广西海洋水质监测浮标设计与建设

李斌 刘保良 魏春雷

摘 要：作为一种高技术监测手段，海洋水质监测浮标可实现现场自动监测而不受恶劣海况的影响，近年来得到了广泛的重视和快速发展，通过在线自动监测技术，加强海洋环境的实时监控能力。为完善广西海洋环境保护和海洋灾害应急管理工作，不断提升海洋灾害应急反应能力，为了实时掌握陆源入海物排海情况，更有效地保护海洋环境，需要改变传统的监测模式，改用自动化、数字化的实时监控模式。文中介绍了广西近岸海域海洋水质监测浮标的结构设计和自动监测的实现。

关键词：广西 在线监测 浮标

中图分类号：P71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0066-03

随着《广西北部湾经济区发展规划》逐步实施，北部湾经济区逐步成为中国沿海经济新高地和发展新一极，广西沿海社会经济发展进入快速发展阶段，然而同时也带来了一定的环保压力。张学良[1]探讨了从浮标系统安装、调试、考机、布放、运行、检修、回收的观测资料接收和数据比对及修正值等方面进行质量管理控制。阮华杰、马骏等[2]根据浙江省海洋与渔业局在台州大陈海域投放的生态浮标监测数据对赤潮暴发过程中生态浮标监测数据变化趋势进行了分析。李天深等[3]利用位于广西北部湾的自动监测站，研究球形棕囊藻的赤潮自动监测数据变化的差异，起到较好的控制和预警作用。李鹏等[4]对浮标系统在海洋预报、防灾减灾、海洋权益维护及保障工作中的作用进行了探讨。生态在线监测浮标则能够全天候获取各种现场资料，真实观测海洋水质变化全过程。为完善广西海洋环境保护和海洋灾害应急管理工作，广西自治区海洋和渔业厅通过统筹部署，2013年10月至2015年12月，分3批完成了海洋水质监测浮标建设投放工作，在广西近岸海域共布设了16套水质监测浮标，具体站位见图1。

1 浮标工作原理及监测参数

浮标系统通过浮体承载水质水文气象监测仪器，系统通过控制器发送指令监测仪器的测量、运行、传输，利用数采器实时采集监测仪器的监测数据，通过数据传输，将数据回传到用户的控制中心，达到实时监测遥测遥报的目的。浮标构造见图2。

水质水文浮标监测参数如下：常规水质参数包括水温、电导、盐度、pH、溶解氧、浊度、叶绿素、蓝绿藻共8项；气象参数包括温度、湿度、气压、风速、风向、降水；营养盐参数包括硝酸盐、亚硝酸盐、活性磷酸盐、氨氮共4项；水文参数包括流速、流向。

2 浮标选型配置

2.1 浮标选型及依据

采用美国Endeco/YSI公司的EMM700和EMM2000型浮标。Endeco/YSI公司是国际著名的水质监测浮标制造商，有超过35年的海洋水质监测浮标生产经验。

2.1.1 EMM型浮体特性

（1）Surlyn特殊离子聚合泡沫胶浮体，耐受外力强烈碰撞能力极强。不锈钢支承架，承载水下和水上仪器设备。（2）密封防水电控室。电器室不锈钢底部透过稳定硾直接与海水接触，平衡电控室内温度在适当的水平，防止夏天温度过高损坏设备。（3）高浮力重量比。（4）双锚系固定及回收系统。（5）为NOAA（美国国家海洋及大气局）国家数据浮标中心及USGC（美国海岸保卫队）航标及数据浮标首选的物料。

2.1.2 系统配置

标准Surlyn黄色离子聚合泡沫胶浮体包括：（1）三块海洋专用太阳能电池板。太阳板上涂有塑料保护层，耐磨并能抵受严峻的海洋腐蚀性环境。海洋级水密防水太阳能电池接头。（2）GPS全球定位系统、100AH蓄电池、海洋级水密GPRS移动电话天线。（3）多参数水质监测仪器保护管，利用浮标自体防撞性能保护仪器。（4）营养盐监测仪置于浮标体内，受到浮体的充分保护，即使大型船只正面冲撞也不会损坏仪器设备。（5）配套固定及回收系统。（6）航标灯标与雷达反射器。（7）YSI公司6600V2型多参数水质监测仪。（8）Systea公司NPA Plus分体式营养盐监测仪。（9）CSI公司CR10X型数据采集平台。

2.1.3 数据采集与传送系统

数据采集采用美国Campbell Scientific Instrument（CSI）公司的CR10X型测试和控制系统。数据传输通过GPRS调制解调器来完成。调制解调器直接接驳于CR10X。YSI公司的EcoWatch for Window软件具有遥控、数据采集、处理、统计、制表、绘图等功能。

2.2 仪器选型依据及性能特点

pH、温度、电导率、溶解氧和浊度与叶绿素测量仪采用美国YSI公司6600V2 6型多参数水质监测仪器，该型号是6600EDS的换代产品。具备三大优点：（1）将原来的电化学溶解氧探头更换为高科技含量的光学溶解氧探头；（2）改善pH探头稳定性和延长测量寿命50%；（3）可同时监测叶绿素、蓝绿藻、光学溶解氧和浊度，而原型号只能同时监测其中的两个参数。

传统测量水中的溶解氧含量采用电化学稳态极化法，金银电极覆盖半透膜，只允许水体中的溶解氧透过半透膜与电极发生电化学反应，目前全球99%以上的厂家都是采用这种原理生产溶解氧探头，電化学稳态极化法有4个弱点：（1）测量溶解氧时发生电化学反应，溶解氧被消耗，在电极附近形成缺氧层，测量数值失真，解决办法是测量溶解氧时搅拌水体，让电极表面层溶解氧得到及时补充；（2）测量溶解氧时发生电化学反应，随着时间推移，电极表面形成氧化膜，探头性能逐渐下降，零点漂移，严重时探头失效，必须定期校准探头、打磨探头表面和技术处理；（3）半透膜有许多溶解氧渗透的微孔，随着时间推移水中的微小杂质、胶状物会逐渐堵塞微孔，或者水生物和泥沙覆盖半透膜，阻止了水中溶解氧渗透，电极性能逐渐下降以至失效，必须定期更换；（4）某些化学物质干扰电极，如水中的硫离子会与银电极发生电化学反应，生成极难溶的硫化银覆盖在电极表面，致使电极性能下降或失效。

为了克服电化学稳态极化法的弱点，使用快速脉冲极化法。反应强度只有稳态极化法的4%，大大改善了电极性能，测量溶解氧不搅拌水体误差小于3%，但从本质上讲仍属于电化学方法，不能克服半透膜被堵和硫离子干扰等缺陷。现在YSI全新技术：光学溶解氧测量法。该方法不发生电化学反应，不消耗水中溶解氧，不受硫离子等干扰，零点不漂移，探头运行稳定，维护量小，数据质量非常好。YSI 6600V2型是为长期水质监测而设计。传感器前端配有自动清洁刷，使溶解氧、pH、ORP、浊度、叶绿素探头能抵受长期沾污之影响，探头保持长期稳定。叶绿素采用美国YSI公司的6025型叶绿素探头，主要依据是：6025型叶绿素探头可直安装在6600V2型多参数水质监测仪器上使用，省掉多添置一台仪器的成本。叶绿素的传统测试采用提取分析方法，测试程序耗时，需要有经验的分析人员方能确保良好的数据及长期的一致性；且不能用于连续监测。YSI公司使用光纤技术，将荧光仪缩小至一个探头的大小，可直接安装于YSI多参数水质监测仪，实现了轻便、操作简单而经济的叶绿素监测。该探头基于叶绿素的荧光特性，向水体照射一适当波长的光束（约470nm），导致叶绿素释放出荧光（约670nm），测量发射的荧光，计算出叶绿素含量。测试方法简单，不需要有经验的分析人员与实验室设备。可用于叶绿素的连续监测，观察浮游生物生长趋势。由于测量在水体中直接进行，不需传统的方法把细胞搅碎，故能真实反映细胞中叶绿素在现场条件中的活性表现。由于测试是基于现场结果，可获取实时读数，对于水体中出现的特殊状况（如赤潮），可即时做出判断和决定。

2.2.1 产品认证

YSI公司于1993年取得ISO9001质量认证，1999年取得ISO14000环保认证。YSI多参数水质监测仪1998年通过中国国家质量技术监督局的技术鉴定，获颁发“中华8人民共和国计量器具形式批准证书”，证书编号为：98-C211。YSI 6600V2型多参数水质监测仪测量方法符合以下国家或国际标准。水温：热敏电阻法；溶解氧：荧光法、酸碱度：GB6920-86（玻璃电极法）；电导率：GB6908-86（电计法）；浊度：ISO7027（90度散射法）；叶绿素（In Vivo[体内―在浮游生物/藻类体内]：荧光法）。

2.2.2 仪器技术性

YSI 6600V2仪器自身的记录存储器为快闪存储器，能恒久存贮，直至人为地删除，不会因断电而丢失。存储器的容量为384KB，可存储15万个测量数据。仪器具有RS-232和SDI-12接口。YSI 6600V2与数据采集平台的连接设定为SDI-12。SDI-12接口单线多点连接（RS-232为单对单连接），SDI-12除可以用作数据传输外，同时向仪器供电。 YSI 6600V2通过SDI-12连接，可向数据采集平台直接取电。YSI 6600V2本身带有电池室，一套8节的一号碱性电池可提供90d的操作（15min采样率，25℃工作溫度），可确保在整个监测系统完全断电的情况下不会丢失任何一个数据，提供双重保险。YSI 6600V2的测量频次（间隔）可以设定为每秒1次至无限长。由于海水的水质在短时间内变化一般不会太大，故实际监测间隔设定为每30分钟1次。

2.3 营养盐检测仪

选用意大利Systea公司生产的 NPA Plus分体式营养盐监测仪NPA Plus分体式营养盐监测仪是NPA Plus的改进型，检测仓和试剂仓分成两个独立仓室。在两方面改善了营养盐监测仪的使用性能：（1）原型号营养盐监测仪装满试剂后重达130斤，在海上操作很不方便，特别在海浪较大时，装卸仪器几乎不可能，NPA Plus分体型营养盐监测仪检测仓长期固定在浮标上，每次只需更换试剂仓，重量只有60多斤，大大减轻操作难度。（2）分体式的试剂仓可以装载更多的试剂，监测周期更长，维护量减少，维护效率更高，因此能保持更完整的数据采集率。

3 结语

近年来，广西沿海溢油、赤潮的海洋污染事故时有发生，且呈现逐年增加的趋势。广西近岸海域海洋水质监测浮标的布设，能够实时掌握陆源入海物排海情况，做到提前对赤潮、溢油等污染事故的预警预报，更有效地保护海洋环境，形成覆盖广西近岸海域重大潜在污染源的水质在线自动监测网络，为海洋资源开发利用、决策与规划，为海洋环境和生态管理，为科学研究和环境评价提供科学的依据。

参考文献

[1] 张学良.浅谈大型浮标的资料管理与质量控制[J].海洋信息，2014（2）：6-10.

[2] 李天深.进岸海域自动监测浮标在赤潮预警中的应用及其缺陷[J].海洋预报，2015（2）：71-77.

[3] 阮华杰，马骏，何志强.生态浮标预测赤潮暴发的分析[J].声学与电子工程，2014（2）：44-49.

[4] 李鹏，许啸春，潘灵芝.东海海洋环境监测网浮标观测站布设及其科学意义[J].上海国土资源，2014（1）：71-76，87.