常运行。
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# X# Y3 z. _! D) t' a4 [　　1.终端监视
, P( j& k0 r) ?5 r　　每日两次在软件平台上查看设备工作状态，主要查看设备是否正常运转，查看浮标GPS信息，确认有无漂移。

/ m! Z+ C9 Z4 R; y/ F　　2. 常规维护
　　浮标系统每30～45;d进行一次常规维护，并与校准同时进行。校准前对检测仪器进行清点 、清洗维 护，每次维护和校准后调整检测仪器自动采样测试时间为整点时间。

　　3. 应急维护
0 G; c6 `' A! n) F8 W　　浮标系统运行过程中，受到台风、过往船只碰撞或者其他因素影响，导致系统通信故障、传感器损坏 等，出现数据异常 、数据中断或其他影响系统正常运行的情况时，应及时进行应急处理，排除相应的故障， 保障系统正常运行。

　　4. 年度检修
　　每年至少进行一次年度检修，消除浮标隐患，确保正常运行，更换锚缆、转环、卸扣，修复腐蚀受损件等。全面检查各部分线路，检查电缆、连接器等各部件，如有老化或其他形式损坏的，则进行更换。
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5 K' P. a  ?- E# P! c, i' Q% I5 v7 b- j$ s应用
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. n4 R1 k* t' D- S# h$ j+ X　　应用系统由数据库、查询分析、评估预警、结果输出四个子系统构成。
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　　数据库管理模块：进行数据存储、查询 、转换 。可以根据用 户要求查询实时数据 、统计数据以及评估 结果，或对数据进行必要的更新 、转换处理。
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) l( m3 `' u. ^4 B6 }　　综合分析模块：利用系统自带的统计分析工具对大量的实时数据进行统计分析处理，或对某个时段 水质变化趋势进行评估分析，为区域水环境质量报告提供支撑。

　　评价模块：用户可根据监测要求选择不同的评价方法，也可用多种方法进行综合评估，对结果进行有 效融合。
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# G; Z$ {) {0 G( |; y　　预警模块：根据评价模块计算出任意时间内各个水质监测断面的综合评价结果，当综合评价结果超 出警戒目标值时，系统将采用红色警示，发出预警预报。

7 H1 u3 o6 b. b/ |# A+ q. h2 \- x- J　　输出模块：系统最终的数据以表格 、统计图件及空间图件形式输出 。利用GIS空间分析统计功能将 水质数据变得生动 、直观和全面，以达到可视化效果。
　
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　发展及前景

9 s' J* y$ ~/ g# }% Y5 s　　目前，海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈，如：
' h! S# a& O' f. }& K* M( k　　一是数据传输目前突破不了大容量传输，数据传输有小于1min的延时，实现不了高精度 、大容量数据的实时传输 。
　　二是监测传感器依赖进口 。传感器依然是弱势，虽然我国已能自主生产部分传感器，但在精度、实时性、长期可靠性和稳定性方面与进口设备存在很大差异。
　　三是难以从根本上克服海洋生物附着的影响。传感器长期与高盐度海水接触，难以避免海水腐蚀现 象，更无法克服热带海洋生物的附着，目前只能采用简单的物理方法进行定期清洁。
' o" y( e' ~/ Y' J- _) s3 S4 K* {$ T　　远期可凭借大量的实时数据，利用水质容量模型，估算研究区域动态环境容量，为流域总量控制与质量管理提供依据。在水质水文在线监控基础上，可开发特定水域水质预测模型，针对突发性污染事故进 行水质预报 、预警，为水质应急监测提供决策依据。通过对大量水质水文参数变化情况进行分析，开发基于物理、化学和生物净化原理的分析模型，从而推算出水体自净化的能力 。
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0 L6 x( A* Z+ L8 k) }4 H结语

　　长期以来，我国海洋生态环境监测、海洋调查仍然没有摆脱“现场取样—实验室分析”的传统工作思路。监测预警能力的建设取代了传统的取水采样测量方式，可以实时不间断测量，为所在海域的水质积累了大量历史资料，也可利用数据进行污染物报警、蓝绿藻报警等，并有效地指导渔业发展。
! x" @* T  `8 p* z来源 | 本文来源于中国交通建设监理协会2022年度学术论文集
; d% `1 H8 @: Q6 o( v  L1 R作者 | 杨全武
1 Z  S& a4 k# I7 j# M排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源

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