船舶压载水取样机制的优化研究

贾宪章 ，贾宝柱，许媛媛，许嘉琪,龙宇衡

（广东海洋大学，湛江 524088）

1 前言

为了最大限度地降低压载水中外来生物带来的潜在危险， 2004 年国际海事组织(IMO）制定了《国际船舶压载水及其沉积物控制与管理公约》 (简称《压载水公约》），该公约于2017 年9 月8 日正式生效。

《压载水公约》规定了船舶压载水检查的工作程序，当其满足检查条件时，PSCO 可对船舶进行指示性分析，如需要可进行详细分析核验是否符合D-2标准。其中，对压载水检测的难点在于精准取样，现阶段取样方法难以准确评估压载水中含有的生物浓度，导致港口国对压载水排放控制缺乏有力依据。针对压载水取样过程中存在的局限性及复杂性，优化船舶压载水的取样机制能减缓压载水取样的相关难度。

2 压载水取样方法

依据《压载水公约》D-2 标准及相关取样导则，利用人孔、测深管或空气管等对压载水取样的方式不是符合检验的首选方式，这些取样方式不能得到压载水排放物中生物密度准确值。此外，压载水中其它可变因素也会对取样结果产生一定的影响。因此，现有取样机制(包括取样位置、取样数量、取样方式)很难保证压载水排放物样品具有代表性。

目前，针对压载水取样点以及取样方法仍处于探讨阶段，如何选取合理的取样机制已成为压载水取样中的技术难点，故优化压载水取样机制具有一定的必要性。

3 压载水排放标准及取样方法

3.1 压载水排放标准

船舶压载水取样，可分为D-1 标准及D-2 标准。目前实际港口国在船舶压载水管理中，普遍采用D-1标准。D-2标准则基于BWMS，根据《压载水公约》的D-2标准规定，对船舶压载水管理分为浮游生物及微生物进行分类控制：

（1）对于浮游生物的排放，要求最小尺寸大于或等于50μm 的可生存生物排放时应达到每立方米中少于10 个/m，尺寸小于50μm 但大于或等于10μm 的可生存生物少于10 个/cm；

（2）对于指示微生物的排放，要求不超过下述浓度：产毒霍乱弧菌，少于1 cfu/100 m1，大肠杆菌少于250 cfu/100 ml；肠球菌少于100 cfu/100 ml；

（3）对于不符合D-2 标准的船舶压载水，需要通过船载或岸基设施进行生物处理，符合标准后才允许排放到港口国海域。

3.2 压载水取样点及取样方法

目前船舶压载水取样以单一取样方法及单一取样点为主，这种取样方式并不适用于所有船舶。若操作人员根据实际航行情况及船舶自身特点，择优选取最佳的取样方法，则耗费的时间和成本较高。下面介绍几种比较常见的取样方法：

（1）压载水舱内取样

① 气动井泵取样

以气动柱塞泵形式为主，连接两根不同用处的管道，一根直接连接到压缩空气，一根则用来泵出舱内的压载水。该操作可获取绝大多数船舶上的压载水，但其精确度不高，取样结果不具代表性；

② 底部沉积物取样

取样器底部安装相应阀门，可从压载舱内不同深度相应位置进行取样，当底部触碰压载水底部时控制阀门打开进行取样；

③ 人孔、通气孔取样

人孔进行压载水取样有很大的局限性，消耗人力及时间，需打开人孔，效率较低。

（2）压载水排放口取样

压载水排放口取样存在相应的限制，很难满足相应压载水取样条件，取样结果也缺乏精确度。

对于以上问题，需优化相应取样机制并结合压载水取样新技术，则能较好的解决问题。

4 优化压载水取样机制

4.1 压载水取样机制技术流程

（1）根据不同船型、装载情况、水层深度等参数，采取多点、多方式联合取样机制，便于精准取样，从而优化压载水取样机制，合理解决目前压载水取样所存在的问题；

（2）分析压载水取样机制对评估值的影响，建立评估值模型，精确估算船舶压载水中活体浮游生物和微生物的平均密度，依据监测结果分析压载水中外来生物的物种鉴定及丰度，考虑静、动态参数的影响，提高样本取样丰度，克服传统取样方法因生物密度不均引起的估算偏差过大问题；

（3）压载水取样多次进行，取平均值，基于大数据分析减少实验误差，从而优化压载水在线智能取样。

优化压载水取样机制技术流程，如表1 所示。

表1 优化压载水取样机制技术流程

4.2 压载水取样机制优化

查阅往年相关数据进行信息分析，实时监控分析港口海域生物物种多样性及群体变动趋势；针对压载水取样对生物密度估值的影响，对取样位置、取样数量、取样方式进行优化，合理解决取样精度问题，节约时间及人工成本，设计适用于多种船舶的压载水取样机制；基于实船状况，取样点可设为舱内多点取样与排放口取样结合；舱内多点取样，可以从四面舱壁及不同舱底来考虑；此外，考虑时间及进出口动态参数的影响，通过相应技术矫正其干扰因素对取样结果的影响；通过以上压载水取样步骤，优化相应压载水取样机制，提高压载水取样机制的精确化、高效化、智能化。

（1）先了解压载水处理系统的相关布置及运行情况，便于后续实验的进行；

（2）确定压载水排放口、相应取样点及取样接口，整理与取样有关的各种实验器材，连接各组件组成取样装置；

（3）放出滞留于排放管路及舱内取样管路的压载水，注意需将滞留水彻底放出，避免影响后续实验分析过程；

（4）对相应压载水样本进行各项参数指标实时检测，考虑时间及进、出口动态参数的影响，控制单一变量，将部分浮游生物网浸没至取样压载水中，实验过程须调整阀门，保持其水位稳定；

（5）取样前应先矫正其进出口监测数据，提高样本取样丰度准确性；取样点可设于该实船的四面舱壁和不同舱底；取样方式以舱内取样与排放口取样结合为主，考虑实时因素的影响，调整相应动态参数，提高实验的合理性；

（6）取样结束后取出浮游生物网，收集整理相应样本，将样本置于保藏箱带回实验室进行详细计数分析。

通过以上实验步骤，分析相应取样结果来判断优化取样机制的可行性，避免以局部代替整体取样，使其研究更全面、合理；鉴于压载水取样机制复杂性，根据不同船型、装载情况、压载水水层深度等参数，探索智能取样机制，并结合对应的取样方法，设计适用于多种船舶的压载水取样机制；为实现对浮游生物、微生物进行精准识别，主要采用小样本优化分析并结合其他智能方法，分析压载水中生物组成、密度和存活性等数据，精准估算压载水中生物密度的平均值；基于大数据理论，为优化压载水取样机制提供更适合的规程。

4.3 压载水取样机制相关技术

首先，分析压载水取样机制对评估值的影响，建立评估值模型，精确估算生物密度平均值；在此基础上，研究压载舱内自助式取样系统，优化压载水取样机制。

压载水取样位置应尽量接近压载水排放端口，且位于管系弯道之后，避免颗粒惯性沉积影响相应实验结果；针对不同生物来用不同取样方法，对浮游生物、微生物分类计数得相应密度估计值，综合优化评估浓度；以微流控芯片技术，实现压载水的在线智能取样，从而得出最接近平均颗粒浓度的管内径向位置；取样应该多次进行，减少实验误差。

表2 所示船舶压载水指标性分析方法，针对不同外来生物的特征指标，矫正多方干扰因素的影响，最大限度提高压载水取样的准确度，实现压载水精准识别，探讨各种因素对压载水取样机制的干扰以及影响。

表2 船舶压载水指标性分析方法

基于大数据分析D-2 标准的取样机制，如表3 所示，多取样方式对比单一取样方式，其取样精度大幅度提高，相应的置信度也远高于单一取样；优化取样机制效率高，通过优化相应自主取样机制，实现精准取样，在数据分析的基础上，结合D-S 证据理论等相关技术，提取对生态环境影响明显的特征生物物种，作为生态环境的影响因子；基于特征影响因子，构建多维度生态因子对生态环境演变趋势的影响模型，综合大数据分析等方法，建立生态演变动态模拟系统，分析不同物种对特定港口海域的生物多样性影响及其演变趋势，为压载水取样机制提供相应技术支撑。

表3 D-2 标准的取样机制对比

5 建议

现阶段取样机制并不能满足不同船型以及取样位置的精确压载水取样，针对以上问题可以采用优化取样机制来解决，增加一定的经济、人力和时间成本，设计适用于多种船舶的压载水取样机制；取样应多次进行，取平均值以减小误差，将其取样结果与单一取样机制对比，分析其相关准确度，不断优化取样机制。

（1）压载水取样人员，按相关要求多点、多取样机制实时监测分析，及时、高效、准确记录相应实时信息，避免由于人为原因而产生误差;

（2）取样样本不一定为代表样本，取样应建立在同一时间段的多个取样样本指示性结果分析上;

（3）加快优化压载水取样机制对压载水管理方面的垄断;

（4）为提高取样精准度，可采用流体计算以及相应流体设计方法，设计相应取样流路，结合相应技术，完成对处理后及排放时的压载水进行在线活性监测及评估。

6 结论

压载水管理属于港口国控制的重要内容，但压载水取样的方法及处理标准是世界性难题。对压载水控制的难点首先在于精准取样，对微小型浮游生物和指示微生物缺乏有效取样监测手段，同时取样方法难以准确评估压载水中相应的生物含量，导致港口国对压载水排放控制缺乏科学性。为防止压载水外来生物入侵对我国海洋生态环境的影响，应加快优化压载水取样机制，基于港口海域物种多样性的实际情况，构建敏感物种监测系统，形成更加完善的港口海域的生态多样性保护体系，打造世界领先的绿色智慧港口。