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。8 } E6 `1 `2 s# J
' b9 N b# K4 C, E' j/ B' G5 M1 L/ }/ X
! \0 n2 \+ h' j6 D% ~: B& A
8 ]. `5 e8 ~/ e% J
- s* ?0 w% T x1 h' z- x) w
* G5 D1 x1 s9 @, _! y( u
$ w: {4 Y8 `4 h6 ~% Y7 P- F
/ m ~9 |1 s) m" M9 e01. N: i9 h# v6 @5 E! ^' T. p
工作原理及系统组成
3 E+ x1 \7 l7 G7 o* Y- e# W, X$ A" T7 G0 U! z( |/ [7 t5 i
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。
$ z( ?# ]2 r4 p8 g: m+ Y
% n$ |5 G9 d+ \, p; s m: L2 o v0 Z9 y5 d, m2 c: H
2 C( Q, c( E2 D$ p
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
/ x ~9 S K. O; r& J
j2 X0 O, M% \1 h02& t. p; T( H1 u# O7 ^
建设过程
! G6 u* L7 u' _# D8 g5 u8 E" J% L% A: z* \' J- e8 r3 ]/ u
(一)项目选址3 |% s' H |& t7 M$ 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。% e! e: h: ]) M5 c7 K
! V5 S$ K- {" T5 ]
(二)监测要素项目及参数要求
. J) {1 t \/ q1 p3 f% Z 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。8 p; T6 l, [3 b* ?7 C4 j7 x
& C5 N6 k2 L0 {4 H: t5 b; k
(三)设备及仪器性能检定
' T3 t7 [5 U# I% M 1. 标准曲线校核
9 l. W) l+ [9 k1 |3 g9 R 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。; C7 o. Q7 u2 i( C( |
2. 检出限5 v& p; {" j% Z/ u; A/ L) x x
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。
/ ?2 V' ]; Y5 E& o% M: {' {7 Q 3. 准确度) N+ [4 Z, p: ]' N9 Z0 R
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。4 d6 Z# V5 p- O+ M( y5 `
4. 精密度; ^, ]! l$ k# Q- @$ L) T/ c
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 。
: n# _" \0 t# y( q 5. 零点漂移- D; @, B9 i* u. l
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。1 t3 v9 W# J4 g
6. 量程漂移
% |# S6 a# ^& u% E) o" R. x 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 。
1 q6 Z# c E1 S2 \( t V: g0 ]+ l& t6 d5 `- ^- ]" F) i
(四)布放实施(见图 1)" n, j7 e! J" { h7 ~! Z
+ \' I0 {6 g8 ^. h: `
7 q* f- {- x5 {' Q7 k2 ~5 X- K5 K) B5 a% H5 F; h0 C B
% y+ _/ @1 ?: P" ?* I/ Q+ K (五)数据接收
% r- r- {- m# I( w2 n/ B 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。9 b, l+ }' r9 `9 S( m! N- B% e
) _' ~% e; m* @2 M
# I4 U# S* W* U5 A# G 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。
5 r5 O& \( @5 G7 y5 J. V( h& B# N% b' F2 ~
(六)数据对比分析
9 @0 v8 H: T2 U d5 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。
0 y9 s+ t( @. ]0 ?, J4 }4 u8 Y5 y& A) `$ S; ?( h
(七)浮标系统运行维护
: w [2 W7 u- _- n4 ]: ?( L K 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。
! f1 c4 H4 s! p# f
- B8 V8 k# w, I9 }; T( X8 B 1.终端监视0 w2 w! |; O! t K D
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。9 h0 a1 U1 s# n3 J+ G3 p
0 B! N4 W6 a8 Z, Y' k) b 2. 常规维护2 O# L" H6 y# I- O
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。5 f u. K* u" D2 X9 @
% u3 [: l* G6 M8 |% }- R
3. 应急维护; n% o7 m2 z& O$ r/ j% ~
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。
" O$ n6 T f7 n# B4 C1 o+ R( q; v# @( Q; X( @, S/ H, U* b, |
4. 年度检修! M. h: f8 R0 C! S- Q$ [
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。# x, k9 ~; H+ p& K# t
/ R# @5 u1 q: y
* l% D7 }! p# \
031 z' [; Y, q, Z$ j
应用
1 `" E% e+ w( G, M/ W/ |9 T
" X0 G2 b9 g( u" u2 z7 b9 u 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。
- x6 T$ Q, ]9 f- q6 _' A3 V) H8 }2 p. r2 J( `5 n
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。
1 `5 E" r1 n: U) ?' s/ o m( }! @: p) {% M1 _! a7 @! [
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。9 l! [ ^' w, ]( |8 z7 x
, g: ~: k6 k! Z& B* S
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。
& Y( i$ z( W9 {% e# x( j% d0 ~7 A) P* q; a. u) 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。
" C m: m6 O P1 W3 u/ {
+ g. @# ^7 O; n' R U; |6 `/ ^ 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。
3 S+ J; l: n& u l! L* _ , j& y- Q* H* o
04
- ]2 G! t& p+ E0 B2 l Q6 x& s, U 发展及前景5 Q& Y. U/ [' v5 U
7 u$ s& ?8 ^$ R; f, N0 V 目前，海洋浮标的发展也遇到一些技术瓶颈，如：
- b5 m* H* L& s+ e- w- ] 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 。2 I# u! ~# r+ A X3 R
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。
7 M" j( @1 }/ j 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。7 J8 q3 s: I" o( z8 `
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 。% E8 r$ U& M$ x9 W& ~ L
7 a1 r5 [) C. Z: G" X
. N$ r" g: c2 H" W) m9 r7 J
05
" i! H$ n+ r: C' Y结语( O J$ |, I* r
. d, n& B6 q7 Z1 p, } 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。
5 S. E1 ^9 t+ a' h' \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, [" G3 b- `2 S: \) W- M
作者 | 杨全武 5 s1 B2 @. K% p" }. x: ?0 o
排版 | 数智海洋公众号 转载请礼貌注明排版及原刊来源
( k$ ?: _+ y/ a7 B& n* u8 A3 z8 b; D2 \
该文章来源互联网，如有侵权请联系删除 |
7 B% y9 m4 x2 m' ~; x9 E7 B& j