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。 j' ]$ @4 ~" f8 x* L
u0 k" N( D' z3 z% B- h3 J2 V
/ _* ]' I5 t+ @ d- g7 q3 e. W) t% k
( m# q9 o2 B4 S
7 P& S% f& V0 v
' z# T% N8 N e9 J2 s) ^# v) r1 @/ I6 F+ @1 ?% m8 D
/ O% P' J8 g9 ] `( Z7 ^- { y4 X( ^* b
010 o0 [. s1 v0 ]6 ^
工作原理及系统组成
2 C1 p5 W, s. \. z& n
' K' X, f& {( k' A1 H+ q 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。$ Z1 N8 W1 h3 [% `9 X, E7 v) ]
: f( V: K) \' \3 l
$ R, n0 y0 Y$ d7 {- N
) g# Z6 q& q; _[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
0 m- q& K' d, E/ I+ \# J; @
5 a) t e8 f. h8 W02
7 v4 k1 h( @8 z0 _7 a建设过程/ w4 d# N9 U, z( D4 S ~
6 v3 z) y+ b! _8 I* ~3 a/ R
(一)项目选址
- h. `- j2 q) ^. B) t! x 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。
9 h5 [ a& p9 \/ c( R& |/ Z& a" O6 f
- C" E" g1 P. X3 q (二)监测要素项目及参数要求
! k4 U) m0 E0 M* P" k& h2 D 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。, ^2 y4 c& m5 a- t0 a( J# ^
$ l: Y0 a, ?/ W/ U5 g8 E (三)设备及仪器性能检定! e, f6 U; Y2 |$ g
1. 标准曲线校核
. X* e0 u2 ?' q& f: ~ 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。
) L4 `; o Y# H- W' Y0 a) N 2. 检出限
* v+ K- _/ Y0 h! H6 _ 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。$ y1 T1 ]" Y! Q/ N2 c( w
3. 准确度: Z; `' b( w+ B3 ?( h% u
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。: s1 K! c0 ]+ S, q9 Z# n
4. 精密度
4 h0 J$ H9 v7 }% U8 G% ~0 g" T/ i 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 。
/ O: I u/ B- g$ |" M+ F0 e 5. 零点漂移
: z( F) y* `% v( \% E 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。
' |, f& J- V; W, d; G' D 6. 量程漂移" k/ o0 A5 _; \& @9 J4 E) O
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 。# {& d; x. W! a: n
; @! g% ?( r: O. k: ~
(四)布放实施(见图 1)
' w" |' @9 ]4 V4 t5 L* Q4 J/ C$ L' @; }8 c
$ `( ^2 b' X3 n8 n. H
& K2 [) p: U& A7 r. I
; F; `! N0 o& m' f& p7 j. }( X3 n (五)数据接收5 N# E% u0 Z3 A3 ]2 I) Y/ o
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。
L, T4 _& g: J0 h' K
( l- l x; h- B7 N7 g& x
7 K2 D6 M0 I7 p+ S+ p- u8 z 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。
0 }& u3 @+ V! [* S3 I+ G
) z- f: e% i- }. V, N7 R8 U, z (六)数据对比分析+ Y0 ]: h) V j# C) A4 l! N
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。& X O* ]# B) H3 i' f/ c
; \. K6 O8 D1 E$ X- V6 Q (七)浮标系统运行维护
9 n$ X* j0 B" ^7 p6 M Z 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。! a* P! D+ {: E$ B
7 |- {3 U- W; i
1.终端监视
; X: X$ X$ F. N u$ J i) b, G 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。
8 O9 U; b+ z* E" I4 W6 H# z8 n+ B! w0 w5 ]+ Q
2. 常规维护' a( i; n3 B7 A4 J+ w
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。
& T& D1 U* ^: I3 a' R& N6 O0 ?" p5 F; E3 E, [1 l
3. 应急维护
. |$ }% a8 _6 N5 F/ b8 {$ P 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。: d1 t2 ~4 V9 R7 d* y, \7 Z4 J; @
! R# }7 r0 l9 ?: J/ y3 @3 S3 i. y
4. 年度检修
4 b$ H4 `# C: R& K8 s1 l 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。
{) G* l# k6 i3 v& l" ~+ w5 j. [" I4 O' w. G! Z6 k& [( L; S' p
9 M) n3 @, B. W5 i( G, l03) Y J3 v: ~% v7 F+ }
应用) L: y6 d y2 c; ]& z& c) m
/ K6 \6 d" y2 \% g
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。) D5 r1 c% F; \, j1 r8 B# |
9 B* C, n; z1 p! o2 A) q 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。+ d r" c4 g3 Y
7 I7 S" P7 P ` 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。* l; i4 F2 g/ ?* F+ b8 v
9 a' W6 X3 C1 y 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。$ E( M/ h2 h. c, g6 M
; ~! q, X" y6 {3 k0 \2 J2 z 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。% |. w1 v& }+ [1 A, K; |
7 u& A+ u% }2 ~' P 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。
0 x: f' Y$ M. ~* C0 ?' [- Y % T7 p' y. K6 B& ]
04% S) N, W! h& K/ O4 B; Y& Y7 S5 w# q; K
发展及前景 }) w# R7 ~6 x. `# R
) p* t! f/ c# ]% Y$ V" E% x
目前，海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈，如：
; `& Y4 T; W2 o4 G 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 。/ g$ [5 a, Z7 g7 l0 ]9 L& @9 U2 N! B
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。% E8 b4 [" c, U5 F8 \1 l
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。
, I8 a f: A( b) [, I, o6 j8 e 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 。9 ^2 Q) y9 Q# q2 o3 V
/ Q, s2 F5 b: v8 z X. v# I
4 Z4 g" [* [+ `05% L0 y0 _7 O3 B/ l
结语3 v1 O9 u9 d# W8 c
: S5 P |( S3 ] Z7 N 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。$ k. O/ h5 W. w, s
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
: @; B6 r. \6 ^$ o作者 | 杨全武
' Q. g7 [) u! W. ~ ~排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源
; x, H. m0 _% P# \$ N, C; l# B z, I c- ~$ O
该文章来源互联网，如有侵权请联系删除 |
2 N# F/ S' k" L) i- y! {, G( h- z